CN104991332B - 连续变焦非制冷红外热像仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续变焦非制冷红外热像仪，包括红外探测器、大相对孔径的连续变焦光学系统、结构组件与自动对焦模块；连续变焦光学系统的相对孔径大于等于1：1，该连续变焦光学系统包括沿光轴从物方到像方依次设置光学透镜，包括前固定透镜、变焦透镜、补偿透镜、后固定透镜和调焦透镜；结构组件包括主镜筒、变焦凸轮和电机，主镜筒用于固定连续变焦光学系统中的光学透镜；变焦凸轮在电机驱动下带动变焦透镜与补偿透镜运动，完成光学系统变焦；自动对焦模块通过对图像边缘轮廓的能量值进行提取与分析比较，识别离焦量并驱动电机带动调焦透镜，自动对焦。

Description

连续变焦非制冷红外热像仪

技术领域

本发明涉及红外热成像领域，具体涉及一种大相对孔径的非制冷连续变焦红外热像仪。

背景技术

非制冷红外产品在当今得到非常广泛的应用，由于具有全天候昼夜观测能力，大量被用于监控、警戒、监视、侦察、森林防火等诸多领域。相比制冷红外产品，非制冷红外热像仪不需要对探测器进行制冷，器件成本极大降低，开机时间极大缩短，使用便利，适用范围更广。

连续变焦非制冷红外热像仪，具有连续变焦能力的红外镜头，由于可以对远近目标都清晰成像，为使用者提供了最为适宜的画面与视场，在非制冷红外产品得到越来越多的应用。

目前经公开发表的连续变焦非制冷红外热像仪，虽然具有连续变焦功能，但大多存在以下缺陷：

(1)相对孔径偏小，较小的相对孔径会导致光学镜头收集红外热辐射的能力下降，当与较低灵敏度的红外探测器配合使用时，图像对比度会明显变差，噪声增加，图像效果较差。

(2)缺少自动对焦技术，当目标距离发生变化或环境温度发生改变时，红外系统由于其材料的特殊性，焦面会发生偏移，图像会变模糊，此时就需要光学系统进行调整，适应焦面偏移，而且调整量与镜头焦距相关。当前的连续变焦红外镜头都缺乏自动对焦模块，往往需要人工参与调整，一旦变焦就需要使用者进行调焦，操作繁琐，效率低下。

发明内容

本发明针对现有连续变焦非制冷红外热像仪存在的不足，提供了一种具有大相对孔径与自动对焦功能的连续变焦红外热像仪，热像仪包含连续变焦光学系统、结构组件、自动对焦模块，能够显著提升红外热像仪的性能，具有更好的适应性与实用性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明产生的有益效果是：本发明采用负组变焦、正组补偿的多非球面大相对孔径光学系统，相对孔径达到1：1以上，可以达到更远的作用距离与更佳的图像效果；优化设计调焦透镜，采用后组透镜进行调焦补偿，能够充分补偿环境温度变化导致的离焦，调焦效果比优化前明显提升。集成自动对焦控制模块，通过对图像边缘轮廓的能量值进行提取与分析比较，识别离焦量并驱动电机带动调焦透镜，保证光学系统焦面不动，始终保持图像的清晰。

进一步地，将多种红外光学材料进行合理搭配，充分消除系统像差，取得了优异的成像质量。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1本发明热像仪整体示意图；

图2a为光学系统150mm长焦端示意图；

图2b为光学系统30mm短焦端示意图；

图3为光学系统变焦镜组与补偿镜组运动曲线图。

其中1为前固定物镜，2为变焦透镜，3为补偿透镜，4为补偿透镜，5为后组透镜一，6为调焦透镜，7为后组透镜三，8为主镜筒，9为支架，10为齿轮，11为电机，12为红外探测器，13为自动对焦模块，14为后壳体，15为变焦凸轮。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种连续变焦非制冷红外热像仪，如图1所示，包括放置于光学系统像面位置的红外探测器12、大相对孔径的连续变焦光学系统、结构组件与自动对焦模块13；

本发明的连续变焦光学系统的相对孔径大于等于1：1，该连续变焦光学系统包括沿光轴从物方到像方依次设置光学透镜，包括前固定透镜1、变焦透镜2、补偿透镜3与补偿透镜4、后组透镜5与后组透镜7、调焦透镜6；本发明实施例中补偿透镜可包括两个，补偿透镜3和补偿透镜4。本发明的一个实施例中，为了实现大相对孔径，增加了光学系统的口径，能够接收更多的目标热辐射。光学系统中设置了多个弯月透镜，如后组透镜5与调焦透镜6，从而能够消除大相对孔径带来的系统像差，使得光学系统的相对孔径为1：0.9。

