CN103345048B - 适用于稳像系统的高倍率变焦摄像镜头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于稳像系统的高倍率变焦摄像镜头，其沿光线自左向右入射方向分别设有光焦度为正的前固定镜组A、光焦度为负的变倍镜组B、光焦度为正的补偿镜组C、可变光阑组件D、光焦度为正的后固定镜组E、稳像器反射镜F、稳像器镜组G以及反射镜H。本发明有效提高了镜头的分辨率，能达到与高清摄像机适配的需求，具有较强的抗震动能力，在颠簸、自身抖动、空气动力震动的情况下仍然能在长焦距状态下得到稳定的图像,并具有焦距值预置功能，特别适于对远距离目标的持续跟踪，且系统具有紧凑化的特点。

Description

适用于稳像系统的高倍率变焦摄像镜头

技术领域

本发明涉及一种视频技术的光学摄像装置，特别是一种适用于稳像系统的高倍率变焦摄像镜头。

背景技术

机械补偿式可变焦距镜头虽然已经有了数十年的历史，但是基本光路结构变化不大，基本都是由前固定透镜组、变倍透镜组、补偿透镜组和后固定透镜组四个组元构成，通过透镜组之间的相互移动实现有效摄像范围的变化。普遍存在的问题在于：分辨率不高，特别是外界震动比较大时，例如颠簸、自身抖动、空气动力震动等情况下，在长焦距状态下难于得到稳定的图像，甚至丢失跟踪目标；在外形体积受限时，变倍倍率难于做大等等。

随着百万级像素高分辨率CCD、CMOS图像传感器的不断出现，光电视频监控已步入网络化时代，对光学系统的设计提出了更高、更新的要求。例如在外界震动比较严重时，仍然希望得到稳定的图像，不丢失跟踪目标，不损失分辨率；在整机系统朝紧凑型方向发展的趋势下，在保证变倍倍率的前提下，要求镜头体积尽可能小。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，即本发明要解决的技术问题是提供一种适用于稳像系统的高倍率变焦摄像镜头，该镜头分辨率能达到与高清摄像机适配的需求，具有较强的抗震动能力，在颠簸、自身抖动、空气动力震动等情况下仍然能在长焦距状态下得到稳定的图像，特别适于对远距离目标的持续跟踪，且系统具有紧凑化的特点。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种适用于稳像系统的高倍率变焦摄像镜头，所述镜头的光学结构中沿光线自左向右入射方向分别设有光焦度为正的前固定镜组A、光焦度为负的变倍镜组B、光焦度为正的补偿镜组C、可变光阑组件D、光焦度为正的后固定镜组E、稳像器反射镜F、稳像器镜组G以及反射镜H，所述前固定镜组A依次设有负月牙型透镜A-1、双凸透镜A-2以及正月牙型透镜A-3，所述变倍镜组B依次设有双凹透镜B-1以及由正月牙型透镜B-2与平凹透镜B-3密接的第一胶合组，所述补偿镜组C依次设有双凸透镜C-1以及由负月牙型透镜C-2与双凸透镜C-3密接的第二胶合组，所述后固定镜组E依次设有由正月牙型透镜E-1与双凹透镜E-2密接的第三胶合组、正月牙型透镜E-3以及由双凹透镜E-4与双凸透镜E-5密接的第四胶合组，所述稳像器镜组G依次设有由双凸透镜G-1与负月牙型透镜G-2密接的第五胶合组以及双凸透镜G-3。

在进一步的技术方案中，所述前固定镜组A和变倍镜组B之间的空气间隔是21.10~104.84mm，所述变倍镜组B和补偿镜组C之间的空气间隔是151.38~4.50mm，所述补偿镜组C和后固定镜组E之间的空气间隔是0.5~63.62mm，所述后固定镜组E和稳像器镜组G之间的空气总间隔是64mm。

