一种航天用光学镜头
阅读说明：本技术 一种航天用光学镜头 (Optical lens for spaceflight ) 是由 张新 刘涛 王灵杰 史广维 张建萍 于 2019-11-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种航天用光学镜头,包括从物方到像方依次排列的第一透镜,第二透镜,第三透镜,第四透镜,第五透镜,第六透镜,光阑,第七透镜,第八透镜,第九透镜,第十透镜,第一透镜与第二透镜均为凸向物方的负弯月透镜,第三透镜为凸向像方的负弯月透镜或者双凹透镜,第四透镜为凸向像方的正弯月透镜,第五透镜为凸向物方的正弯月透镜或者平凸透镜或者双凸透镜,第六透镜为凸向物方的正弯月透镜,第七透镜为双凸透镜,第八透镜为平凹透镜或者双凹透镜,第九透镜为双凸透镜,第十透镜为双凸透镜,所有透镜无胶合,其中第一透镜和第十透镜为单面非球面透镜,由此本发明公开的光学镜头可实现大视场、低畸变、消热差。(The invention discloses an optical lens for spaceflight, which comprises a first lens, a second lens, a third lens, a fourth lens, a fifth lens, a sixth lens, a diaphragm, a seventh lens, an eighth lens, a ninth lens and a tenth lens which are sequentially arranged from an object side to an image side, wherein the first lens and the second lens are both negative meniscus lenses convex to the object side, the third lens is a negative meniscus lens or a biconcave lens convex to the image side, the fourth lens is a positive meniscus lens convex to the image side, the fifth lens is a positive meniscus lens or a plano-convex lens or a biconvex lens convex to the object side, the sixth lens is a positive meniscus lens convex to the object side, the seventh lens is a biconvex lens, the eighth lens is a plano-concave lens or a biconcave lens, the ninth lens is a biconvex lens, the tenth lens is a biconvex lens, all the lenses are not cemented, wherein the first lens and the tenth lens are single-sided lenses, therefore, the optical lens disclosed by the invention can realize large view field, low distortion and athermal difference.)
技术领域
本发明涉及光学设计技术领域，尤其涉及一种航天用光学镜头。
背景技术
随着航天事业向更高水平发展，针对航天员舱外活动以及航天器飞行环境等特殊航天活动，需要安置一个可工作于外太空环境中的摄像装置，而且摄像装置配置的光学系统除了须具备大视场与低畸变的特点之外，还需要确保其在载机运行起落、温度剧烈变化和高通量宇宙辐射等条件下的成像性能均能保持稳定，因此开发一种综合考虑重量、结构耐冲击、温度稳定性、抗辐射的大视场、低畸变航天用光学镜头很有必要。
