CN103744168A - 高分辨率、大变倍比机载变焦距镜头 - Google Patents

高分辨率、大变倍比机载变焦距镜头 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高分辨率、大变倍比机载变焦距镜头，其光学系统中沿光线入射方向分别设有光焦度为正的前固定组、光焦度为负的变倍组、光焦度为负的补偿组、可变光栏组件、光焦度为正的后固定组以及滤色片切换器件；所述前固定组依次设有正月牙透镜、正月牙透镜、负月牙透镜以及正月牙透镜，所述变倍组依次设有双凹透镜以及由双凹透镜和正月牙透镜密接的胶合组，所述补偿组设有由双凹透镜和正月牙透镜密接的胶合组；所述后固定组的前部依次设有双凸透镜、负月牙透镜、由双凸透镜和双凹透镜密接的胶合组以及正月牙透镜，后部依次设有正月牙透镜和负月牙透镜。本发明具有连续电动变焦、电动调焦、电动调光、滤色片切换、焦距实时反馈等功能。

Description

高分辨率、大变倍比机载变焦距镜头
技术领域
本发明涉及视频技术的光学摄像装置，特别是一种高分辨率、大变倍比机载变焦距镜头。
背景技术
目前，机载探测系统不仅要求体积小、质量轻、探测范围大，而且要求分辨率高，并能在雨、雪、雾、尘等恶劣天候条件下连续观察，对目标既能作大区域小倍率的全景搜索，又能作小区域大倍率的放大观察。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，但是普遍存在着体积较大、变倍比小、分辨率较低、与高精度摄像机不匹配、不具备在恶劣天候环境使用等缺点。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高分辨率、大变倍比连续变焦距镜头；该镜头克服了现有变焦距镜头受限于重量体积较大、变倍比较低、清晰度较差、不能与高精度摄像机匹配、不具备在恶劣天候环境使用等缺陷。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种高分辨率、大变倍比机载变焦距镜头，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、可变光栏组件D、光焦度为正的后固定组E以及滤色片切换器件F；所述前固定组A依次设有正月牙透镜A-1、正月牙透镜A-2、负月牙透镜A-3以及正月牙透镜A-4，所述变倍组B依次设有双凹透镜B-1以及由双凹透镜B-2和正月牙透镜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的前部依次设有双凸透镜E-1、负月牙透镜E-2、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，后部依次设有正月牙透镜E-6和负月牙透镜E-7。
进一步的，所述前固定组A与变倍组B之间的空气间隔是1.6～95.0mm，所述变倍组B与补偿组C之间的空气间隔是5.3～50.1mm，所述补偿组C与后固定组E之间的空气间隔是3.5～33.0mm。
进一步的，所述前固定组A中的正月牙透镜A-1与正月牙透镜A-2之间的空气间隔是0.2mm，所述正月牙透镜A-2与负月牙透镜A-3之间的空气间隔是0.2mm，所述负月牙透镜A-3与正月牙透镜A-4之间的空气间隔是1.1mm。
进一步的，所述变倍组B中的双凹透镜B-1与第一胶合组之间的空气间隔是1.9mm。
进一步的，所述后固定组E中的双凸透镜E-1与负月牙透镜E-2之间的空气间隔是0.2mm，所述负月牙透镜E-2与第三胶合组之间的空气间隔是0.2mm，所述第三胶合组与正月牙透镜E-5之间的空气间隔是0.2mm，所述正月牙透镜E-5与正月牙透镜E-6之间的空气间隔是10.5mm，所述正月牙透镜E-6与负月牙透镜E-7之间的空气间隔是3.4mm。
进一步的，所述镜头的调焦机构包括安装在主镜筒上的调焦电机组件和安装有前固定组A的前组镜筒，所述前组镜筒安装在主镜筒内，所述调焦电机组件的齿轮与电机转子固定连接，所述调焦电机组件的齿轮与调焦环的外齿圈相啮合，所述调焦环的内螺纹分别与前组镜筒的外螺纹、主镜筒的外螺纹相连接，所述前组镜座上均匀设置有三个分别与主镜筒上的导槽相配合以引导其相对主镜筒作旋转直线运动的调焦导钉。