在进一步的技术方案中，所述前固定镜组A中的负月牙型透镜A-1和双凸透镜A-2之间的空气间隔是1.04mm，所述双凸透镜A-2和正月牙型透镜A-3之间的空气间隔是0.2mm。

在进一步的技术方案中，所述变倍镜组B中的双凹透镜B-1和第一胶合组之间的空气间隔是3.10mm。

在进一步的技术方案中，所述补偿镜组C中的双凸透镜C-1和第二胶合组之间的空气间隔是0.13mm。

在进一步的技术方案中，所述后固定镜组E中的第三胶合组和正月牙型透镜E-3之间的空气间隔是0.13mm，所述正月牙型透镜E-3和第四胶合组之间的空气间隔是1.24mm。

在进一步的技术方案中，所述稳像器镜组G中的第五胶合组和双凸透镜G-3之间的空气间隔是0.13mm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提高了轴上光线高度最高的前固定镜组的光焦度承担能力，采用正组补偿并使用ED（超低色散）材料，有效地降低了光学镜头二级光谱等像差，使镜头的分辨率显著提高，达到百万像素，可与高清晰度的摄像机适配；通过两个反射镜的反射，使后固定镜组之后的光轴转折180°；在后固定透镜组后设置稳像器，利用补偿机制对外界震动进行补偿，达到稳像的目的，使摄像系统在较强外界震动情况下仍能得到稳定的图像，保持对目标的持续跟踪；使用反射镜对光路进行折叠，在保证光学后截距足够大的同时，减小系统的总长，实现了系统的紧凑化。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1为光学系统的结构图。

图2为摄像镜头的主视图。

图3为摄像镜头的左视图。

图4为摄像镜头的右视图。

图5为摄像镜头的立体图。

图6为电动调焦机构的主视图。

图7为电动调焦机构的左视图。

图8为电动变焦机构的主视图。

图9为电动变焦机构的左视图。

图10为电动光阑机构的主视图。

图11为电动光阑机构的左视图。

图12为稳像器组件的主视图。

图13为稳像器组件的左视图。

图14为稳像器镜组件的主视图。

图1中：A.前固定镜组，A-1.负月牙型透镜，A-2.双凸透镜，A-3.正月牙型透镜，B.变倍镜组，B-1.双凹透镜，B-2.正月牙型透镜，B-3.平凹透镜，C.补偿镜组，C-1.双凸透镜，C-2.负月牙型透镜，C-3.双凸透镜，D.可变光阑组件，E.后固定镜组，E-1.正月牙型透镜，E-2.双凹透镜，E-3.正月牙型透镜，E-4.双凹透镜，E-5.双凸透镜，G.稳像器镜组，G-1.双凸透镜，G-2.负月牙型透镜，G-3.双凸透镜。

图2~5中：4-1.电动调焦机构，4-2.前固定组件，4-3.变倍组件，4-4.补偿组件，4-5.CCD摄像机组件，4-6.后固定组件，4-7.稳像器镜组件，4-8.稳像器组件，4-9.电动变焦机构，4-10.电动光阑机构。

图6~7中：5-1.负月牙型透镜A-1，5-2.双凸透镜A-2，5-3.正月牙型透镜A-3，5-4.第一压圈，5-5.前组压圈，5-6.调焦环，5-7.调焦镜座，5-8.调焦主动轮，5-9.第一隔圈，5-10.前组镜筒，5-11.调焦拨钉，5-12.第二隔圈，5-13.调焦电机，5-14.调焦电机架，5-15.调焦霍尔元件架，5-16.霍尔元件。

图8~9中：6-1.主镜筒，6-2.凸轮盖板，6-3.导杆，6-4.凸轮，6-5.钢球，6-6.凸轮压圈，6-7.变焦主动轮，6-8.变焦电机，6-9.连接底座，6-10.霍尔元件，6-11.变焦霍尔元件架，6-12.变倍磁铁座，6-13.变焦电机架，6-14.变倍电位器齿轮，6-15.变倍电位器。

