CN105116526A - 高变倍比连续变焦电视摄像镜头及其控制方法 - Google Patents

高变倍比连续变焦电视摄像镜头及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高变倍比连续变焦电视摄像镜头及其控制方法，其光学系统中沿光线入射方向依次设有前固定组A、变倍组B、补偿组C和后固定组D，前固定组A依次设有正月牙透镜A-1和由负月牙透镜A-2与正月牙透镜A-3密接的胶合组；变倍组B依次设有双凹透镜B-1和由双凹透镜B-2与正月牙透镜B-3密接的胶合组；补偿组C设有由双凹透镜C-1与正月牙透镜C-2密接的胶合组；后固定组D依次设有双凸透镜D-1、正月牙透镜D-2、由双凸透镜D-3与双凹透镜D-4密接的胶合组、正月牙透镜D-5和由双凸透镜D-6与负月牙透镜D-7密接的胶合组。该镜头具有结构紧凑、观测视场大、变倍比大、探测距离远、分辨率高等特点。

Description

高变倍比连续变焦电视摄像镜头及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种用于实时视频摄像的高变倍比连续变焦电视摄像镜头及其控制方法，属于镜头领域。
背景技术
机械式补偿连续焦距镜头在电视摄像领域的应用非常广泛，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，但是普遍存在着外形体积较大、分辨率不高、变倍比小、与高精度摄像机不匹配、在弱光及雨、雪、薄雾等天候条件下图像质量差等缺点。
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变倍比连续变焦电视摄像镜头及其控制方法，该镜头克服了使用数十年的变焦距镜头分辨率无法与高清摄像机适配，并且受限于重量和体积，导致观测视场较小、变倍比小、图像对比度、清晰度不高，严重影响系统的探测能力等缺陷。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案一是：一种高变倍比连续变焦电视摄像镜头，所述镜头的光学系统中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、光焦度为负的补偿组C和光焦度为正的后固定组D，所述前固定组A依次设有正月牙透镜A-1和由负月牙透镜A-2与正月牙透镜A-3密接的第一胶合组；所述变倍组B依次设有双凹透镜B-1和由双凹透镜B-2与正月牙透镜B-3密接的第二胶合组；所述补偿组C依次设有由双凹透镜C-1与正月牙透镜C-2密接的第三胶合组；所述后固定组D依次设有双凸透镜D-1、正月牙透镜D-2、由双凸透镜D-3与双凹透镜D-4密接的第四胶合组、正月牙透镜D-5和由双凸透镜D-6与负月牙透镜D-7密接的第五胶合组。
在进一步的技术方案中，所述前固定组A与变倍组B之间的空气间隔是1~46mm，所述变倍组B与补偿组C之间的空气间隔是3.9~41.5mm，所述补偿组C与后固定组D之间的空气间隔是2.5~10.6mm。
在进一步的技术方案中，所述前固定组A中的正月牙透镜A-1与第一胶合组之间的空气间隔是0.1mm。
在进一步的技术方案中，所述变倍组B中的双凹透镜B-1与第二胶合组之间的空气间隔是0.52mm。
在进一步的技术方案中，所述后固定组D中的双凸透镜D-1与正月牙透镜D-2之间的空气间隔是0.1mm，所述正月牙透镜D-2与第四胶合组之间的空气间隔是0.75mm，所述第四胶合组与正月牙透镜D-5之间的空气间隔是0.1mm，所述正月牙透镜D-5与第五胶合组之间的空气间隔是3.95mm。
