CN104977703A - 超低照度微光变焦镜头及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超低照度微光变焦镜头及其控制方法，镜头的光学系统沿光线入射方向依次设有光焦度为正的前固定组A、光焦度为负的变倍组B、自动光圈、光焦度为正的后固定组C、光焦度为正的补偿组D、滤色片转换组件E；镜头的机械结构包括设置在主镜筒上沿光线入射方向依次设置的前组调焦组件、变倍补偿变焦组件，本发明具有电动变焦、电动调焦、自动光圈、滤色片转换功能，具有从420nm到950nm的宽光谱范围高解像力和1∶1的大相对孔径，不仅能在雨、雪、薄雾等特殊天候条件下为摄像机提供光电信号，而且在超低照度的微光环境下，依然可以产生高解像力的视频图像，有效地提高了监测能力。
Description
技术领域
本发明涉及光电视频技术的光学摄像装置，特别是一种超低照度微光变焦镜头及其控制方法。
背景技术
现有的常规监测的摄像镜头通光口径较小，响应光谱较窄，在雨、雪、薄雾等特殊天候条件下，入射光线透过能力下降，特别是在低照度微光环境下，微弱的光线通过镜头到达探测器的能量不足，缩短了监测距离，导致视频图像暗淡、对比度、清晰度下降，图像画面模糊不清，严重影响系统的监测能力。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种在420nm～950nm光谱范围内具有高解像力，相对孔径1∶1的超低照度微光变焦镜头，不仅能在雨、雪、薄雾等特殊天候条件下为摄像机提供光电信号，而且在超低照度的微光环境下，依然可以产生高解像力的视频图像，有效地提高了监测能力的超低照度微光变焦镜头及其控制方法。
本发明的技术方案是一种超低照度微光变焦镜头，所述镜头的光学系统沿光线入射方向依次设有光焦度为正的前固定组A、光焦度为负的变倍组B、自动光圈、光焦度为正的后固定组C、光焦度为正的补偿组D、滤色片转换组件E；所述镜头的机械结构包括设置在主镜筒上沿光线入射方向依次设置的前组调焦组件、变倍补偿变焦组件。
进一步的，所述前固定组A依次设有由负月牙透镜A-1与双凸透镜A-2密接的第一胶合组和正月牙透镜A-3，所述变倍组B依次设有双凹透镜B-1、由双凹透镜B-2与双凸透镜B-3密接的第二胶合组，所述后固定组C依次设有双凸透镜C-1、负月牙透镜C-2，所述补偿组D依此设有双凸透镜D-1、由负月牙透镜D-2与双凸透镜D-3密接的第三胶合组和正月牙透镜D-4。
进一步的，所述前固定组A和变倍组B之间的空气间隔是6.0～31.5mm；所述变倍组B和后固定组C之间的空气间隔是28.8～3.3mm；所述后固定组C和补偿组D之间的空气间隔是7.6～8.5mm。
进一步的，所述前固定组A中，第一胶合组和正月牙透镜A-3的空气间隔是0.1mm，所述变倍组B中，双凹透镜B-1和第二胶合组的空气间隔是4.8mm，所述后固定组C中，双凸透镜C-1和负月牙透镜C-2的空气间隔是6.1mm，所述补偿组D中，双凸透镜D-1和第三胶合组的空气间隔是0.1mm，第三胶合组和正月牙透镜D-4的空气间隔是0.1mm。
进一步的，所述前组调焦组件包括设置在主镜筒内的安装有前固定组A的前组组件，所述前组组件与主镜筒之间设置有调焦筒，所述主镜筒外套设有调焦环，主镜筒外设置有通过齿轮与调焦环啮合传动的调焦电机组件，所述调焦环与主镜筒之间设有钢球，并依靠调焦环前侧的调焦环压圈进行固定，所述调焦环中间有二个均布的凸轮槽，所述主镜筒上设置有二个均布的直槽，所述凸轮槽通过调焦导钉经直槽与调焦筒连接，所述前组组件通过螺纹与调焦筒相连接。
进一步的，所述变倍补偿变焦组件包括主镜筒内的安装有变倍组B的变倍组件、安装有后固定组C的固定组件和安装有补偿组D的补偿组件，所述固定组件通过紧定螺钉使固定组件后端面紧靠在主镜筒内壁上，并用若干个沉头螺钉使固定组件与主镜筒固联在一起，所述固定组件下侧连接有光驱组件，所述变倍组件与主镜筒之间设置有变倍座，所述补偿组件与主镜筒之间设置有补偿座，所述变倍组件通过螺纹与变倍座相连接，所述补偿组件通过螺纹与补偿座相连接，所述主镜筒外套设有变倍凸轮，主镜筒外设置有通过齿轮与变倍凸轮啮合传动的变焦电机组件，所述变倍凸轮设置有三个均布的变倍曲线槽和补偿曲线槽，所述主镜筒上设置有二组三个均布的变倍直槽和补偿直槽，所述变倍曲线槽通过变倍导钉经变倍直槽与变倍座相连接，所述补偿曲线槽通过补偿导钉经补偿直槽与补偿座相连接。
