CN106019543B - 前置光栏高清变焦视频摄像转接镜头 - Google Patents

前置光栏高清变焦视频摄像转接镜头 Download PDF

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Abstract

本发明涉及前置光栏高清变焦视频摄像转接镜头，包括光学系统，所述光学系统包括沿光线入射方向依次设置的前固定组A、转接组C、光栏以及变焦组D，所述变焦组D由前变焦组和后变焦组构成，所述前固定组A位于光轴线一上，所述转接组C、光栏和变焦组D位于光轴线二上，光轴线一和光轴线二相互垂直且两者的交点处设置有与两光轴均呈45°角的反射镜B，所述变焦组D的后端还设有分色棱镜E。本发明能连续变焦、满足200万像素以上成像质量、性价比高,利用反射镜消除主体反射镜的镜像效应,并且加装分色棱镜的三基色视频摄像系统，以提高高清彩色图像的质量。

Description

前置光栏高清变焦视频摄像转接镜头
技术领域
本发明涉及镜头设备领域，具体涉及一种前置光栏高清变焦视频摄像转接镜头。
背景技术
随着数码摄像技术的发展,越来越多的领域把传统的光学技术和视频摄像显示技术结合起来，实现过去无法完成的实时监控、实时摄录、实时传送、多人实时观察以及将相关资料长期保存，以促进了科研、教育、医疗、国防、质检等领域的发展。
为了在现有的较成熟的人眼观察和现有的观测设备的基础上，增加该功能，往往需要从光路中间分出一路用于与视频摄像系统连接。因此，需要设置一种将其连接起来的光学转接镜或中继光学系统。目前市场上因成本原因，大多数转接镜或中继光学系统还停留在采用固定焦距镜头，很少采用连续变焦镜头，达不到理想的使用效果。如在临床外科手术，为了能看到开刀的部位，它需要放大率较低的光学系统，但要看清细节，则要求放大率较高的光学系统，这样就要反复更换镜头或者就用中等放大率镜头来替代,降低了使用效果；又如用天文望远镜观察天象时，如能在望远镜光路上增添中继光学系统，把物镜成的像转接到视频摄像器件上，则可把目镜上看到的实时图像摄录下来，保证发现的新成果有据可查，还可通过Wi-Fi和手机连接，实时把资料发送出去，提高工作效率，而现有的光学转接镜或中继光学系统远远无法满足使用需求。
发明内容
本发明的目的是针对以上不足之处，提供了一种能连续变焦、满足200万像素以上成像质量、性价比高的前置光栏高清变焦视频摄像转接镜头。
本发明解决技术问题所采用的方案是：一种前置光栏高清变焦视频摄像转接镜头，包括光学系统，所述光学系统包括沿光线入射方向依次设置的前固定组A、转接组C、光栏以及变焦组D，所述变焦组D由前变焦组和后变焦组构成，所述前固定组A位于光轴线一上，所述转接组C、光栏和变焦组D位于光轴线二上，光轴线一和光轴线二相互垂直且两者的交点处设置有与两光轴均呈45°角的反射镜B，所述变焦组D的后端还设有分色棱镜E，所述光学系统的合焦距f`合＝35～64mm，相对孔径D/f`＝1:4～1:6.8,像面大小Φ为6mm，所述光学系统满足以下光学条件：
50<Lp1<75(mm)………………①
d7+d8>32mm………………②
l`f>18mm………………③
2.4＜︱Lp变/f`变︱………………④
其中，Lp1为所述前固定组A的入瞳距，d7为前固定组A后端中心到反射镜B中心的空气间距，d8为反射镜B中心到转接组C前端中心的空气间距，l`f为所述光学系统的后截距，Lp变为变焦组D的入瞳距，f`变为变焦组D的焦距。
条件①设定的目的是保证转接镜出瞳与所述光学系统的入瞳对接，且不会因它过长使系统失对称严重,致使像差难于校正，使成像质量变坏。
条件②设定的目的是能放的下反射镜B。
条件③设定的目的是能放的下三晶片分色棱镜E。
条件④设定的目的是使光学系统的出瞳趋于远心，对于带分色棱镜的光学系统消除色偏差有利。
为了把进入光学系统的平行光聚焦到其焦点上，同时把由转接组C和变焦组D成的光栏像成在其前面特定的位置上；所述前固定组A包括沿光线入射方向依次设置的双凸正透镜A-1、双凹负透镜A-2和双凸正透镜A-3，所述双凸正透镜A-1与双凹负透镜A-2之间设置有用于保持空气间距的隔圈，双凹负透镜A-2与双凸正透镜A-3之间均设置有用于保持空气间距的隔圈。