进一步的，所述镜头的变焦机构包括变倍电机组件、安装有变倍组B的变倍座以及安装有补偿组C的补偿座，所述变倍座和补偿座分别安装在主镜筒内的两导杆的前后端上，所述变倍电机组件的齿轮经过轮分别与精密电位器的齿轮和凸轮的齿轮相啮合，所述凸轮的前后端分别经前精密钢球和后精密钢球安装在主镜筒上并由锁紧螺母压紧，所述凸轮上开设有变倍曲线槽和补偿曲线槽，所述变倍座上设置有与变倍曲线槽相配合的变倍导钉，所述补偿座上设置有与补偿曲线槽相配合的补偿导钉。
进一步的，所述滤色片切换器件F包括滤光盘立柱、绕滤光盘立柱平稳旋转的滤光盘以及按顺序安装在滤光盘上的三个滤光片，所述滤光盘安装在滤光盘套筒内，所述滤光盘套筒上装配有滤光片电机组件、磁钢以及与三个滤光片相应的三个霍尔元件组件，所述滤光片电机组件的齿轮与滤光盘的齿轮相啮合。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：在同等尺寸和重量条件下，该高分辨率、大变倍比机载变焦距镜头比普通光学镜头具有更大的变倍比、更高的分辨率、更宽的气候适应范围，具有连续电动变焦、电动调焦、电动调光、滤色片切换、焦距实时反馈等功能，具备在雨、雪、雾、尘等恶劣天候条件对远距离目标的探测能力，适用于复杂的机载环境条件。
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图。
图2为本发明实施例的外形接口图。
图3为本发明实施例调焦机构的原理图。
图4为本发明实施例变焦机构的原理图。
图5为本发明实施例滤色片切换器件的原理图。
图6为图5中A-A处的剖视示意图。
图中：A-前固定组，B-变倍组，C-补偿组，D-可变光栏组件，E-后固定组，F-滤色片切换器件，A-1、A-2、A-4、B-3、C-2、E-5、E-6-正月牙透镜，A-3、E-2、E-7-负月牙透镜，B-1、B-2、C-1、E-4-双凹透镜，E-1、E-3-双凸透镜；1-主镜筒，2-变倍座，3-凸轮盖板，4-内六角螺钉，5-精密钢球，6-变倍导钉，7-变倍导套，8-导杆，9-变倍电机组件，10-凸轮，11-补偿导套，12-补偿座，13-补偿导钉，14-锁紧螺母，15-调焦环，16-前组镜筒，17-调焦导钉，18-调焦电机组件，19-滤光盘立柱，20-滤光盘，21-滤光盘套筒，22-滤光片电机组件，23-磁钢，24-滤光片A，25-滤光片B，26-滤光片C，27-滤光片压圈，28-滤光盘压圈，29-霍尔元件组件A，30-霍尔元件组件B，31-霍尔元件组件C，32-连接套筒，33-光栏调节齿轮，34-光栏电机组件，35-摄像机组件。
具体实施方式
如图1所示，一种高分辨率、大变倍比机载变焦距镜头，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、可变光栏组件D、光焦度为正的后固定组E以及滤色片切换器件F；所述前固定组A依次设有正月牙透镜A-1、正月牙透镜A-2、负月牙透镜A-3以及正月牙透镜A-4，所述变倍组B依次设有双凹透镜B-1以及由双凹透镜B-2和正月牙透镜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的前部依次设有双凸透镜E-1、负月牙透镜E-2、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，后部依次设有正月牙透镜E-6和负月牙透镜E-7。
在本实施例中，所述前固定组A与变倍组B之间的空气间隔是1.6～95.0mm，所述变倍组B与补偿组C之间的空气间隔是5.3～50.1mm，所述补偿组C与后固定组E之间的空气间隔是3.5～33.0mm。
在本实施例中，所述前固定组A中的正月牙透镜A-1与正月牙透镜A-2之间的空气间隔是0.2mm，所述正月牙透镜A-2与负月牙透镜A-3之间的空气间隔是0.2mm，所述负月牙透镜A-3与正月牙透镜A-4之间的空气间隔是1.1mm。
在本实施例中，所述变倍组B中的双凹透镜B-1与第一胶合组之间的空气间隔是1.9mm。
