CN103424851B - 高分辨率长焦距自动对焦、自动调光机载变焦距摄像镜头 - Google Patents
高分辨率长焦距自动对焦、自动调光机载变焦距摄像镜头 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种高分辨率长焦距自动对焦、自动调光机载变焦距摄像镜头，其特征在于：所述镜头的光学系统中沿光线自左向右入射方向分别设有前固定组、变倍组、补偿组、光阑组件以及后固定组，所述前固定组依次设有负月牙透镜、双凸透镜、正月牙透镜以及正月牙透镜，所述变倍组依次设有负月牙透镜以及由双凹透镜和双凸透镜密接的胶合组，所述补偿组设有由双凹透镜和正月牙透镜密接的胶合组，所述后固定组前部依次设有双凸透镜E和双凸透镜，中部依次设有由双凸透镜和双凹透镜密接的胶合组以及正月牙透镜，后部依次设有负月牙透镜和双凸透镜。该摄像镜头具有长焦距、大靶面、大视场角、高分辨率、自动对焦、自动光圈等优点，适用于机载摄像领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种高分辨率长焦距自动对焦、自动调光机载变焦距摄像镜头，适用于机载摄像领域。
背景技术
目前适用于常规监测的摄像镜头要求观察范围大、观测时间长、体积小、质量轻、清晰度高，对目标既能作大区域小倍率的全景观察，又能作小区域大倍率的放大观测。传统的机械补偿式变焦距镜头的光学结构形式由前固定组、变倍组、补偿组和后固定组四个组元构成，但是普遍存在着图像质量不佳，外形体积较大、焦距短、靶面小、作用距离短，不适用机载环境等缺点，不适用于常规监测。另外，现有的机载变焦距镜头受限于使用环境，外形体积较大，图像质量不佳，且焦距短、靶面小，限制了观测能力。
发明内容
为了克服现有机载变焦距镜头的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种高分辨率长焦距自动对焦、自动调光机载变焦距摄像镜头，该摄像镜头具有连续电动变焦距、自动调焦、自动调光等功能。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种高分辨率长焦距自动对焦、自动调光机载变焦距摄像镜头，所述镜头的光学系统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组A、光焦度为负的变倍组B、光焦度为负的补偿组C、光阑组件D以及光焦度为正的后固定组E，所述前固定组A依次设有负月牙透镜A-1、双凸透镜A-2、正月牙透镜A-3以及正月牙透镜A-4，所述变倍组B依次设有负月牙透镜B-1以及由双凹透镜B-2和双凸透镜B-3密接的第一胶合组，所述补偿组C设有由双凹透镜C-1和正月牙透镜C-2密接的第二胶合组，所述后固定组E前部依次设有双凸透镜E-1和双凸透镜E-2，中部依次设有由双凸透镜E-3和双凹透镜E-4密接的第三胶合组以及正月牙透镜E-5，后部依次设有负月牙透镜E-6和双凸透镜E-7。
在进一步的技术方案中，所述前固定组A和变倍组B之间的空气间隔是2.5～99.98mm，所述变倍组B和补偿组C之间的空气间隔是92.77～6.44mm，所述补偿组C和后固定组E之间的空气间隔是4.73～15.87mm。
在进一步的技术方案中，所述前固定组A中的负月牙透镜A-1和双凸透镜A-2之间的空气间隔是1.1mm，所述双凸透镜A-2和正月牙透镜A-3之间的空气间隔是1.5mm，所述正月牙透镜A-3和正月牙透镜A-4之间的空气间隔是0.2mm。
在进一步的技术方案中，所述变倍组B中的负月牙透镜B-1和第一胶合组之间的空气间隔是18.2mm。
在进一步的技术方案中，所述后固定组E中的双凸透镜E-1和双凸透镜E-2之间的空气间隔是0.1mm，所述双凸透镜E-2和第三胶合组之间的空气间隔是13.2mm，所述第三胶合组和正月牙透镜E-5之间的空气间隔是0.9mm，所述正月牙透镜E-5和负月牙透镜E-6之间的空气间隔是38.9mm，所述负月牙透镜E-6和双凸透镜E-7之间的空气间隔是1.2mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明运用机械补偿法和最速变焦凸轮曲线设计技术设计了一种高分辨率、长焦距、自动对焦、自动调光的机载变焦距摄像镜头，该摄像镜头具有长焦距、大靶面、大视场角、高分辨率、自动对焦、自动光圈等优点，能够为摄像机提供高分辨率光学图像，产生高解像力的PLA制式的视频信号，适用于机载摄像领域。