为了将转接组C的前焦点和前固定组A的焦点重合，形成入射到变焦组D前的光束是平行光，同时它把变焦组D实际光栏的像(变焦组D的入瞳)成在前固定组A焦点后特定的位置上，使前置入瞳距满足与主体显微镜或望远镜出瞳较长相衔接的要求；所述转接组C包括沿光线入射方向依次设置的双凸正透镜C-1、凸凹正透镜C-2、双凹负透镜C-3和双凸正透镜C-4，所述双凸正透镜C-1与凸凹正透镜C-2之间、凸凹正透镜C-2与双凹负透镜C-3之间以及双凹负透镜C-3与双凸正透镜C-4之间均设置有用于保持空气间距的隔圈。
经过前面的光学元件设置，使转接组C和前固定组A组成缩小倍率约2倍的无焦系统，所述变焦组可选用一般的变倍镜头；所述前变焦组包括沿光线入射方向依次设置的凸凹负透镜D-1、凸凹正透镜D-2，所述后变焦组包括沿光线入射方向依次设置的双凸正透镜D-3、双凹负透镜D-4和双凸正透镜D-5，所述凸凹负透镜D-1与凸凹正透镜D-2之间、凸凹正透镜D-2与双凸正透镜D-3之间、双凸正透镜D-3与双凹负透镜D-4之间以及双凹负透镜D-4与双凸正透镜D-5之间均设置有用于保持空气间距的隔圈；光栏设置于前变焦组与后变焦组之间。
为了满足转接镜的实际要求；所述前固定组A的的焦距为f′前＝45～55mm，相对孔径D/f'＝1:6，最大视场角2ω＝9.19°～11.23°,后截距l′前＝20～23mm，所述前固定组的入瞳距Lp1＝68～73mm。
为了满足转接镜的实际要求；所述转接组C的焦距为f′中＝20～28mm，相对孔径D/f'＝1:6，最大视场角2ω＝18.2°～25.5°,后截距l′中＝12～16mm，它的出瞳距能将入瞳像成在前固定组A第一面-70mm的位置上。
为了满足转接镜的实际要求；所述变焦组D的焦距约为f′变＝16.5～30mm，相对孔径D/f'＝1:4～1:6.8，像面大小Φ6mm,后截距l′变＝24.4～33.7mm。
为了安装所需的光学元件；所述转接镜头的机械系统包括用于安装前固定组A的前镜座，所述前固定组A通过前镜筒安装在前镜座内，前镜座的前端设置有用于固定前固定组的前压圈。
为了安装所需的光学元件；所述转接镜头的机械系统还包括用于安装转接组C和前变焦组的后镜座，前镜座的中轴线与后镜座的中轴线垂直并且两者螺接固定，所述后镜座上设置有手轮，后镜座上通过紧固螺钉固定安装有位于手轮外侧的后固定盖。
为了实现旋转手轮能调节变焦组的焦距；所述后镜座内设置有可相对后镜座轴向移动的后镜筒，后变焦组安装在后镜筒内，所述后镜筒上设置有调节螺钉，所述手轮上开设有螺旋槽，调节螺钉的头部嵌合于螺旋槽内，调节螺钉的尾部与内镜筒固定连接，旋转手轮时带动调节螺钉在螺旋槽内移动进而调节焦距。
较之现有技术而言，本发明具有以下优点：
(1)本发明采用二次成像方式来消除光栏球差，同时利用前固定组A有较长的后截距，加上转接组C的后截距，可以有充足空间加入反射镜B以消除主体反射镜的镜像效应；
(2)本发明采用45度放置的反射镜B将光路转90度，实现转接镜头的小型化，使结构更紧凑；
(3)本发明加长后截距的设计，便于加装分色棱镜E的三基色视频摄像系统，以提高高清彩色图像的质量；
(4)本发明采用连续变焦结构，操作者只需要调节一个手轮就能调整到需要的图像大小，而且整个变倍过程图像都始终清晰，也可以将细节放大，以便看清被观察物的细节；
(5)本发明的入瞳距设在前面较远距离，使之能与手术显微镜前置的光学系统的出瞳重合，以保证视场不切割。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的光学原理图；
图2为本发明的光路图；
图3为本发明的结构示意图；
图4(a)为本发明焦距f′合为35mm时球差曲线图，其中，横坐标单位为mm；
图4(b)为本发明焦距f′合为35mm时象散曲线图，其中，横坐标单位为mm；
图4(c)为本发明焦距f′合为35mm时倍率色差曲线图，其中，横坐标单位为mm；
图5(a)为本发明焦距f′合为51mm时球差曲线图，其中，横坐标单位为mm；
图5(b)为本发明焦距f′合为51mm时象散曲线图，其中，横坐标单位为mm；