图10~11中：7-1.双凸透镜E-5，7-2.双凹透镜E-4，7-3.正月牙型透镜E-3，7-4.双凹透镜E-2，7-5.正月牙型透镜E-1，7-6.光阑片，7-7.第三隔圈，7-8.光阑动环压圈，7-9.光阑动环，7-10.光阑调节环，7.11光阑调节环压圈，7-12.光阑座，7.13.第二压圈，7-14.稳像器组件，7-15.光阑拨钉，7-16.霍尔元件，7-17.光阑霍尔元件架，7-18.光阑磁铁座，7-19.光阑电机架，7-20.光阑电机，7-21.光阑主动轮。

图12中：8-1.稳像器反射镜F，8-2.稳像器，8-3.反射镜罩，8-4.稳像器座，8-5.稳像器立柱。

图14中：9-1.双凸透镜G-3，9-2.负月牙型透镜G-2，9-3.第四隔圈，9-4.双凸透镜G-1，9-5.反射镜H，9-6.反射镜压板，9-7.第三压圈，9-8.后固定组镜筒，9-9.后固定组垫圈。

具体实施方式

如图1所示，一种适用于稳像系统的高倍率变焦摄像镜头，所述镜头的光学结构中沿光线自左向右入射方向分别设有光焦度为正的前固定镜组A、光焦度为负的变倍镜组B、光焦度为正的补偿镜组C、可变光阑组件D、光焦度为正的后固定镜组E、稳像器反射镜F、稳像器镜组G以及反射镜H，所述前固定镜组A依次设有负月牙型透镜A-1、双凸透镜A-2以及正月牙型透镜A-3，所述变倍镜组B依次设有双凹透镜B-1以及由正月牙型透镜B-2与平凹透镜B-3密接的第一胶合组，所述补偿镜组C依次设有双凸透镜C-1以及由负月牙型透镜C-2与双凸透镜C-3密接的第二胶合组，所述后固定镜组E依次设有由正月牙型透镜E-1与双凹透镜E-2密接的第三胶合组、正月牙型透镜E-3以及由双凹透镜E-4与双凸透镜E-5密接的第四胶合组，所述稳像器镜组G依次设有由双凸透镜G-1与负月牙型透镜G-2密接的第五胶合组以及双凸透镜G-3。

在本实施例中，所述前固定镜组A和变倍镜组B之间的空气间隔是21.10~104.84mm，所述变倍镜组B和补偿镜组C之间的空气间隔是151.38~4.50mm，所述补偿镜组C和后固定镜组E之间的空气间隔是0.5~63.62mm，所述后固定镜组E和稳像器镜组G之间的空气总间隔是64mm。

在本实施例中，所述前固定镜组A中的负月牙型透镜A-1和双凸透镜A-2之间的空气间隔是1.04mm，所述双凸透镜A-2和正月牙型透镜A-3之间的空气间隔是0.2mm，所述双凸透镜A-2的材质为超低色散的FK61型号氟冕玻璃；所述变倍镜组B中的双凹透镜B-1和第一胶合组之间的空气间隔是3.10mm；所述补偿镜组C中的双凸透镜C-1和第二胶合组之间的空气间隔是0.13mm；所述后固定镜组E中的第三胶合组和正月牙型透镜E-3之间的空气间隔是0.13mm，所述正月牙型透镜E-3和第四胶合组之间的空气间隔是1.24mm；所述稳像器镜组G中的第五胶合组和双凸透镜G-3之间的空气间隔是0.13mm。

在本实施例中，该镜头的光学结构达到了以下光学指标：（1）焦距f′=31~620mm；（2）相对孔径D/ f′=1/5~1/8；（3）视场角2ω=22.1°~1.11°；（4）光学结构长度∑L≤419mm；（5）光学后截距L′>102mm；（6）变倍行程≤83mm；（7）镜头分辨率：与超百万像素CCD摄像机或CMOS摄像机适配。