在本实施例中，所述后固定组E中的双凸透镜E-1与负月牙透镜E-2之间的空气间隔是0.2mm，所述负月牙透镜E-2与第三胶合组之间的空气间隔是0.2mm，所述第三胶合组与正月牙透镜E-5之间的空气间隔是0.2mm，所述正月牙透镜E-5与正月牙透镜E-6之间的空气间隔是10.5mm，所述正月牙透镜E-6与负月牙透镜E-7之间的空气间隔是3.4mm。
在本实施例中，该高分辨率、大变倍比机载变焦距镜头达到了以下技术指标：（1）焦距：f′=10.5mm～300mm；（2）视场角范围：31.9°～1.14°；（3）相对孔径：D/f′优于1/4.2；（4）镜头分辨率：适配于1/3″百万像素CCD摄像机或CMOS摄像机；（5）全程变焦时间小于6~12秒；（6）工作温度：-55℃～+65℃，稳定时间2h，能够正常工作；（7）储存温度：-60℃，24 h 、+70℃，48 h；（8）外形尺寸小于92mm×92mm×200mm（不含CCD机芯）；（9）总重量小于2Kg；（10）振动功率谱：15～200Hz   0.04g2/Hz，200～300  -4dB/倍频，300～1000  0.0125g2/Hz，1000～2000  -6dB/倍频，功能试验时间为X、Y、Z每个轴向1h；（11）冲击环境试验条件：半正弦波，峰值加速度15g，持续时间11ms，速度变化量1.05m/s；（12）相邻滤光片转换时间小于2秒。
如图2所示，该镜头总长为233mm(含CCD摄像机)，宽88.6mm，高88.6mm。为了保证镜头振动冲击要求，本发明采用如图2所示的套筒联接结构。连接套筒32后端与光栏座采用法兰主振连接，连接套筒32前端为安装接口，采用法兰连接，位于镜头轴向重心处，以增加镜头的谐振频率，避免低频处产生共振，从而提高了镜头的抗振性能。本发明实施例采用的连接套筒32材料为：LY12-cz硬铝，最薄壁厚为4.7mm。此样机装调后，进行振动、冲击实验。实验结果：在振动频率段没有产生共振现象，符合技术条件要求。
如图3所示，所述镜头的调焦机构包括安装在主镜筒1上的调焦电机组件18和安装有前固定组A的前组镜筒16，所述前组镜筒16安装在主镜筒1内，所述调焦电机组件18的齿轮与电机转子固定连接，所述调焦电机组件18的齿轮与调焦环15的外齿圈相啮合，所述调焦环15的内螺纹分别与前组镜筒16的外螺纹、主镜筒1的外螺纹相连接，所述调焦环15与主镜筒1之间采用梯形螺纹联接，所述调焦环15与前组镜筒16之间采用左旋螺纹联接，所述前组镜座上均匀设置有三个分别与主镜筒1上的导槽相配合以引导其相对主镜筒1作旋转直线运动的调焦导钉17。
当调焦电机组件18的电机通电时，转子做正反向运动，调焦电机组件18上的齿轮通过啮合带动调焦环15作正反转运动，调焦环15通过与主镜筒1相连接的右旋螺纹及前组镜筒16相连接的左旋螺纹带动前组镜筒16，并在三个均布调焦导钉17的作用下作正反向的直线运动，从而带动镜头的前固定组作正反向的直线运动，实现系统调焦的目的。所述前组镜筒16与主镜筒1配合处车一沉槽，以减少配合面，减小摩擦，降低调焦电机所需的力矩，同时不影响调焦精度。
在本实施例中，该调焦电机组件18的齿轮啮合圆为Φ14，电机减速箱输出转速为30转/分，调焦环15的啮合圆为Φ85mm，调焦环15与主镜筒1的连接螺距为3mm，与前组镜筒16的连接螺距为0.75（左旋），因此调焦环15与前组镜筒16之间的导程为3.75mm。根据光学要求，调焦导程应大于1mm。即调焦环15应旋转96°以上。因此本实施例的调焦组件全程调焦时间t为：t=（1/电机齿轮转速）×（调焦环15啮合圆直径/电机齿轮直径）×（调焦环15旋转角/360°）=3.24秒，满足技术条件≦5s的要求。