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为本发明实施例的光学系统示意图。
图2为本发明实施例的外形接口主视图。
图3为本发明实施例的外形接口右视图。
图4为本发明实施例的外形接口俯视图。
图5为自动对焦机构的结构示意图。
图6为自动调光机构的结构示意图。
图7为图6中A-A处的剖视示意图。
图中：1-锁紧圈，2-前组镜筒，3-调焦导钉，4-调焦座，5-调焦环，6-调焦步进电机组件，7-调焦电位器组件，8-主镜筒，9-光阑动环，10-光阑片组件，11-定钉，12-光阑动环压圈，13-光阑座，14-光阑拨钉，15-光阑调节环，16-光阑电机组件，17-光阑电位器组件，18-光阑调节环压圈，19-动钉，20-变倍电机组件，21-反射镜组件，22-摄像机组件，23-变倍微动开关；A-前固定组，A-1-负月牙透镜，A-2-双凸透镜，A-3-正月牙透镜，A-4-正月牙透镜，B-变倍组，B-1-负月牙透镜，B-2-双凹透镜，B-3-双凸透镜，C-补偿组，C-1-双凹透镜，C-2-正月牙透镜，D-光阑组件，E-后固定组，E-1-双凸透镜，E-2-双凸透镜，E-3-双凸透镜，E-4-双凹透镜，E-5-正月牙透镜，E-6-负月牙透镜，E-7-双凸透镜，L-光轴。
具体实施方式
如图1所示，一种高分辨率长焦距自动对焦、自动调光机载变焦距摄像镜头，所述镜头的光学系统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组A、光焦度为负的变倍组B、光焦度为负的补偿组C、光阑组件D以及光焦度为正的后固定组E，所述前固定组A依次设有负月牙透镜A-1、双凸透镜A-2、正月牙透镜A-3以及正月牙透镜A-4，所述变倍组B依次设有负月牙透镜B-1以及由双凹透镜B-2和双凸透镜B-3密接的第一胶合组，所述补偿组C设有由双凹透镜C-1和正月牙透镜C-2密接的第二胶合组，所述后固定组E前部依次设有双凸透镜E-1和双凸透镜E-2，中部依次设有由双凸透镜E-3和双凹透镜E-4密接的第三胶合组以及正月牙透镜E-5，后部依次设有负月牙透镜E-6和双凸透镜E-7。
在本实施例中，所述前固定组A和变倍组B之间的空气间隔是2.5～99.98mm，所述变倍组B和补偿组C之间的空气间隔是92.77～6.44mm，所述补偿组C和后固定组E之间的空气间隔是4.73～15.87mm。
在本实施例中，所述前固定组A中的负月牙透镜A-1和双凸透镜A-2之间的空气间隔是1.1mm，所述双凸透镜A-2和正月牙透镜A-3之间的空气间隔是1.5mm，所述正月牙透镜A-3和正月牙透镜A-4之间的空气间隔是0.2mm。
在本实施例中，所述变倍组B中的负月牙透镜B-1和第一胶合组之间的空气间隔是18.2mm。
在本实施例中，所述后固定组E中的双凸透镜E-1和双凸透镜E-2之间的空气间隔是0.1mm，所述双凸透镜E-2和第三胶合组之间的空气间隔是13.2mm，所述第三胶合组和正月牙透镜E-5之间的空气间隔是0.9mm，所述正月牙透镜E-5和负月牙透镜E-6之间的空气间隔是38.9mm，所述负月牙透镜E-6和双凸透镜E-7之间的空气间隔是1.2mm。
在本实施例中，该镜头达到的技术指标如下：（1）焦距：50mm～500mm；（2）视场角：2ω=18.2°～1.8°；（3）相对孔径：1∶5.6；（4）调焦范围：200m～∞；（5）适用谱线：400～700 nm；（6）靶面：Φ19.3mm；（7）全程光轴一致性：≤1′；（8）分辨率：特征频率63线对：长焦0视场 MTF≥0.6，0.7视场 MTF≥0.3；短焦0视场 MTF≥0.6，0.7视场 MTF≥0.3；（9）振动频率为300～1300Hg时，最大功率谱密度0.04g2/Hg；（10）冲击载荷15g，脉冲宽度11ms；（11）外形尺寸：长299mm，宽134mm，高193mm；（12）重量：≤3.5公斤。