在光学设计时，在前固定镜组A中使用一片ED（超低色散）光学材料，选用正组机械补偿结构，有效地降低了光学镜头长焦时的二级光谱等像差，使镜头在长焦焦距段的分辨率得到显著提高，达到百万像素，可与高清晰度的摄像机适配。考虑到长焦状态时外界震动对图像清晰度的影响，例如颠簸、自身抖动、空气动力震动等情况下，难于得到稳定图像，甚至丢失跟踪目标，在光路设计时增加了一个比较长的平行光路区域，并添加稳像装置，利用补偿机制对外界震动进行补偿，达到稳像的目的，使摄像系统在较强外界震动情况下仍能得到稳定的图像，保持对目标的持续跟踪。该镜头使用反射镜对光路进行折叠，在保证足够大后焦距的同时实现了光学系统的紧凑化。

如图2~5所示，所述镜头的装配结构从左往右依次为前固定组件4-2、变倍组件4-3、补偿组件4-4、可变光阑组件、后固定组件4-6、稳像器组件4-8、稳像器镜组件4-7以及CCD摄像机组件4-5，所述镜头的前部设有电动调焦机构4-1，所述镜头的中部设有电动变焦机构4-9，所述镜头的后部设有电动光阑机构4-10，所述电动调焦机构4-1、电动变焦机构4-9和电动光阑机构4-10分别环绕分布在镜头的四周。所述电动变焦机构4-9设置有一个实现焦距预置功能的变倍电位器6-15，所述变倍电位器6-15为精密电位器。所述稳像器反射镜F通过6704硅胶与稳像器前端陀螺粘接在一起，可随稳像器陀螺摆动；所述稳像器反射镜F和反射镜H分别与其前部光轴成45°角，所述镜头的入射光线通过稳像器反射镜F和反射镜H的反射，使得镜头光轴转折180°，可将超高清摄像机安置在镜头的上方，从而有效地减短了镜头的总长。

如图6~7所示并结合图2~3，所述前固定组件4-2是将负月牙型透镜A-1（5-1）、双凸透镜A-2（5-2）以及正月牙型透镜A-3（5-3）分别安装于前组镜筒5-10内并通过前组压圈5-5压紧在调焦镜座5-7内，所述负月牙型透镜A-1（5-1）是由第一压圈5-4压紧在前组镜筒5-10内，所述负月牙型透镜A-1（5-1）和双凸透镜A-2（5-2）之间设置有第一隔圈5-9，所述双凸透镜A-2（5-2）和正月牙型透镜A-3（5-3）之间设置有第二隔圈5-12。所述电动调焦机构4-1包括调焦电机5-13、调焦镜座5-7以及精确控制调焦位置的霍尔元件5-16，所述调焦电机5-13通过调焦电机架5-14安置在主镜筒6-1上，所述霍尔元件5-16通过调焦霍尔元件架5-15安装在主镜筒6-1上，所述主镜筒6-1上开设有精密铣制的导槽，所述调焦电机5-13的电机轴上安装有调焦主动轮5-8，所述调焦镜座5-7上安装有调焦环5-6，所述调焦主动轮5-8通过与调焦环5-6齿轮啮合后带动调焦环5-6转动，所述调焦环5-6带动调焦镜座5-7，所述调焦镜座5-7周侧上固定有3个120°均布的调焦拨钉5-11，通过调焦拨钉5-11与导槽相配合以引导调焦座相对主镜筒6-1作螺旋运动，从而实现前固定组件4-2的前后移动，实现调焦功能。