在进一步的技术方案中，所述镜头的机械结构包括沿光线入射方向依次设置的前固定组件、变倍组件、变焦凸轮组件、补偿组件、后固定组件和摄像机组件，所述镜头的周侧中部设有电动变焦机构。
在进一步的技术方案中，所述变倍组件由变倍移动座和安置在变倍移动座上的变倍镜组组件组成，所述补偿组件由补偿移动座和安置在补偿移动座上的补偿镜组组件组成，所述变倍移动座与补偿移动座均安装在多根导杆上并滑动配合，所述多根导杆通过凸轮盖板固定在主镜筒上，所述主镜筒上通过前排精密钢球和后排精密钢球安置有由变倍凸轮压圈压紧的变倍凸轮，所述变倍凸轮上加工有两条变倍、补偿曲线槽，所述变倍凸轮通过变倍导钉组件和补偿导钉组件分别与变倍组件、补偿组件联接在一起，所述变倍导钉组件和补偿导钉组件分别与两条变倍、补偿曲线槽间隙配合。
在进一步的技术方案中，所述电动变焦机构由变焦电机、变焦电位器、磁铁以及霍尔元件组成，所述变焦电机通过变倍电机支架安置在主镜筒上，所述霍尔元件通过变倍限位支架安置在变倍凸轮压圈上，所述变焦电位器通过变倍电机支架安置在主镜筒上；所述变倍电机齿轮分别与电位器齿轮和变倍凸轮齿轮啮合。
在进一步的技术方案中，所述变焦电位器为精密电位器。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案二是：一种高变倍比连续变焦电视摄像镜头的控制方法，采用上述的高变倍比连续变焦电视摄像镜头，当变焦电机转子作正负旋转运动时，变焦电位器转子与变倍凸轮同步转动，通过变倍、补偿曲线槽及变倍导钉组件、补偿导钉组件带动变倍组件、补偿组件按变倍、补偿曲线槽的路径运动，实现变倍组件和补偿组件按变焦运动方程要求作前后直线运动，从而实现系统焦距的连续可变功能；当系统的焦距发生变化时，电位器齿轮通过与变倍凸轮齿轮啮合使变焦电位器旋转，此时变焦电位器的阻值发生变化，通过相应的取样电路取出变焦电位器的变化值，并传给控制中心，从而实现变焦值的显示；反之，通过控制中心给出命令，实现焦距的实时控制。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）该镜头简化了光学系统的结构，以达到高变倍比、体积小巧的目的，并使得在变倍组B的倍比m2=-1处，补偿组C的倍比│m3│按最速变焦路线运动，进而使得变焦过程的导程最小，光学总长最短，使整个系统的结构紧凑、体积小巧、变倍补偿行程短、探测距离远。
（2）该镜头的光学系统具有电动连续变焦、焦距反馈等功能，它能在良好天候的环境下为1024×7681/2″CCD摄像机提供光电信号，产生高清晰度的视频图像，在同等尺寸和重量条件下，它比普通光学镜头具有更大的观测视场、更高的分辨率、更大的变倍比、更宽的天候适应范围。
（3）可通过在前固定组A中选用由高折射率、超低色散的光学材料制成的正月牙透镜A-3（即采用超低色散镜片），不仅提高了光线高度最高的前固定组A的光焦度承担能力，而且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。
（4）在保证结构紧凑的前提下，可通过加大安装基面的接触面积以增强连接处的摩擦力，提高了镜头耐振动、冲击的能力。
附图说明
图1为本发明实施例的光学系统示意图。
图2为本发明实施例的机械结构装配主视图。
图3为本发明实施例的机械结构装配左视图。
图4为本发明实施例的电动变焦机构主视图。
图5为本发明实施例的电动变焦机构右视图。
图1中：A.前安置镜组A，A-1.正月牙透镜A-1，A-2.负月牙透镜A-2，A-3.正月牙A-3；B.变倍镜组B，B-1.双凹透镜B-1，B-2.双凹透镜B-2，B-3.正月牙透镜B-3；C.补偿镜组C，C-1.双凹透镜C-1，C-2.正月牙透镜C-2；D.后安置镜组D，D-1.双凸透镜D-1，D-2.正月牙透镜D-2，D-3.双凸透镜D-3，D-4.双凹透镜D-4，D-5.正月牙透镜D-5，D-6.双凸透镜D-6，D-7.负月牙透镜D-7。