图5(c)为本发明焦距f′合为51mm时倍率色差曲线图，其中，横坐标单位为mm；
图6(a)为本发明焦距f′合为64mm时球差曲线图，其中，横坐标单位为um；
图6(b)为本发明焦距f′合为64mm时象散曲线图，其中，横坐标单位为um；
图6(c)为本发明焦距f′合为64mm时倍率色差曲线图，其中，横坐标单位为um；
图7(a)为本发明焦距f′合为35mm时的MTF图，其中，横坐标单位为线对/mm；
图7(b)为本发明焦距f′合为51mm时的MTF图，其中，横坐标单位为线对/mm；
图7(c)为本发明焦距f′合为64mm时的MTF图，其中，横坐标单位为线对/mm。
图中：
1-前压圈；2-隔圈；3-前镜筒；4-前镜座；5-后镜座；6-螺旋槽；7-手轮；8-紧固螺钉；9-后固定盖；10-调节螺钉；11-后镜筒；
A-前固定组；A-1-双凸正透镜；A-2-双凹负透镜；A-3-双凸正透镜；B-反射镜；C–转接组；C-1-双凸正透镜；C-2-凸凹正透镜、C-3-双凹负透镜；C-4-双凸正透镜；D–变焦组；D-1-凸凹负透镜；D-2-凸凹正透镜；D-3-双凸正透镜；D-4-双凹负透镜；D-5-双凸正透镜；E-分色棱镜；F-光路；a代表波长＝0.486um的几何像差曲线；b代表波长＝0.588um的几何像差曲线；c代表波长＝0.656um的几何像差曲线；I代表中间视场；II代表0.7视场；III代表全视场。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明内容进行详细说明：
如图1～3所示，一种前置光栏高清变焦视频摄像转接镜头，包括光学系统，所述光学系统包括沿光线入射方向依次设置的前固定组A、转接组C、光栏以及变焦组D，所述变焦组D由前变焦组和后变焦组构成，所述前固定组A位于光轴线一上，所述转接组C、光栏和变焦组D位于光轴线二上，光轴线一和光轴线二相互垂直且两者的交点处设置有与两光轴均呈45°角的反射镜B，所述变焦组D的后端还设有分色棱镜E，所述光学系统的合焦距f`合＝35～64mm，相对孔径D/f`＝1:4～1:6.8,像面大小Φ为6mm，所述光学系统满足以下光学条件：
50<Lp1<75(mm)………………①
d7+d8>32mm………………②
l`f>18mm………………③
2.4＜︱Lp变/f`变︱………………④
其中，Lp1为所述前固定组A的入瞳距，d7为前固定组A后端中心到反射镜B中心的空气间距，d8为反射镜B中心到转接组C前端中心的空气间距，l`f为所述光学系统的后截距，Lp变为变焦组D的入瞳距，f`变为变焦组D的焦距。
条件①设定的目的是保证转接镜出瞳与所述光学系统的入瞳对接，且不会因它过长使系统失对称严重,致使像差难于校正，使成像质量变坏。
条件②设定的目的是能放的下反射镜B。
条件③设定的目的是能放的下三晶片分色棱镜E。
条件④设定的目的是使光学系统的出瞳趋于远心，对于带分色棱镜的光学系统消除色偏差有利。
在本实施例中，为了把进入光学系统的平行光聚焦到其焦点上，同时把由转接组C和变焦组D成的光栏像成在其前面特定的位置上；所述前固定组A包括沿光线入射方向依次设置的双凸正透镜A-1、双凹负透镜A-2和双凸正透镜A-3。
在本实施例中，转接组C将其前焦点和前固定组A的焦点重合，形成入射到变焦组D前的光束是平行光，同时它把变焦组D实际光栏的像(变焦组的入瞳)成在前固定组A焦点后特定的位置上，使前置入瞳距满足与主体显微镜或望远镜出瞳较长相衔接的要求；所述转接组C包括沿光线入射方向依次设置的双凸正透镜C-1、凸凹正透镜C-2、双凹负透镜C-3和双凸正透镜C-4。
在本实施例中，经过前面的光学元件设置，使转接组C和前固定组A组成缩小倍率约2倍的无焦系统，所述变焦组D可选用一般的变倍镜头；所述前变焦组包括沿光线入射方向依次设置的凸凹负透镜D-1、凸凹正透镜D-2，所述后变焦组包括沿光线入射方向依次设置的双凸正透镜D-3、双凹负透镜D-4和双凸正透镜D-5；光栏设置于前变焦组与后变焦组之间。