如图8~9所示并结合图2和图5，所述变倍组件4-3和补偿组件4-4均安装在两导杆6-3上并滑动配合，所述两导杆6-3通过凸轮盖板6-2分别对称地固定在主镜筒6-1上，所述凸轮6-4由凸轮压圈6-6压紧在主镜筒6-1上，所述主镜筒6-1与连接底座6-9相连接并固定有变倍磁铁座6-12。所述镜头的电动变焦机构4-9包括变焦电机6-8以及用于精确控制长短焦位置的霍尔元件6-10，所述霍尔元件6-10通过变焦霍尔元件架6-11安装在主镜筒6-1上，所述变焦电机6-8通过变焦电机架6-13安置在主镜筒6-1上，所述变焦电机6-8的电机轴上安装有变焦主动轮6-7，所述变焦主动轮6-7通过与凸轮6-4齿轮啮合后带动凸轮6-4转动，所述凸轮6-4通过钢球6-5的滚动带动变倍组件4-3和补偿组件4-4移动，从而实现镜头焦距的变化，完成变焦过程。同时，所述变焦主动轮6-7通过与变倍电位器齿轮6-14啮合后带动变倍电位器齿轮6-14转动，所述变倍电位器齿轮6-14的转动使得变倍电位器6-15的阻值发生改变，由此，焦距和变倍电位器6-15阻值之间形成一对一的关系，通过这种传感器方式可以实现焦距的预置功能。

如图10~11所示并结合图2和图4，所述后固定组件4-6是将由正月牙型透镜E-1（7-5）与双凹透镜E-2（7-4）密接的第三胶合组、正月牙型透镜E-3（7-3）以及由双凹透镜E-4（7-2）与双凸透镜E-5（7-1）密接的第四胶合组分别安装于光阑座7-12内，所述双凸透镜E-5（7-1）由第二压圈7-13压紧在光阑座7-12内，所述第三胶合组和正月牙型透镜E-3（7-3）之间设置有第三隔圈7-7，所述后固定组件4-6的后端设置有稳像器组件7-14（或4-8）。所述电动光阑机构4-10包括光阑电机7-20和用于精确控制光阑位置的霍尔元件7-16，所述霍尔元件7-16通过光阑霍尔元件架7-17安装在光阑座7-12上，所述光阑调节环7-10上还固定有光阑磁铁座7-18，所述光阑电机7-20通过光阑电机架7-19安置在光阑座7-12上，所述光阑电机7-20的电机轴上安装有光阑主动轮7-21，所述光阑主动轮7-21通过与光阑调节环7-10齿轮啮合后带动光阑调节环7-10转动，所述光阑调节环7-10由光阑调节环压圈7-11压紧在光阑座7-12上，所述光阑调节环7-10通过固定在光阑动环7-9上的光阑拨钉7-15带动光阑动环7-9转动，所述光阑动环7-9由光阑动环压圈7-8压紧在光阑座7-12内，所述光阑动环7-9带动光阑片7-6转动，从而控制光圈开口大小的变化，实现电动控制光圈大小的过程。

如图12~13所示并结合图2，所述稳像器组件4-8包括稳像器8-2、稳像器反射镜F（8-1）、稳像器座8-4、稳像器立柱8-5以及反射镜罩8-3，所述稳像器8-2通过螺钉安置在稳像器座8-4上，所述稳像器反射镜F（8-1）通过6704硅橡胶粘接在稳像器8-2摆动陀螺上，所述反射镜罩8-3通过螺钉安置在稳像器座8-4上。当稳像器组件4-8与镜头总装后，可以通过控制稳像器8-2前端陀螺的摆动，使得反射镜F跟随稳像器8-2小幅度摆动，利用稳像器反射镜F（8-1）的补偿机制对外界震动进行补偿，达到稳像的目的，使摄像系统在较强外界震动情况下仍能得到稳定的图像，保持对目标的持续跟踪。同时，稳像器反射镜F（8-1）与前端光轴成45°角，前端入射光线经过稳像器反射镜F（8-1）反射后，实现光轴转折90°。