图2、图3中：2-1.前固定组件，2-2.变倍组件，2-3.变焦凸轮组件，2-4.补偿组件，2-5.后固定组件，2-6.摄像机组件，2-7.电动变焦机构。
图4、图5中：3-1.主镜筒，3-2.变倍镜组组件，3-3.凸轮盖板，3-4.前排精密钢球，3-5.变倍导钉组件，3-6.变倍移动座，3-7.导杆，3-8.补偿导钉组件，3-9.补偿移动座，3-10.变倍凸轮压圈，3-11.后排精密钢球，3-12.变倍凸轮，3-13.补偿镜组组件，3-14.变焦电位器，3-15.电位器齿轮，3-16.霍尔元件，3-17.变倍限位支架，3-18.磁铁，3-19.变倍电机支架，3-20.变倍电机，3-21.变倍电机齿轮。
具体实施方式
为了让本发明的上述特征和优点更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。
如图1所示，一种高变倍比连续变焦电视摄像镜头，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、光焦度为负的补偿组C和光焦度为正的后固定组D，所述前固定组A依次设有正月牙透镜A-1和由负月牙透镜A-2与正月牙透镜A-3密接的第一胶合组；所述变倍组B依次设有双凹透镜B-1和由双凹透镜B-2与正月牙透镜B-3密接的第二胶合组；所述补偿组C依次设有由双凹透镜C-1与正月牙透镜C-2密接的第三胶合组；所述后固定组D依次设有双凸透镜D-1、正月牙透镜D-2、由双凸透镜D-3与双凹透镜D-4密接的第四胶合组、正月牙透镜D-5和由双凸透镜D-6与负月牙透镜D-7密接的第五胶合组。
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1~46mm，所述变倍组B与补偿组C之间的空气间隔是3.9~41.5mm，所述补偿组C与后固定组D之间的空气间隔是2.5~10.6mm。所述前固定组A中的正月牙透镜A-1与第一胶合组之间的空气间隔是0.1mm。所述变倍组B中的双凹透镜B-1与第二胶合组之间的空气间隔是0.52mm。所述后固定组D中的双凸透镜D-1与正月牙透镜D-2之间的空气间隔是0.1mm，所述正月牙透镜D-2与第四胶合组之间的空气间隔是0.75mm，所述第四胶合组与正月牙透镜D-5之间的空气间隔是0.1mm，所述正月牙透镜D-5与第五胶合组之间的空气间隔是3.95mm。
由上述镜片组构成的光学系统达到了如下的光学指标：（1）工作波段：450nm~700nm，中心谱线为575nm；（2）焦距f′：14~165mm；（3）CCD：1024×7681/2〞彩色数字CCD；（4）视场角：2°×1.5°~22°×16.5°；（5）相对孔径D/f′：优于1/4.5；（6）光学体积：120mm×43.5mm×43.5mm（长×宽×高）。
在光路设计方面，采用前固定组A（+）、变倍组B（-）、补偿组C（-）和后固定组D（+）四个组元。用变倍组B的前后移动实现了系统焦距的变化，并由补偿组C来补偿变倍组B移动时像点的移动，使后固定组D的物距不变，从而使系统的像面位置不变。其中，前固定组A除了实现系统的长焦距外，同时可通过前固定组A的前后移动来实现调焦。在光学设计中合理分配前固定组A、变倍组B、补偿组C和后固定组D四个组元的焦距，使变焦距镜头达到了长焦距、高变倍比，尤其是缩短变倍组B的焦距。