如图2~4所示，为了使镜头设计紧凑，减小镜头的外形尺寸，实现小形化的目，本发明在后截距的位置安装上下两块45°的反射镜，使光线发生180°的偏折，使镜头的靶面位置折回到镜头的下方，增加了光学后截距的距离，本发明将光学后截距设计为144.6mm；摄像机安装在镜头下方，接收镜头靶面上的图像，其外形尺寸为长199mm，宽134mm，高143mm。该镜头的前固定组A直径为Φ114mm。
在本实施例中，为了承受机载时大的振动和冲击，本发明在镜头前端（主镜筒前端）设计一方形法兰，在镜头后端（光阑前端）设计另一方形法兰，两法兰底部各用两个M5螺钉与底板相连，形成稳定的桥式结构，另外尽量减小两法兰的高度尺寸以尽可能降低系统的重心。在光阑组件尾部设计一连接法兰与反射镜组件法兰用三个M3螺钉相连接，底板尾部设计一法兰与摄像机组件连接法兰用四个M4螺钉连接（如图2所示）。这种设计使镜头结构紧凑，较大幅度地提高系统的固有频率，避免在机载振动时产生共振，提高系统的抗振性能。本发明实施例的底板采用Ly12-cz硬铝合金，厚度为14.5mm，中心高为72mm，进行振动、冲击实验，实验过程没有产生共振现象，系统光轴漂移为小于1′，系统符合技术协议要求。
如图5所示，该镜头的自动对焦机构包括安装于主镜筒8前端的调焦座4、调焦环5、调焦步进电机组件6以及调焦电位器组件7，所述调焦步进电机组件6的的齿轮与电机转子固连在一起，所述调焦步进电机组件6的齿轮通过啮合带动调焦环5，所述调焦环5和主镜筒8之间采用螺距为4mm、四头牙的梯形螺纹连接；所述调焦环5和调焦座4之间采用0.75mm的左旋螺纹连接，所述调焦座4上安装有三个均布的调焦导钉3；所述前组镜筒2安装在调焦座4内并用锁紧圈1锁紧，使前组镜筒2与调焦座4固连在一起，与调焦座4一起运动。
当调焦步进电机通电时，转子作正反向运动，所述调焦步进电机组件6上的齿轮通过啮合带动调焦环5作正反向运动，所述调焦环5通过与主镜筒8相连接的梯形螺纹及与调焦座4相连接的左旋螺纹带动调焦座4，并在三个均布的调焦导钉3作用下，所述调焦座4作正反向直线运动，从而带动前固定组A作正反向直线运动。所述调焦步进电机组件6的齿轮同时与调焦电位器组件7的齿轮啮合，带动调焦电位器运动，使调焦电位器的输出阻值发生变化，通过适当的采样电路，在输出端得到不同的电压数，向系统反馈调焦组现在所处的位置信息。
当目标发生变化时，摄像机接收到虚焦的图像。系统通过对此图像分析，给调焦步进电机发出运动指令，带动前固定组A作直线运动。摄像系统接收前固定组A运动后第二幅图像，调焦电位器输出此时调焦步进电机组件6的位置信息，系统对第二幅图像进行分析，并与第一幅图像比较。若图像变得比第一幅清晰些，则向相同的方向继续前进，直到图像最清晰为止（后一幅图像比前一幅虚焦），反之调焦步进电机向相反方向前进直到调到最清晰为止，这样实现自动对焦过程。
如图6~7所示，该镜头的自动调光机构包括光阑座13、光阑片组件10、光阑动环9、光阑电机组件16以及光阑电位器组件17，所述光阑片组件10的八个定钉11分别安装在光阑座13的定钉孔中，所述光阑片组件10的八个光阑片相互重叠，所述光阑片组件10的八个动钉19分别安装在光阑动环9的直槽中，所述光阑动环9安装在光阑座13中，并用光阑动环压圈12固定。所述光阑座13中铣有一个76°的拨钉槽，所述拨钉槽中安装有光阑拨钉14，所述光阑拨钉14一端用螺纹固定在光阑动环9上，另一端卡在光阑调节环15的拨钉直槽中，所述光阑调节环15安装在光阑座13上，并用光阑调节环压圈18锁紧固定。左右旋转光阑调节环15，使光阑调节环15、光阑动环9、光阑片组件10运动，其机构运动顺畅无串动。所述光阑电机组件16的齿轮与光阑调节电机的转子固连在一起，所述光阑电机组件16安装在光阑调节环15上，其齿轮与光阑调节环15的齿轮啮合。
当光阑调节电机左右旋转运动时，带动光阑调节环15左右运动。所述光阑调节环15带动光阑拨钉14在光阑座13的拨钉槽中运动，所述光阑拨钉14带动光阑动环9作左右旋转运动，所述光阑动环9左右旋转运动带动八个动钉19在光阑动环9的直槽中同时作直线运动，并同时随光阑动环9作旋转运动，这样就带动光阑片组件10分别以定钉11为圆心做圆弧运动。八片光阑片组件10同时以各自定钉11为圆心作圆弧运动，产生光阑片组件10以光阑中心（对称轴）为圆心的开合运动，以控制镜头入射光能量的大小。所述光阑电机组件16的齿轮同时与光阑电位器组件17的齿轮啮合，由光阑调节电机同时带动光阑电位器轴作旋转运动，从而使光阑电位器输出端阻值发生变化，采用适当的采样电路，在输出端得到不同的电压数值，作为光阑孔径大小的位置信息反馈给系统。