如图14所示并结合图2，所述稳像器镜组件4-7是将由双凸透镜G-1（9-4）与负月牙型透镜G-2（9-2）密接的第五胶合组以及双凸透镜G-3（9-1）分别安装于后固定组镜筒9-8内，所述后固定组镜筒9-8下端设置有后固定组垫圈9-9，所述双凸透镜G-1（9-4）由第三压圈（9-3）压紧在后固定组镜筒9-8内，所述稳像器反射镜F的反射光线进入稳像器镜组G，经过三片光学镜片的折射后到达反射镜H（9-5），所述反射镜H（9-5）通过反射镜压板9-6安装于后固定组镜筒9-8上，所述反射镜H（9-5）与其前端光轴亦成45°角，光线经过反射镜H（9-5）反射后实现光轴再次转折90°，因此入射光线经过稳像器反射镜F和反射镜H（9-5）两次反射后转折180°，最终进入CCD摄像机。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种适用于稳像系统的高倍率变焦摄像镜头，其特征在于：所述镜头的光学结构中沿光线自左向右入射方向分别设有光焦度为正的前固定镜组A、光焦度为负的变倍镜组B、光焦度为正的补偿镜组C、可变光阑组件D、光焦度为正的后固定镜组E、稳像器反射镜F、稳像器镜组G以及反射镜H，所述前固定镜组A依次设有负月牙型透镜A-1、双凸透镜A-2以及正月牙型透镜A-3，所述变倍镜组B依次设有双凹透镜B-1以及由正月牙型透镜B-2与平凹透镜B-3密接的第一胶合组，所述补偿镜组C依次设有双凸透镜C-1以及由负月牙型透镜C-2与双凸透镜C-3密接的第二胶合组，所述后固定镜组E依次设有由正月牙型透镜E-1与双凹透镜E-2密接的第三胶合组、正月牙型透镜E-3以及由双凹透镜E-4与双凸透镜E-5密接的第四胶合组，所述稳像器镜组G依次设有由双凸透镜G-1与负月牙型透镜G-2密接的第五胶合组以及双凸透镜G-3；其中，所述负月牙型透镜A-1、正月牙型透镜A-3、负月牙型透镜C-2和正月牙型透镜E-3向物方侧凸出，所述正月牙型透镜B-2、正月牙型透镜E-1和负月牙型透镜G-2向像方侧凸出；所述前固定镜组A和变倍镜组B之间的空气间隔是21.10~104.84mm，所述变倍镜组B和补偿镜组C之间的空气间隔是151.38~4.50mm，所述补偿镜组C和后固定镜组E之间的空气间隔是0.5~63.62mm，所述后固定镜组E和稳像器镜组G之间的空气总间隔是64mm；所述前固定镜组A中的负月牙型透镜A-1和双凸透镜A-2之间的空气间隔是1.04mm，所述双凸透镜A-2和正月牙型透镜A-3之间的空气间隔是0.2mm；所述变倍镜组B中的双凹透镜B-1和第一胶合组之间的空气间隔是3.10mm；所述补偿镜组C中的双凸透镜C-1和第二胶合组之间的空气间隔是0.13mm；所述后固定镜组E中的第三胶合组和正月牙型透镜E-3之间的空气间隔是0.13mm，所述正月牙型透镜E-3和第四胶合组之间的空气间隔是1.24mm；所述稳像器镜组G中的第五胶合组和双凸透镜G-3之间的空气间隔是0.13mm。

2.根据权利要求1所述的适用于稳像系统的高倍率变焦摄像镜头，其特征在于：所述双凸透镜A-2的材质为超低色散的FK61型号氟冕玻璃。

3.根据权利要求1所述的适用于稳像系统的高倍率变焦摄像镜头，其特征在于：所述镜头的前部设有电动调焦机构，所述镜头的中部设有电动变焦机构，所述电动变焦机构设置有一个实现焦距预置功能的变倍电位器，所述镜头的后部设有电动光阑机构。

4.根据权利要求1所述的适用于稳像系统的高倍率变焦摄像镜头，其特征在于：所述稳像器反射镜F通过硅胶与稳像器前端陀螺粘接在一起，所述稳像器反射镜F和反射镜H分别与其前部光轴成45°角，所述镜头的入射光线通过稳像器反射镜F和反射镜H的反射，使镜头光轴转折180°。