进一步的，所述滤色片转换组件E设置在主镜筒末端，所述滤色片转换组件E包括滤光片套筒，所述滤光片套筒内设置有安装有若干滤光片的转盘，所述滤光片通过压片固定在转盘上，所述转盘套设在立柱上并可相对立柱转动，所述滤光片套筒上设置有与转盘通过齿轮啮合传动的换片电机组件，所述滤光片套筒上设置有若干与滤光片相配合的霍尔元件组件，所述转盘上设置有与霍尔元件组件相配合的磁钢。
进一步的，所述转盘上设置有滤光片A、滤光片B和滤光片C，滤光片A为彩色0.4um-0.7um滤光片，滤光片B为黑白0.6um-0.9um滤光片，滤光片C为透雾0.75um-1.0um滤光片，所述转盘上设置有分别与滤光片A、滤光片B和滤光片C对应的霍尔元件组件A、霍尔元件组件B和霍尔元件组件C。
一种超低照度微光变焦镜头的控制方法：当调焦电机组件通电时，调焦电机组件上的齿轮通过啮合带动调焦环作正反转运动，调焦环通过二个均布的调焦导钉经主镜筒上的直槽改变运动方向,并在二个均布导钉的作用下带动调焦筒作正反向的直线运动，从而带动镜头的前组组件作正反向的直线运动，实现系统调焦的目的；当变焦电机组件通电时，变焦电机组件上的齿轮通过啮合带动变倍凸轮齿轮啮合转动，变倍使凸轮同步旋转，通过变倍曲线槽、补偿曲线槽及变倍导钉、补偿导钉，主镜筒上二组三个均布的变倍直槽、补偿直槽直槽使变倍座、补偿座从旋转运动改变为直线运动，实现变倍座、补偿座按变倍运动方程要求作前后直线运动，，实现系统调焦的目的；当换片电机组件通电时，换片电机组件上的齿轮通过啮合带动转盘转动，从而实新滤光片的转换。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：具有电动连续变焦、电动调焦、自动光圈、滤色片转换功能，具有从420nm到950nm的宽光谱范围高解像力和1∶1的大相对孔径，不仅能在雨、雪、薄雾等特殊天候条件下为摄像机提供光电信号，而且在超低照度的微光环境下，依然可以产生高解像力的视频图像，有效地提高了监测能力。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的阐述。
附图说明
图1为本发明实施例的光学系统图；
图2为本发明实施例的机械结构图；
图3为本发明前组调焦组件的结构示意图；
图4为本发明变倍补偿变焦组件的结构示意图；
图5为本发明滤色片转换组件E的结构示意图；
图6为图5的A-A剖视图。
图中：
A-1-负月牙透镜A-1；A-2-双凸透镜A-2；A-3-正月牙透镜A-3；B-1-双凹透镜B-1、B-2-双凹透镜B-2；B-3-双凸透镜B-3；C-1-双凸透镜C-1；C-2-负月牙透镜C-2；D-1-双凸透镜D-1、D-2-负月牙透镜D-2；D-3-双凸透镜D-3；D-4-正月牙透镜D-4；E-滤色片转换组件E，E1-滤光片套筒;E2-转盘;E3-立柱;E4-换片电机组件;E5-滤光片压圈;E6-立柱压圈;E7-滤光片A;E8-滤光片B;E9-滤光片C;E10-霍尔元件组件A;E11-霍尔元件组件B;E12-霍尔元件组件C;E13磁钢-;F-自动光圈；H-像面；1-前组组件；2-紧定螺钉；3-调焦环压圈；4-调焦筒；5-调焦电机组件；6-主镜筒；7-调焦环；8-调焦导钉；9-钢球；10变倍组组件；11-光轴；12-变倍座； 13-变倍导钉；14-变焦电机组件；15-变倍凸轮；16-螺钉；17-光驱组件；18-固定组组件；19紧定螺钉；20-沉头螺钉；21-补偿座；22-补偿导钉；23-补偿组件；24-变倍凸轮锁紧圈 ；25-紧定螺钉。
具体实施方式