为了实现光学系统11.8倍的大变倍比，所述镜头采用最速变焦凸轮曲线设计，当变倍组B的倍率m2=-1时，补偿组C的倍率│m3│按最速变焦路线运动，通过上述措施，使得变焦过程的导程最小，光学总长最短，使整个系统的体积小巧。为了追求更高的分辨率，光学设计时在前固定组A中设置了第一胶合组和正月牙透镜A-1，两片弯向光栏面的正月牙透镜A-1、A-3不仅提高了光线高度最高的前固定组A的光焦度承担能力，而且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，可与高清摄像机适配。
如图2~3所示，所述镜头的机械结构从左往右依次为前固定组件2-1、变倍组件2-2、变焦凸轮组件2-3、补偿组件2-4、后固定组件2-5和摄像机组件2-6，所述镜头的中部设有电动变焦机构2-7，所述电动变焦机构2-7环绕分布在镜头的周侧。所述电动变焦机构2-7设置有一个实现焦距预置功能的变焦电位器3-14，所述变焦电位器3-14为精密电位器。
如图4~5所示，所述变倍镜组组件3-2通过连接螺纹安置在变倍移动座3-6上组成变倍组件2-2；补偿镜组组件3-13通过连接螺纹安置在补偿移动座3-9上组成补偿组件2-4。所述变倍移动座3-6与补偿移动座3-13均安装在3根导杆3-7上并滑动配合，所述3根导杆3-7通过凸轮盖板3-3固定在主镜筒3-1上，变倍凸轮3-12通过前排精密钢球3-4和后排精密钢球3-11安置在主镜筒3-1上，并用变倍凸轮压圈3-10压紧，形成滚动轴承结构，把变倍凸轮3-12旋转时的滑动摩擦转变为滚动摩擦，以减少变倍凸轮3-12运动时的摩擦力。所述变倍凸轮3-12按光学变焦运动方程的要求加工两条变倍、补偿曲线槽，分别用变倍导钉组件3-5和补偿导钉组件3-8把变倍凸轮3-12与变倍组件2-2、补偿组件2-4联接在一起，严格控制变倍导钉组件3-5和补偿导钉组件3-8与两条曲线槽的配合间隙，保证变倍组件2-2、补偿组件2-4滑动平稳舒适、无卡滞。
如图4~5所示，所述电动变焦机构2-7由变焦电机3-20、变焦电位器3-14、磁铁3-18以及霍尔元件3-16组成，所述变焦电机3-20通过变倍电机支架3-19安置在主镜筒3-1上，所述霍尔元件3-16通过变倍限位支架3-17安置在变倍凸轮压圈3-10上，所述变焦电位器3-14通过变倍电机支架3-19安置在主镜筒3-1上。变倍电机齿轮3-21分别与电位器齿轮3-15和变倍凸轮3-12齿轮啮合。
当变焦电机3-20转子作正负旋转运动时，使变焦电位器3-14转子与变倍凸轮3-12同步转动。通过变倍、补偿曲线槽及变倍导钉组件3-5、补偿导钉组件3-8带动变倍组件2-2、补偿组件2-4按变倍、补偿曲线槽的路径运动。严格控制变倍导钉组件3-5和补偿导钉组件3-8与变倍凸轮3-12的曲线槽之间的配合间隙，保证变倍组件2-2和补偿组件2-4滑动平稳舒适、无卡滞。这样通过电机旋转实现变倍组件2-2和补偿组件2-4按变焦运动方程要求作前后直线运动，从而实现系统焦距的连续可变功能。当系统的焦距发生变化时，电位器齿轮3-15通过与变倍凸轮3-12齿轮啮合使变焦电位器3-14旋转，此时变焦电位器3-14的阻值发生变化，通过相应的取样电路可以取出变焦电位器3-14的变化值，并传给控制中心，从而实现变焦值的显示；反之，通过控制中心给出命令，可实现焦距的实时控制。
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 (10)