当目标照度（辐射能量）发生变化时，摄像系统按收到PAL制式的电视图像信号亮度发生变化。系统根据其变化值，向光阑调节电机发出光阑开合指令，光阑调节电机带动光阑片组件10开合，使镜头靶面上图像的照度发生变化，系统按收到PAL制式的电视图像信号亮度发生变化，产生变化值反馈到系统中，再调节光阑片组件10开合，这样系统形成亮度的闭环控制。最后获得最佳亮度的图像信号，从而实现光圈的自动调光。
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 (7)
1.一种高分辨率长焦距自动对焦、自动调光机载变焦距摄像镜头，其特征在于：所述镜头的光学系统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组A、光焦度为负的变倍组B、光焦度为负的补偿组C、光阑组件D以及光焦度为正的后固定组E，所述前固定组A依次设有负月牙透镜A-1、双凸透镜A-2、正月牙透镜A-3以及正月牙透镜A-4，所述变倍组B依次设有负月牙透镜B-1以及由双凹透镜B-2和双凸透镜B-3密接的第一胶合组，所述补偿组C设有由双凹透镜C-1和正月牙透镜C-2密接的第二胶合组，所述后固定组E前部依次设有双凸透镜E-1和双凸透镜E-2，中部依次设有由双凸透镜E-3和双凹透镜E-4密接的第三胶合组以及正月牙透镜E-5，后部依次设有负月牙透镜E-6和双凸透镜E-7。
2.根据权利要求1所述的高分辨率长焦距自动对焦、自动调光机载变焦距摄像镜头，其特征在于：所述前固定组A和变倍组B之间的空气间隔是2.5～99.98mm，所述变倍组B和补偿组C之间的空气间隔是92.77～6.44mm，所述补偿组C和后固定组E之间的空气间隔是4.73～15.87mm。
3.根据权利要求1或2所述的高分辨率长焦距自动对焦、自动调光机载变焦距摄像镜头，其特征在于：所述前固定组A中的负月牙透镜A-1和双凸透镜A-2之间的空气间隔是1.1mm，所述双凸透镜A-2和正月牙透镜A-3之间的空气间隔是1.5mm，所述正月牙透镜A-3和正月牙透镜A-4之间的空气间隔是0.2mm。
4.根据权利要求1或2所述的高分辨率长焦距自动对焦、自动调光机载变焦距摄像镜头，其特征在于：所述变倍组B中的负月牙透镜B-1和第一胶合组之间的空气间隔是18.2mm。
5.根据权利要求1所述的高分辨率长焦距自动对焦、自动调光机载变焦距摄像镜头，其特征在于：所述后固定组E中的双凸透镜E-1和双凸透镜E-2之间的空气间隔是0.1mm，所述双凸透镜E-2和第三胶合组之间的空气间隔是13.2mm，所述第三胶合组和正月牙透镜E-5之间的空气间隔是0.9mm，所述正月牙透镜E-5和负月牙透镜E-6之间的空气间隔是38.9mm，所述负月牙透镜E-6和双凸透镜E-7之间的空气间隔是1.2mm。
6.根据权利要求1所述的高分辨率长焦距自动对焦、自动调光机载变焦距摄像镜头，其特征在于：所述镜头的自动对焦机构包括安装于主镜筒前端的调焦座、调焦环、调焦步进电机组件以及调焦电位器组件，所述调焦步进电机组件的的齿轮与电机转子固连在一起，所述调焦步进电机组件的齿轮分别通过啮合带动调焦电位器组件和调焦环，所述调焦环和主镜筒之间采用梯形螺纹连接，所述调焦环和调焦座之间采用左旋螺纹连接，所述调焦座上安装有若干个均布的调焦导钉，所述调焦座内安装有由锁紧圈锁紧的前组镜筒。
7.根据权利要求1所述的高分辨率长焦距自动对焦、自动调光机载变焦距摄像镜头，其特征在于：所述镜头的自动调光机构包括光阑座、光阑片组件、光阑动环、光阑电机组件以及光阑电位器组件，所述光阑片组件的若干个定钉分别安装在光阑座的定钉孔中，所述光阑片组件的若干个光阑片相互重叠，所述光阑片组件的若干个动钉分别安装在光阑动环的直槽中，所述光阑动环安装在光阑座中并用光阑动环压圈固定；所述光阑座中铣有一个拨钉槽，所述拨钉槽中安装有光阑拨钉，所述光阑拨钉一端用螺纹固定在光阑动环上，另一端卡在光阑调节环的拨钉直槽中，所述光阑调节环安装在光阑座上并用光阑调节环压圈锁紧固定；所述光阑电机组件的齿轮与电机转子固连在一起，所述光阑电机组件的齿轮分别与光阑调节环的齿轮和光阑电位器的齿轮啮合。
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