如图1~6所示，一种超低照度微光变焦镜头，所述镜头的光学系统沿光线入射方向依次设有光焦度为正的前固定组A、光焦度为负的变倍组B、自动光圈F、光焦度为正的后固定组C、光焦度为正的补偿组D、滤色片转换组件E；所述镜头的机械结构包括设置在主镜筒上沿光线入射方向依次设置的前组调焦组件、变倍补偿变焦组件。
在本实施例中，所述前固定组A依次设有由负月牙透镜A-1与双凸透镜A-2密接的第一胶合组和正月牙透镜A-3，所述变倍组B依次设有双凹透镜B-1、由双凹透镜B-2与双凸透镜B-3密接的第二胶合组，所述后固定组C依次设有双凸透镜C-1、负月牙透镜C-2，所述补偿组D依此设有双凸透镜D-1、由负月牙透镜D-2与双凸透镜D-3密接的第三胶合组和正月牙透镜D-4。
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6.0～31.5mm；所述变倍组B和后固定组C之间的空气间隔是28.8～3.3mm；所述后固定组C和补偿组D之间的空气间隔是7.6～8.5mm。
在本实施例中，所述前固定组A中，第一胶合组和正月牙透镜A-3的空气间隔是0.1mm，所述变倍组B中，双凹透镜B-1和第二胶合组的空气间隔是4.8mm，所述后固定组C中，双凸透镜C-1和负月牙透镜C-2的空气间隔是6.1mm，所述补偿组D中，双凸透镜D-1和第三胶合组的空气间隔是0.1mm，第三胶合组和正月牙透镜D-4的空气间隔是0.1mm。
在本实施例中，所述前组调焦组件包括设置在主镜筒6内的安装有前固定组A的前组组件1，所述前组组件1与主镜筒6之间设置有调焦筒4，所述主镜筒6外套设有调焦环7，主镜筒6外设置有通过齿轮与调焦环7啮合传动的调焦电机组件5，所述调焦环7与主镜筒6之间设有钢球9，并依靠调焦环7前侧的调焦环压圈3进行固定，所述调焦环7中间有二个均布的凸轮槽，所述主镜筒6上设置有二个均布的直槽，所述凸轮槽通过调焦导钉8经直槽与调焦筒4连接，所述前组组件1通过螺纹与调焦筒4相连接。
在本实施例中，调焦电机组件5齿轮啮合圆为Φ12的齿轮，调焦电机减速箱输出转速为20转/分，调焦环7的啮合圆为Φ70mm。，调焦环凸轮槽旋转廐角为130°导程为2mm。根据光学要求，调焦导程应大于2mm。
在本实施例中，所述变倍补偿变焦组件包括主镜筒6内的安装有变倍组B的变倍组件10、安装有后固定组C的固定组件18和安装有补偿组D的补偿组件23，所述固定组件18通过紧定螺钉19使固定组件18后端面紧靠在主镜筒6内壁上，并用若干个沉头螺钉20使固定组件18与主镜筒6固联在一起，所述固定组件18下侧连接有光驱组件17，所述变倍组件10与主镜筒6之间设置有变倍座12，所述补偿组件23与主镜筒6之间设置有补偿座21，变倍座12、补偿座21通过研磨配合方式分别安装在主镜筒6的内孔的前后端，所述变倍组件10通过螺纹与变倍座12相连接，所述补偿组件23通过螺纹与补偿座21相连接，所述主镜筒6外套设有变倍凸轮15，主镜筒6外设置有通过齿轮与变倍凸轮15啮合传动的变焦电机组件14，所述变倍凸轮15设置有三个均布的变倍曲线槽和补偿曲线槽，所述主镜筒6上设置有二组三个均布的变倍直槽和补偿直槽，所述变倍曲线槽通过变倍导钉13经变倍直槽与变倍座12相连接，所述补偿曲线槽通过补偿导钉22经补偿直槽与补偿座21相连接。
在本实施例中，变倍凸轮前后两端滚道做成锥端轴承形式，用精密钢球支撑，并依靠变倍凸轮后侧的变倍凸轮锁紧圈24进行固定，把变倍凸轮旋转时的滑动摩擦转变为滚动摩擦，以减少凸轮运动时的摩擦力，减小变焦电机组件所需的力矩，装配时调整变倍凸轮锁紧圈，使变倍凸轮运转自如，且钢球相对变倍凸轮及主镜筒的间隙为零，保证轴向、径向精度，然后用三个锥端紧定螺钉25锁紧变倍凸轮锁紧圈。
在本实施例中，变倍凸轮的啮合圆为Φ67mm，变焦电机组件啮合圆直径为Φ12mm，变焦电机减速箱输出转速20转/分，变倍凸轮的导程为120°。