如图4所示，所述镜头的变焦机构包括变倍电机组件9、安装有变倍组B的变倍座2以及安装有补偿组C的补偿座12，所述变倍座2和补偿座12分别安装在主镜筒1内的两个导杆8的前后端上，所述两个导杆8分别对称地用凸轮盖板3固定在主镜筒1上，所述变倍座2、补偿座12通过紧配合分别压在变倍导套7、补偿导套11上，并安装在两导杆8上。所述变倍电机组件9的齿轮经过轮分别与精密电位器的齿轮和凸轮10的齿轮相啮合。凸轮10前后两端滚道做成锥端轴承形式，分别用前后精密钢球5支撑，把凸轮10旋转时的滑动摩擦转变为滚动摩擦，以减少凸轮10运动时的摩擦力，减小变倍电机所需的力矩。所述凸轮10圆周上按光学变焦运动方程的要求铣上变倍曲线槽和补偿曲线槽，两条凸轮槽等宽，严格按照光学性能曲线加工，加工后凸轮槽的两端可以作机械限位。所述变倍座2上设置有与变倍曲线槽相配合的变倍导钉6，所述补偿座12上设置有与补偿曲线槽相配合的补偿导钉13，所述变倍导钉6和补偿导钉13把凸轮10与变倍座2、补偿座12连接在一起，使变倍组B移动时，补偿组C做相应移动以做补偿。其中，两个导杆8起到支撑作用，并且将变倍座2、补偿座12的旋转运动转化为直线运动；变倍导套7、补偿导套11是为了增加滑动配合长度，增加变倍座2、补偿座12运动时的平稳性。装配时调整锁紧螺母14，使凸轮10运转自如，且精密钢球5相对凸轮10及轴承环的间隙为零，保证轴向、径向精度，然后用三个锥端紧定螺钉锁定锁紧螺母14。
当变倍电机组件9的转子作正负旋转运动时，变倍电机组件9的齿轮通过过轮与精密电位器的齿轮、凸轮10的齿轮啮合转动使精密电位器与凸轮10同步旋转，通过变倍曲线槽、补偿曲线槽及变倍导钉6、补偿导钉13带动变倍座2、补偿座12分别按变倍曲线槽、补偿曲线槽的方式运动。这样通过电机旋转实现变倍座2、补偿座12按变倍运动方程要求作前后直线运动，从而使系统的焦距产生变化。当系统的焦距发生变化时，精密电位器的齿轮通过过轮啮合，使电位器旋转，则电位器的阻值发生变化，通过适当的取样电路可以取出电位器的变化值，并传给控制中心，从而实现变焦值的显示。
在本实施例中，变焦凸轮10的啮合圆为Φ75mm，变倍电机组件9啮合圆直径为Φ20mm，电机减速箱输出转速30转/分，变焦凸轮10的导程为160°，因此变焦组件的全程变焦时间t为：t=（1/减速箱转速）×（变焦凸轮啮合圆直径/变焦电机齿轮直径）×（凸轮导程/360°）=（60/30）×（75/20）×（160/360）=3.33s，符合技术协议全程≦6s的要求。
如图5~6所示，所述滤色片切换器件F包括滤光盘立柱19、绕滤光盘立柱19平稳旋转的滤光盘20以及按顺序安装在滤光盘20上的三片滤光片，所述滤光盘20安装在滤光盘套筒21内，所述滤光盘套筒21上装配有滤光片电机组件22、磁钢23以及与三片滤光片相应的三个霍尔元件组件，所述滤光片电机组件22的齿轮与滤光盘20的齿轮相啮合。
其中，滤光片A24为彩色0.4um-0.7um滤光片，滤光片B25为黑白0.6um-0.9um滤光片，滤光片C26为透雾0.75um-1.0um滤光片，将这三种滤光片按顺序装在滤光盘20上并用滤光片压圈27压好，将滤光盘20安装在滤光盘立柱19上（配合公差取H8/f7）并用滤光盘压圈28压紧（间隙取+0.04～0.14），确保压紧的滤光盘20能平稳地绕滤光盘立柱19旋转，若转动不平稳，精修滤光盘20与滤光盘立柱19的配合间隙，使之平稳运转。
将装有滤光片的滤光盘20装在滤光盘套筒21上，按图5~6的装配关系装上滤光片电机组件22、霍尔元件组件、磁钢23。调整滤光片电机组件22，使滤光片电机组件22齿轮与滤光盘20齿轮啮合顺畅，电机通过齿轮啮合能平稳带动滤光片顺时针转动。给霍尔元件组件A29加上5V电源，检测霍尔元件输出端对地电压，调整霍尔元件A的位置，使滤光片A24对准光轴时，磁钢23靠近霍尔元件组件A29，霍尔元件输出端从高电平向低电平翻转（即霍尔元件A输出端的输出脉冲在下降沿处），滤光片A24正好在镜头光轴中心。同理调整霍尔元件组件B30、霍尔元件组件C31的位置，使霍尔元件组件B30输出在下降沿时，滤光片B25对准镜头光轴；霍尔元件组件C31输出在下降沿时，滤光片C26对准镜头光轴。把霍尔元件的输出信号反馈到中央计算机，这样中央计算机要用某种滤光片时，即让电机带动转盘旋转，并且在该霍尔元件收到下降沿信号时，切断电机电源，该滤光片就准确地停在镜头的光轴处，使镜头具备在雨、雪、雾、尘等恶劣天候条件对远距离目标的探测能力。
在本实施例中，滤光盘20的啮合圆为Φ38mm，滤光盘电机组件啮合圆直径为Φ12mm，电机减速箱输出转速40转/分，三片滤光片为三等分均布，因此相邻两滤色片转换时间t为：t=（1/减速箱转速）×（滤光盘啮合圆直径/滤光盘电机齿轮直径）×（120°/360°）=（60/40）×（38/12）×（120/360）=1.58s，符合技术协议相邻滤光片转换≦2s的要求。