结构组件包括主镜筒8、变焦凸轮15和电机11，主镜筒8用于固定连续变焦光学系统中的光学透镜；变焦凸轮15在电机11驱动下带动变焦透镜2与补偿透镜运动，完成光学系统变焦；图3为光学系统变焦镜组与补偿镜组运动曲线图。其中系列1为变焦透镜运动曲线，系列2为补偿透镜运动曲线。

自动对焦模块13通过对图像边缘轮廓的能量值进行提取与分析比较，识别离焦量并驱动电机带动调焦透镜6，自动对焦，保证光学系统焦面不动，始终保持图像的清晰。自动对焦模块13可集成于红外热像仪的电气组件中。

本发明的一个实施例中，如图1所示，第一片透镜为前固定透镜1，采用单晶锗材料，形状为凸凹透镜，凸面朝向物方，为正屈光度；第二片透镜为变焦透镜，采用单晶锗材料，形状为双凹透镜，为负屈光度；第三片透镜为补偿透镜一，采用单晶锗材料，形状为双凸透镜，为正屈光度；第四片透镜为补偿透镜二，采用硒化锌材料，形状为凹凸透镜，凸面朝向像方，为负屈光度；第五片透镜为后组透镜一，采用单晶锗材料，形状为凹凸透镜，凸面朝向物方，为正屈光度；第六片透镜为调焦透镜，采用单晶锗材料，形状为凹凸透镜，凸面朝向像方，为负屈光度；第七片透镜为后组透镜三，采用单晶锗材料，形状为凹凸透镜，凸面朝向物方，为正屈光度。光学系统为5倍连续变焦系统，长焦端焦距为150mm(如图2a所示)，短焦端焦距为30mm(如图2b所示)，光学系统在30mm～150mm焦距范围内均可以清晰成像。

本发明的一个较佳实施例中，如下表1所示，列出了本发明中连续变焦光学系统的具体参数。

表1 连续变焦光学系统的具体参数

在表1中，曲率半径是指每个表面的曲率半径，间距是指相邻两表面之间的距离，举例来说，表面S1的间距，即表面S1至表面S2间的距离。玻璃材料是该透镜的制作加工所用的材料。其中目镜一和后固定组透镜一为锗基地上的高次非球面。下表2列出了表面S2、表面S4的非球面系数。

表2 表面S2、S4的非球面系数

表面	K	A	B	C
					S2	0	-6.1021e-010	-6.6720e-014	3.3431e-018
S4	0	-2.2938e-007	-5.1579e-012	2.3221e-015

非球面以面顶点为基准的光轴方向的位变定义如下：

其中，各参数含义如下：

Z：光轴方向的位变

H：光轴的高

c：透镜曲率

K：二次曲面系数

A、B、C：非球面系数

结构组件还包括支架9、齿轮10和后壳体14等，支架9为热像仪提供对外支撑安装的机械靠面；后壳体14将红外探测器12与电气组件进行整体封装。主镜筒8实现光学透镜的安装固定；变焦凸轮15在电机11驱动下带动变焦透镜1与补偿透镜3、4运动，完成系统变焦；支架9提供热像仪对外支撑安装的机械靠面；后壳体14则将红外探测器12与电气组件进行整体封装。其中光学系统从长焦端向短焦端变焦时，变焦透镜2沿光轴向物方运动，补偿透镜3与补偿透镜4沿光轴向像方运动。

自动对焦模块13接收光学系统的数字视频信号，对每一帧视频，通过能量方程进行计算，对每一帧边缘能量值进行比较，最大能量值位置的就是离焦最小的位置；当系统变焦时，自动对焦模块自动驱动电机，带动调焦透镜运动，再根据调节行程中的边缘能量最大的位置确定系统焦面位置，取得最清晰的画面。

本发明的一个实施例中，其自动对焦模块为自动对焦电路板，能够产生变焦控制、对焦控制及转发其它指令。对焦电路板接收数字视频信号，经过对焦电路板上的FIFO存储器缓存后，通过数据总线，由DSP按DMA方式读入到DSP内部RAM中。对每一帧视频，通过能量方程进行计算，对每一帧边缘能量值进行比较，最大能量值位置的就是离焦最小的位置。当系统变焦时，对焦电路板自动驱动调焦电机，带动调焦透镜运动，再根据调节行程中的边缘能量最大的位置确定系统焦面位置，取得最清晰的画面。