在本实施例中，所述滤色片转换组件E设置在主镜筒末端，所述滤色片转换组件E包括滤光片套筒E1，所述滤光片套筒E1内设置有安装有若干滤光片的转盘E2，所述滤光片通过压片固定在转盘E2上，所述转盘E2套设在立柱E3上并可相对立柱E3转动，所述滤光片套筒E1上设置有与转盘E2通过齿轮啮合传动的换片电机组件E4，所述滤光片套筒E1上设置有若干与滤光片相配合的霍尔元件组件，所述转盘E2上设置有与霍尔元件组件相配合的磁钢E13。
在本实施例中，所述转盘E2上设置有滤光片A E7、滤光片B E8和滤光片C E9，滤光片A为彩色0.4um-0.7um滤光片，滤光片B为黑白0.6um-0.9um滤光片，滤光片C为透雾0.75um-1.0um滤光片，所述转盘E2上设置有分别与滤光片A、滤光片B和滤光片C对应的霍尔元件组件A E10、霍尔元件组件B E11和霍尔元件组件C E12。
在本实施例中，给霍尔元件组件A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A对准光轴时，磁钢靠近霍尔元件组件A，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A正好在镜头光轴中心。同理调整霍尔元件组件B、霍尔元件组件C的位置，使霍尔元件组件B输出在下降沿时，滤光片B对准镜头光轴；霍尔元件组件C输出在下降沿时，滤光片C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，为了实现体积小(137.5mmX90mmX83mm)、重量轻(小于1Kg)及高低温工作、贮存满足GJB4104.4-2000相关要求，本发明采用把二 、四组设计为光焦度为负的变倍组B和光焦度为正的补偿组D；第三组设计为光焦度为正的固定组C，这种二 、四组为变倍、补偿组的设计，可使镜头的体积达到最小，重量最轻。
在本实施例中，超低照度微光变焦镜头达到如下技术指标：视场角2ω： 8.6°～46°； 光圈F：1；工作波段：420nm～950nm；光学长度：ΣL≤130mm；分辨率：≤1′（光谱范围420nm～950nm）；具备电动聚焦，电动变焦，自动光圈,滤色片切换功能；高低温工作及贮存要求满足GJB4104.4-2000相关要求；体积 (137.5mmX90mmX83mm)、重量 (小于1Kg)。
一种超低照度微光变焦镜头的控制方法：当调焦电机组件通电时，调焦电机组件上的齿轮通过啮合带动调焦环作正反转运动，调焦环通过二个均布的调焦导钉经主镜筒上的直槽改变运动方向,并在二个均布导钉的作用下带动调焦筒作正反向的直线运动，从而带动镜头的前组组件作正反向的直线运动，实现系统调焦的目的；当变焦电机组件通电时，变焦电机组件上的齿轮通过啮合带动变倍凸轮齿轮啮合转动，变倍使凸轮同步旋转，通过变倍曲线槽、补偿曲线槽及变倍导钉、补偿导钉，主镜筒上二组三个均布的变倍直槽、补偿直槽直槽使变倍座、补偿座从旋转运动改变为直线运动，实现变倍座、补偿座按变倍运动方程要求作前后直线运动，，实现系统调焦的目的；当换片电机组件通电时，换片电机组件上的齿轮通过啮合带动转盘转动，从而实新滤光片的转换。
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 (9)
1.一种超低照度微光变焦镜头，其特征在于：所述镜头的光学系统沿光线入射方向依次设有光焦度为正的前固定组A、光焦度为负的变倍组B、自动光圈、光焦度为正的后固定组C、光焦度为正的补偿组D、滤色片转换组件E；所述镜头的机械结构包括设置在主镜筒上沿光线入射方向依次设置的前组调焦组件、变倍补偿变焦组件。
2.根据权利要求1所述的超低照度微光变焦镜头，其特征在于：所述前固定组A依次设有由负月牙透镜A-1与双凸透镜A-2密接的第一胶合组和正月牙透镜A-3，所述变倍组B依次设有双凹透镜B-1、由双凹透镜B-2与双凸透镜B-3密接的第二胶合组，所述后固定组C依次设有双凸透镜C-1、负月牙透镜C-2，所述补偿组D依此设有双凸透镜D-1、由负月牙透镜D-2与双凸透镜D-3密接的第三胶合组和正月牙透镜D-4。