在本实施例中，所述调焦电机、变倍电机、光栏电机、滤光盘电机都安装有加热片，在低温环境下对电机进行预加热，保证镜头在低温时（工作温度：-55℃~+65℃）能够正常工作，确保运转时间满足技术要求，保证在恶劣天候环境下的使用性能。
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 (8)

1.一种高分辨率、大变倍比机载变焦距镜头，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、可变光栏组件D、光焦度为正的后固定组E以及滤色片切换器件F；所述前固定组A依次设有正月牙透镜A-1、正月牙透镜A-2、负月牙透镜A-3以及正月牙透镜A-4，所述变倍组B依次设有双凹透镜B-1以及由双凹透镜B-2和正月牙透镜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的前部依次设有双凸透镜E-1、负月牙透镜E-2、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，后部依次设有正月牙透镜E-6和负月牙透镜E-7。
2.根据权利要求1所述的高分辨率、大变倍比机载变焦距镜头，其特征在于：所述前固定组A与变倍组B之间的空气间隔是1.6～95.0mm，所述变倍组B与补偿组C之间的空气间隔是5.3～50.1mm，所述补偿组C与后固定组E之间的空气间隔是3.5～33.0mm。
3.根据权利要求1或2所述的高分辨率、大变倍比机载变焦距镜头，其特征在于：所述前固定组A中的正月牙透镜A-1与正月牙透镜A-2之间的空气间隔是0.2mm，所述正月牙透镜A-2与负月牙透镜A-3之间的空气间隔是0.2mm，所述负月牙透镜A-3与正月牙透镜A-4之间的空气间隔是1.1mm。
4.根据权利要求1或2所述的高分辨率、大变倍比机载变焦距镜头，其特征在于：所述变倍组B中的双凹透镜B-1与第一胶合组之间的空气间隔是1.9mm。
5.根据权利要求1或2所述的高分辨率、大变倍比机载变焦距镜头，其特征在于：所述后固定组E中的双凸透镜E-1与负月牙透镜E-2之间的空气间隔是0.2mm，所述负月牙透镜E-2与第三胶合组之间的空气间隔是0.2mm，所述第三胶合组与正月牙透镜E-5之间的空气间隔是0.2mm，所述正月牙透镜E-5与正月牙透镜E-6之间的空气间隔是10.5mm，所述正月牙透镜E-6与负月牙透镜E-7之间的空气间隔是3.4mm。
6.根据权利要求1所述的高分辨率、大变倍比机载变焦距镜头，其特征在于：所述镜头的调焦机构包括安装在主镜筒上的调焦电机组件和安装有前固定组A的前组镜筒，所述前组镜筒安装在主镜筒内，所述调焦电机组件的齿轮与电机转子固定连接，所述调焦电机组件的齿轮与调焦环的外齿圈相啮合，所述调焦环的内螺纹分别与前组镜筒的外螺纹、主镜筒的外螺纹相连接，所述前组镜座上均匀设置有三个分别与主镜筒上的导槽相配合以引导其相对主镜筒作旋转直线运动的调焦导钉。
7.根据权利要求1所述的高分辨率、大变倍比机载变焦距镜头，其特征在于：所述镜头的变焦机构包括变倍电机组件、安装有变倍组B的变倍座以及安装有补偿组C的补偿座，所述变倍座和补偿座分别安装在主镜筒内的两导杆的前后端上，所述变倍电机组件的齿轮经过轮分别与精密电位器的齿轮和凸轮的齿轮相啮合，所述凸轮的前后端分别经前精密钢球和后精密钢球安装在主镜筒上并由锁紧螺母压紧，所述凸轮上开设有变倍曲线槽和补偿曲线槽，所述变倍座上设置有与变倍曲线槽相配合的变倍导钉，所述补偿座上设置有与补偿曲线槽相配合的补偿导钉。
8.根据权利要求1所述的高分辨率、大变倍比机载变焦距镜头，其特征在于：所述滤色片切换器件F包括滤光盘立柱、绕滤光盘立柱平稳旋转的滤光盘以及按顺序安装在滤光盘上的三个滤光片，所述滤光盘安装在滤光盘套筒内，所述滤光盘套筒上装配有滤光片电机组件、磁钢以及与三个滤光片相应的三个霍尔元件组件，所述滤光片电机组件的齿轮与滤光盘的齿轮相啮合。
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