现有的广角光学系统多采用多透镜的折射式结构，在增大视场角的同时，能够保证结构紧凑，但是光学系统视场角度的增大会带来严重的畸变，影响边缘视场的成像质量，为了保证的摄像装置的成像品质、低畸变，同时达到足够的视场角，大视场光学镜头多用塑料非球面透镜实现畸变校正，如申请号为CN200910099703.3的中国专利公开的一种超广角百万像素车载镜头，包括两个透镜群组和光阑，从物方开始依次设有：具有负光焦度的前透镜群组、光阑和具有正光焦度的后透镜群组。所述的前透镜群组由两个具有负光焦度的第一、第二透镜和一个具有正光焦度的第三透镜组成；所述的后透镜群组由一个胶合镜片组和一个具有正光焦度的第六透镜组成，同时第二透镜和第六透镜为非球面镜片，且至少有一面含有非球面镜面，采用了两片塑料材质的非球面镜片进行像差校正。
然而，透镜的两个表面均为非球面，不利于光学加工中保证透镜的中心偏差，此外，对于能够在外太空环境下清晰成像、稳定工作的光学镜头，需要充分考虑到它们所承受的温度、压力及太阳辐射与地面相差极大，这些因素会引起折射式光学材料的折射率、厚度等参数发生变化，从而引起成像质量的变化，因此，现有技术中的双胶合透镜不利于外太空环境下长时间工作，无法满足外太空环境的辐射适应性、温度变化以及卫星发射过程中对光学系统的冲击振动要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大视场、低畸变、消热差的航天用光学镜头，旨在解决现有技术中，光学透镜无法在外太空环境下长时间工作，无法满足外太空环境的辐射适应性、温度变化以及卫星发射过程中对光学系统的冲击振动要求的问题。
本发明实施例提供了一种大视场、低畸变、消热差的航天用光学镜头，包括从物方到像方依次排列的第一透镜，第二透镜，第三透镜，第四透镜，第五透镜，第六透镜，光阑，第七透镜，第八透镜，第九透镜，第十透镜，所述第一透镜为凸向物方的负弯月透镜，所述第二透镜为凸向物方的负弯月透镜，所述第三透镜为凸向像方的负弯月透镜或者双凹透镜，所述第四透镜为凸向像方的正弯月透镜，所述第五透镜为凸向物方的正弯月透镜或者平凸透镜或者双凸透镜，所述第六透镜为凸向物方的正弯月透镜，所述第七透镜为双凸透镜，所述第八透镜为平凹透镜或者双凹透镜，所述第九透镜为双凸透镜，所述第十透镜为双凸透镜，通过十片透镜的折射，能够现在镜头的大视场，所述第一透镜的朝向物方的表面和第十透镜的朝向像方的表面为非球面，非球面透镜实现畸变校正，所有透镜均为分离式结构，相比双胶合透镜，在外太空环境不易变形，更加适合长时间在外太空工作。
进一步地，所述第一至第十透镜均为玻璃或晶体材料。
进一步地，所述第一透镜和第十透镜均为玻璃单面非球面镜片，有利于光学加工中保证透镜的中心偏差，同时也很好的校正了各项像差。
进一步地，所述第一透镜为熔石英玻璃材质，所述第一透镜的折射率范围为1.45＜n＜1.55，色散范围为60＜v＜70，目前光学抗辐射效果最好的就是光学石英玻璃，使得光学系统具有在辐射环境下不易变色，可以起到很好的辐射屏蔽作用，同时，光学石英玻璃做为优良的光学材料，热膨胀系数极小，化学稳定性好，气泡、条纹、均匀性、双折射可与一般光学玻璃媲美，也可以校正光学系统像差，而且石英玻璃密度也很小，对于整个光学镜头的轻量化亦有很大的帮助；所述第十透镜的折射率范围为1.45＜n＜1.65，色散范围为60＜v＜80。
进一步地，所述第二至第九透镜均为玻璃材质。
进一步地，所述第二透镜的折射率范围为1.75＜n＜1.95，色散范围为20＜v＜40；所述第三透镜的折射率范围为1.65＜n＜1.85，色散范围为40＜v＜60；所述第四透镜的折射率范围为1.65＜n＜1.85，色散范围为25＜v＜45；所述第六透镜的折射率范围为1.45＜n＜1.65，色散范围为55＜v＜75；所述第七透镜或第九透镜的折射率范围为1.45＜n＜1.60，色散范围为70＜v＜90；所述第八透镜的折射率范围为1.75＜n＜1.95，色散范围为20＜v＜35；所述第九透镜的折射率范围为1.45＜n＜1.60，色散范围为70＜v＜90。
进一步地，所述第五透镜朝向物方的表面镀长波通滤光膜，朝向像方的表面镀短波通滤光膜，两个滤光膜相结合，充当带通滤光片的作用。
进一步地，所述非球面的方程为
式中，Z为非球面沿光轴方向在高度为h的位置时，距非球面顶点的距离矢高，c＝1/r，r表示镜面的曲率半径，k为圆锥系数conic，A、B、C、D为高次非球面系数，非球面透镜很好的校正了各项像差，使光学系统具有很好的品质，可以实现大视场、低畸变和高清晰度成像。