本发明采用大相对孔径的连续变焦红外光学系统技术，采用负组变焦、正组补偿的多非球面大相对孔径光学系统，相对孔径达到1：1以上，可以达到更远的作用距离与更佳的图像效果；将多种红外光学材料进行合理搭配，充分消除系统像差，取得了优异的成像质量；优化设计调焦透镜，采用后组透镜进行调焦补偿，能够充分补偿环境温度变化导致的离焦，调焦效果比优化前明显提升。

本发明使用自动对焦技术，热像仪集成自动对焦控制模块，通过对图像边缘轮廓的能量值进行提取与分析比较，识别离焦量并驱动电机带动调焦透镜，保证光学系统焦面不动，始终保持图像的清晰。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种连续变焦非制冷红外热像仪，其特征在于，包括红外探测器、大相对孔径的连续变焦光学系统、结构组件与自动对焦模块；

所述连续变焦光学系统的相对孔径大于等于1：1，该连续变焦光学系统包括沿光轴从物方到像方依次设置光学透镜，包括前固定透镜、变焦透镜、补偿透镜、后固定透镜和调焦透镜；

所述结构组件包括主镜筒、变焦凸轮和电机，所述主镜筒用于固定连续变焦光学系统中的光学透镜；变焦凸轮在电机驱动下带动变焦透镜与补偿透镜运动，完成光学系统变焦；

所述自动对焦模块通过对图像边缘轮廓的能量值进行提取与分析比较，识别离焦量并驱动电机带动所述调焦透镜，自动对焦；

所述光学系统包括沿光轴从物方到像方依次设置的7片光学透镜，第一片透镜为前固定透镜，第二片透镜为变焦透镜、第三、四片透镜为补偿透镜，第五、七片透镜为后固定透镜，第六片透镜为调焦透镜；

所述第一片透镜为正屈光度的凸凹透镜，凸面朝向物方；第二片透镜为负屈光度的双凹透镜；第三片透镜为正屈光度的双凸透镜；第四片透镜为负屈光度的凹凸透镜，凸面朝向像方；第五片透镜为正屈光度的凹凸透镜，凸面朝向物方；第六片透镜为负屈光度的凹凸透镜，凸面朝向像方；第七片透镜为正屈光度的凹凸透镜，凸面朝向物方。

2.根据权利要求1所述的连续变焦非制冷红外热像仪，其特征在于，所述自动对焦模块集成于红外热像仪的电气组件中。

3.根据权利要求1所述的连续变焦非制冷红外热像仪，其特征在于，光学系统为5倍连续变焦系统，焦距为30mm -150mm。

4.根据权利要求2所述的连续变焦非制冷红外热像仪，其特征在于，所述结构组件还包括支架、齿轮和后壳体，支架为热像仪提供对外支撑安装的机械靠面；后壳体将红外探测器与电气组件进行整体封装。

5.根据权利要求1所述的连续变焦非制冷红外热像仪，其特征在于，所述自动对焦模块接收光学系统的数字视频信号，对每一帧视频，通过能量方程进行计算，对每一帧边缘能量值进行比较，最大能量值位置的就是离焦最小的位置；当系统变焦时，所述自动对焦模块自动驱动电机，带动调焦透镜运动，再根据调节行程中的边缘能量最大的位置确定系统焦面位置，取得最清晰的画面。

6.一种连续变焦光学系统，其特征在于，该光学系统的相对孔径大于等于1：1，该光学系统包括沿光轴从物方到像方依次设置的7片光学透镜，第一片透镜为前固定透镜，第二片透镜为变焦透镜、第三、四片透镜为补偿透镜，第五、七片透镜为后固定透镜，第六片透镜为调焦透镜；

其中，所述第一片透镜为正屈光度的凸凹透镜，凸面朝向物方；第二片透镜为负屈光度的双凹透镜；第三片透镜为正屈光度的双凸透镜；第四片透镜为负屈光度的凹凸透镜，凸面朝向像方；第五片透镜为正屈光度的凹凸透镜，凸面朝向物方；第六片透镜为负屈光度的凹凸透镜，凸面朝向像方；第七片透镜为正屈光度的凹凸透镜，凸面朝向物方。

7.根据权利要求6所述的连续变焦光学系统，其特征在于，第一片透镜采用单晶锗材料，第二片透镜采用单晶锗材料，第三片透镜采用单晶锗材料，第四片透镜采用硒化锌材料，第五片透镜采用单晶锗材料，第六片透镜采用单晶锗材料，第七片透镜采用单晶锗材料。

8.根据权利要求6所述的连续变焦光学系统，其特征在于，该光学系统的相对孔径大于等于1：0.9。