1.一种高变倍比连续变焦电视摄像镜头，其特征在于：所述镜头的光学系统中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、光焦度为负的补偿组C和光焦度为正的后固定组D，所述前固定组A依次设有正月牙透镜A-1和由负月牙透镜A-2与正月牙透镜A-3密接的第一胶合组；所述变倍组B依次设有双凹透镜B-1和由双凹透镜B-2与正月牙透镜B-3密接的第二胶合组；所述补偿组C依次设有由双凹透镜C-1与正月牙透镜C-2密接的第三胶合组；所述后固定组D依次设有双凸透镜D-1、正月牙透镜D-2、由双凸透镜D-3与双凹透镜D-4密接的第四胶合组、正月牙透镜D-5和由双凸透镜D-6与负月牙透镜D-7密接的第五胶合组。
2.根据权利要求1所述的高变倍比连续变焦电视摄像镜头，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1~46mm，所述变倍组B与补偿组C之间的空气间隔是3.9~41.5mm，所述补偿组C与后固定组D之间的空气间隔是2.5~10.6mm。
3.根据权利要求1或2所述的高变倍比连续变焦电视摄像镜头，其特征在于：所述前固定组A中的正月牙透镜A-1与第一胶合组之间的空气间隔是0.1mm。
4.根据权利要求1或2所述的高变倍比连续变焦电视摄像镜头，其特征在于：所述变倍组B中的双凹透镜B-1与第二胶合组之间的空气间隔是0.52mm。
5.根据权利要求1或2所述的高变倍比连续变焦电视摄像镜头，其特征在于：所述后固定组D中的双凸透镜D-1与正月牙透镜D-2之间的空气间隔是0.1mm，所述正月牙透镜D-2与第四胶合组之间的空气间隔是0.75mm，所述第四胶合组与正月牙透镜D-5之间的空气间隔是0.1mm，所述正月牙透镜D-5与第五胶合组之间的空气间隔是3.95mm。
6.根据权利要求1所述的高变倍比连续变焦电视摄像镜头，其特征在于：所述镜头的机械结构包括沿光线入射方向依次设置的前固定组件、变倍组件、变焦凸轮组件、补偿组件、后固定组件和摄像机组件，所述镜头的周侧中部设有电动变焦机构。
7.根据权利要求6所述的高变倍比连续变焦电视摄像镜头，其特征在于：所述变倍组件由变倍移动座和安置在变倍移动座上的变倍镜组组件组成，所述补偿组件由补偿移动座和安置在补偿移动座上的补偿镜组组件组成，所述变倍移动座与补偿移动座均安装在多根导杆上并滑动配合，所述多根导杆通过凸轮盖板固定在主镜筒上，所述主镜筒上通过前排精密钢球和后排精密钢球安置有由变倍凸轮压圈压紧的变倍凸轮，所述变倍凸轮上加工有两条变倍、补偿曲线槽，所述变倍凸轮通过变倍导钉组件和补偿导钉组件分别与变倍组件、补偿组件联接在一起，所述变倍导钉组件和补偿导钉组件分别与两条变倍、补偿曲线槽间隙配合。
8.根据权利要求7所述的高变倍比连续变焦电视摄像镜头，其特征在于：所述电动变焦机构由变焦电机、变焦电位器、磁铁以及霍尔元件组成，所述变焦电机通过变倍电机支架安置在主镜筒上，所述霍尔元件通过变倍限位支架安置在变倍凸轮压圈上，所述变焦电位器通过变倍电机支架安置在主镜筒上；所述变倍电机齿轮分别与电位器齿轮和变倍凸轮齿轮啮合。
9.根据权利要求8所述的高变倍比连续变焦电视摄像镜头，其特征在于：所述变焦电位器为精密电位器。
10.一种高变倍比连续变焦电视摄像镜头的控制方法，其特征在于：采用权利要求8或9的高变倍比连续变焦电视摄像镜头，当变焦电机转子作正负旋转运动时，变焦电位器转子与变倍凸轮同步转动，通过变倍、补偿曲线槽及变倍导钉组件、补偿导钉组件带动变倍组件、补偿组件按变倍、补偿曲线槽的路径运动，实现变倍组件和补偿组件按变焦运动方程要求作前后直线运动，从而实现系统焦距的连续可变功能；当系统的焦距发生变化时，电位器齿轮通过与变倍凸轮齿轮啮合使变焦电位器旋转，此时变焦电位器的阻值发生变化，通过相应的取样电路取出变焦电位器的变化值，并传给控制中心，从而实现变焦值的显示；反之，通过控制中心给出命令，实现焦距的实时控制。
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