本发明中，采用准像方远心光路设计技术合理匹配透镜材料、半径、距离和厚度参数，根据光路走向，光线从物方位置通过十片透镜的折射，最后聚焦于位于像方位置。
基于上述技术方案，与现有技术相比，本发明提出的航天用光学镜头具有以下优点：
1、通过采用十片透镜进行搭配，十片透镜的折射能够实现光学镜头的大视场；
2、光学系统视场角度的增大会带来严重的畸变，本发明提出第一透镜和第十透镜朝向镜头外部的表面均为非球面，非球面表面能实现畸变校正，且本发明为单面非球面透镜，与现有技术的双面非球面透镜相比，单面非球面透镜有利于光学加工中保证透镜的中心偏差，同时也很好的校正了各项像差；
3、本发明所有的透镜都采用分离式结构，相比于双胶合透镜，分离式结构的透镜在外太空环境下不易变形，能够更长时间的适应外太空复杂的环境；
4、本发明提出的透镜，通过不同的折射率范围、色散范围合理搭配，通过测试可实现-55℃到70℃的温度范围内仍能够保证成像清晰度，温度范围对温度变化带来的影响进行了抑制，如此，即可实现大视场、低畸变、消热差；
5、除此之外，该光学镜头中的透镜采用玻璃或者晶体材质，其中第一透镜采用熔石英玻璃，为目前光学抗辐射效果最好的材料，且热膨胀系数极小，化学稳定性好，使得光学镜头具有在辐射环境下不易变色，可以起到很好的辐射屏蔽作用，有较好的抗空间带电粒子能力、抗紫外辐照能力；
本发明提出的航空用光学镜头有很好的环境适应能力，能确保整个摄像装置在严峻的空间环境下清晰地成像。
附图说明
图1为本发明实施例中的大视场、低畸变、消热差的航天用光学镜头的结构示意图；
图2为本发明实施例中的F-Theta畸变曲线示意图；
图3为本发明实施例中的场曲曲线示意图；
图4为本发明实施例中-55℃情况下的MTF曲线示意图；
图5为本发明实施例中20℃情况下的MTF曲线示意图；
图6为本发明实施例中70℃情况下的MTF曲线示意图。
其中，L1、第一透镜，L2、第二透镜，L3、第三透镜，L4、第四透镜，L5、第五透镜，L6、第六透镜，L7、第七透镜，L8、第八透镜，L9、第九透镜，L10、第十透镜，S、光阑。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
另外，还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。
如图1至图6所示，本发明实施例提出了一种航天用光学镜头，采用准像方远心光路设计技术合理匹配透镜材料、半径、距离和厚度参数，根据光路走向，规定图1中所有光学元件左侧表面为前表面，右侧表面为后表面，规定最左侧位置为物方，最右侧位置为像方，其包括从物方到像方依次排列的第一透镜L1，第二透镜L2，第三透镜L3，第四透镜L4，第五透镜L5，第六透镜L6，光阑S，第七透镜L7，第八透镜L8，第九透镜L9和第十透镜L10。第一透镜L1为凸向物方的负弯月透镜，第二透镜L2为凸向物方的负弯月透镜，第三透镜L3为双凹透镜，在另外一种实施例中，第三透镜L3为凸向像方的负弯月透镜，第四透镜L4为凸向像方的正弯月透镜，第五透镜L5为凸向物方的平凸透镜，在另外一种实施例中，第五透镜L5为凸向物方的正弯月透镜或者平凸透镜，第六透镜L6为凸向物方的正弯月透镜，第七透镜L7为双凸透镜，整个光学镜头的光阑S位于第六透镜L6和第七透镜L7之间，第八透镜L8为双凹透镜，在另外一种实施例中，第八透镜L8为平凹透镜，第九透镜L9为双凸透镜，第十透镜L10为双凸透镜，所有透镜均为分离式结构。
本发明实施例所述的第一透镜的折射率范围为1.45<n<1.55，色散范围为60<v<70，本发明实施例优选融石英玻璃材质，其折射率为1.458，色散为67.82，或优选其他折射范围和色散范围之内的玻璃及晶体材料；所述第二透镜的折射率范围为1.75<n<1.95，色散范围为20<v<40，本发明实施例优选H-ZF62型号的玻璃材质，其折射率为1.923，色散为20.88，或优选其他折射范围和色散范围之内的玻璃及晶体材料；第三透镜的折射率范围为1.65<n<1.85，色散范围为40<v<60，本发明实施例优选H-LAK53B型号的玻璃材质，其折射率为1.755，色散为52.34，或优选其他折射范围和色散范围之内的玻璃及晶体材料