3.根据权利要求2所述的超低照度微光变焦镜头，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6.0～31.5mm；所述变倍组B和后固定组C之间的空气间隔是28.8～3.3mm；所述后固定组C和补偿组D之间的空气间隔是7.6～8.5mm。
4.根据权利要求3所述的超低照度微光变焦镜头，其特征在于：所述前固定组A中，第一胶合组和正月牙透镜A-3的空气间隔是0.1mm，所述变倍组B中，双凹透镜B-1和第二胶合组的空气间隔是4.8mm，所述后固定组C中，双凸透镜C-1和负月牙透镜C-2的空气间隔是6.1mm，所述补偿组D中，双凸透镜D-1和第三胶合组的空气间隔是0.1mm，第三胶合组和正月牙透镜D-4的空气间隔是0.1mm。
5.根据权利要求1所述的超低照度微光变焦镜头，其特征在于：所述前组调焦组件包括设置在主镜筒内的安装有前固定组A的前组组件，所述前组组件与主镜筒之间设置有调焦筒，所述主镜筒外套设有调焦环，主镜筒外设置有通过齿轮与调焦环啮合传动的调焦电机组件，所述调焦环与主镜筒之间设有钢球，并依靠调焦环前侧的调焦环压圈进行固定，所述调焦环中间有二个均布的凸轮槽，所述主镜筒上设置有二个均布的直槽，所述凸轮槽通过调焦导钉经直槽与调焦筒连接，所述前组组件通过螺纹与调焦筒相连接。
6.根据权利要求5所述的超低照度微光变焦镜头，其特征在于：所述变倍补偿变焦组件包括主镜筒内的安装有变倍组B的变倍组件、安装有后固定组C的固定组件和安装有补偿组D的补偿组件，所述固定组件通过紧定螺钉使固定组件后端面紧靠在主镜筒内壁上，并用若干个沉头螺钉使固定组件与主镜筒固联在一起，所述固定组件下侧连接有光驱组件，所述变倍组件与主镜筒之间设置有变倍座，所述补偿组件与主镜筒之间设置有补偿座，所述变倍组件通过螺纹与变倍座相连接，所述补偿组件通过螺纹与补偿座相连接，所述主镜筒外套设有变倍凸轮，主镜筒外设置有通过齿轮与变倍凸轮啮合传动的变焦电机组件，所述变倍凸轮设置有三个均布的变倍曲线槽和补偿曲线槽，所述主镜筒上设置有二组三个均布的变倍直槽和补偿直槽，所述变倍曲线槽通过变倍导钉经变倍直槽与变倍座相连接，所述补偿曲线槽通过补偿导钉经补偿直槽与补偿座相连接。
7.根据权利要求6所述的超低照度微光变焦镜头，其特征在于：所述滤色片转换组件E设置在主镜筒末端，所述滤色片转换组件E包括滤光片套筒，所述滤光片套筒内设置有安装有若干滤光片的转盘，所述滤光片通过压片固定在转盘上，所述转盘套设在立柱上并可相对立柱转动，所述滤光片套筒上设置有与转盘通过齿轮啮合传动的换片电机组件，所述滤光片套筒上设置有若干与滤光片相配合的霍尔元件组件，所述转盘上设置有与霍尔元件组件相配合的磁钢。
8.根据权利要求7所述的超低照度微光变焦镜头，其特征在于：所述转盘上设置有滤光片A、滤光片B和滤光片C，滤光片A为彩色0.4um-0.7um滤光片，滤光片B为黑白0.6um-0.9um滤光片，滤光片C为透雾0.75um-1.0um滤光片，所述转盘上设置有分别与滤光片A、滤光片B和滤光片C对应的霍尔元件组件A、霍尔元件组件B和霍尔元件组件C。
9.一种超低照度微光变焦镜头的控制方法，其特征在于：采用如权利要求8所述的超低照度微光变焦镜头，当调焦电机组件通电时，调焦电机组件上的齿轮通过啮合带动调焦环作正反转运动，调焦环通过二个均布的调焦导钉经主镜筒上的直槽改变运动方向,并在二个均布导钉的作用下带动调焦筒作正反向的直线运动，从而带动镜头的前组组件作正反向的直线运动，实现系统调焦的目的；当变焦电机组件通电时，变焦电机组件上的齿轮通过啮合带动变倍凸轮齿轮啮合转动，变倍使凸轮同步旋转，通过变倍曲线槽、补偿曲线槽及变倍导钉、补偿导钉，主镜筒上二组三个均布的变倍直槽、补偿直槽直槽使变倍座、补偿座从旋转运动改变为直线运动，实现变倍座、补偿座按变倍运动方程要求作前后直线运动，，实现系统调焦的目的；当换片电机组件通电时，换片电机组件上的齿轮通过啮合带动转盘转动，从而实新滤光片的转换。
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