；所述第四透镜的折射率范围为1.65<n<1.85，色散范围为25<v<45，本发明实施例优选H-LAF4型号的玻璃材质，其折射率为1.750，色散为35.02，或优选其他折射范围和色散范围之内的玻璃及晶体材料；所述第五透镜的折射率范围为1.65<n<1.85，色散范围为25<v<45，本发明实施例优选采用H-LAF4型号的玻璃材质，其折射率为1.750，色散为35.02，或优选其他折射范围和色散范围之内的玻璃及晶体材料；所述第六透镜的折射率在范围为1.45<n6<1.65，色散范围为55<v<75，本发明实施例优选H-K9L型号的玻璃材质，其折射率为1.517，色散为64.21，或优选其他折射范围和色散范围之内的玻璃及晶体材料；所述第七透镜的折射率范围为1.45<n<1.60，色散范围为70<v<90，本发明实施例优选H-FK61型号的玻璃材质，其折射率为1.497，色散为81.59，或优选其他折射范围和色散范围之内的玻璃及晶体材料；所述第八透镜的折射率范围为1.75<n<1.95，色散范围为20<v<35，本发明实施例优选H-ZF52型号的玻璃材质，其折射率为1.847，色散为23.79，或优选其他折射范围和色散范围之内的玻璃及晶体材料；所述第九透镜的折射率范围为1.45<n<1.60，色散范围为70<v<90，本发明实施例优选H-FK61型号的玻璃材质，其折射率为1.497，色散为81.59，或优选其他折射范围和色散范围之内的玻璃及晶体材料；所述第十透镜的折射率在范围为1.45<n6<1.65，色散范围为60<v<80，本发明实施例优选H-QK3L型号的玻璃材质，其折射率为1.487，色散为70.42，或优选其他折射范围和色散范围之内的玻璃及晶体材料。
本实施例的所有透镜镜面参数如下：
表1
本发明实施例第五透镜L5的朝向物方的表面镀长波通滤光膜，朝向像方的表面镀短波通滤光膜。
本发明第一透镜L1的朝向物方的表面和第十透镜L10的朝向像方的表面为非球面，且非球面方程为
式中，Z为非球面沿光轴方向在高度为h的位置时，距非球面顶点的距离矢高，c＝1/r，r表示镜面的曲率半径，k为圆锥系数conic，A、B、C、D为高次非球面系数。
本实施例中两面非球面系数k、A、B、C如下：
表2
序号
类型
k
A
B
C
1
非球面
0
4.81e-005
-8.84e-008
1.05e-010
20
非球面
-3.09
0
0
0
本实施例中的光学镜头有效焦距为f＝3.6mm，F/#＝4.3，其光学全长小于59.0mm，其全视场达到145度，边缘视场畸变<40％，其模块高度可以做到非常紧凑，重量轻，实现了-55℃到70℃的温度范围内仍能够保持成像清晰度，本实施例的光学镜头可以作为大视场、低畸变、消热差的航天用折射式光学镜头，亦可作为高性能车载广角镜头、监控镜头使用。
图2为本实施例的大视场、低畸变、消热差的航天用光学镜头的F-Theta畸变曲线图，图中横轴为百分比，纵轴为视场，畸变是实际镜头对物体成像时的一种歪曲，它会使直线成像为曲线，在实际成像中是不可避免的，本实施例大视场、低畸变、消热差的航天用折射式光学镜头145度视场的F-Theta畸变绝对值小于40％，其满足低畸变的要求。
图3是本发明实施例大视场、低畸变、消热差的航天用折射式光学镜头的场曲曲线图，本发明实施例的场曲小于0.072mm。
图4～图6是大视场、低畸变、消热差的航天用折射式光学镜头的MTF曲线，图中横轴表示空间频率，单位：线对每毫米(lp/mm)；纵轴为MTF的数值，MTF的数值用来评价镜头的成像质量，取值范围为0到1.0，MTF曲线越高越直表示镜头成像质量越好，对真实图像的还原能力越强，本发明实施例取温度为-55℃、20℃、70℃情况下的MTF曲线示意图，从图4～图6可以看出，镜头在-55℃到70℃的环境下，能保证镜头组件在整个成像面上都能清晰成像，满足消热差的要求。
以上所述实施例，仅为本发明具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改、替换和改进等等，这些修改、替换和改进都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
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