在本实施例中，所述前固定组的的焦距为f′前＝45～55mm，这里我们选取最佳焦距f′前＝53.352mm，相对孔径D/f'＝1:6，最大视场角2ω＝9.19°～11.23°，这里我们选取最佳视场角2ω＝10.9°,后截距l′前＝20～23mm，这里我们选取最佳后截距l′前＝21.81mm，它的入瞳距Lp1＝70mm；所述转接组C的焦距为f′中＝20～28mm，这里我们选取最佳焦距f′中＝25.09mm，相对孔径D/f'＝1:6，最大视场角2ω＝18.2°～25.5°，这里我们选取最佳视场角2ω＝22.9°,后截距l′中＝12～16mm，这里我们选取最佳后截距l′中＝14.8mm，它的出瞳距能将入瞳像成在前固定组第一面-70mm的位置上；所述变焦组D的焦距约为f′变＝16.5～30mm，相对孔径D/f'＝1:4～1:6.8，像面大小Φ6mm,后截距l′变＝24.4～33.7mm；这样的组合能满足转接镜的实际要求，即：镜头的合焦距f′合＝35～64mm，D/f'＝1:4～1:6.8,像面大小Φ6mm。
在本实施例中，为了安装所需的光学元件；所述转接镜头的机械系统包括用于安装前固定组A的前镜座4，所述前固定组A通过前镜筒3安装在前镜座4内，前镜座4的前端设置有用于固定前固定组A的前压圈1。
在本实施例中，为了安装所需的光学元件；所述转接镜头的机械系统还包括用于安装转接组C和前变焦组的后镜座5，前镜座4的中轴线与后镜座5的中轴线垂直并且两者螺接固定，所述后镜座5上设置有手轮7，后镜座5上通过紧固螺钉8固定安装有位于手轮7外侧的后固定盖9。
在本实施例中，为了实现旋转手轮7能调节变焦组D的焦距；所述后镜座5内设置有可相对后镜座5轴向移动的后镜筒11，后变焦组安装在后镜筒11内，所述后镜筒11上设置有调节螺钉10，所述手轮7上开设有螺旋槽6，调节螺钉10的头部嵌合于螺旋槽6内，调节螺钉10的尾部与后镜筒11固定连接，旋转手轮7时带动调节螺钉10在螺旋槽6内移动进而调节焦距。
在本实施例中，图4(a)-图6(c)为本发明在不同波长下的几何像差曲线图，图7(a)-图7(c)为本发明在不同视场下的MTF图，其中，图4(a)为本发明焦距f′合为35mm时球差曲线图；图4(b)为本发明焦距f′合为35mm时象散曲线图；图4(c)为本发明焦距f′合为35mm时倍率色差曲线图；图5(a)为本发明焦距f′合为51mm时球差曲线图；图5(b)为本发明焦距f′合为51mm时象散曲线图；图5(c)为本发明焦距f′合为51mm时倍率色差曲线图；图6(a)为本发明焦距f′合为64mm时球差曲线图；图6(b)为本发明焦距f′合为64mm时象散曲线图；图6(c)为本发明焦距f′合为64mm时倍率色差曲线图；图7(a)为本发明焦距f′合为35mm时的MTF图；图7(b)为本发明焦距f′合为51mm时的MTF图；图7(c)为本发明焦距f′合为64mm时的MTF图。
本发明采用二次成像变焦方式，使前置入瞳距满足与主体显微镜或望远镜较长出瞳相衔接的要求,采用连续变焦结构，操作者只需要调节一个手轮7就能调整到需要的图像大小，而且整个变倍过程图像都始终清晰，也可以将细节放大，以便看清被观察物的细节；同时利用前固定组有较长的后截距，加上中间转接组的后截距，可以有空间加入反射镜实现消除主体反射镜的镜像效应；并且光学系统有较长后截距，可以用于加装分色棱镜的三基色视频摄像系统，以提高高清彩色图像的质量。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种前置光栏高清变焦视频摄像转接镜头，其特征在于：包括光学系统，所述光学系统包括沿光线入射方向依次设置的前固定组A、转接组C、光栏以及变焦组D，所述变焦组D由前变焦组和后变焦组构成，所述前固定组A位于光轴线一上，所述转接组C、光栏和变焦组D位于光轴线二上，光轴线一和光轴线二相互垂直且两者的交点处设置有与两光轴均呈45°角的反射镜B，所述变焦组D的后端还设有分色棱镜E，所述光学系统的合焦距f`合＝35～64mm，相对孔径D/f`＝1:4～1:6.8,像面大小Φ为6mm，所述光学系统满足以下光学条件：
50<Lp1<75(mm)………………①
d7+d8>32mm………………②
l`f>18mm………………③
2.4＜︱Lp变/f′变︱………………④
其中，Lp1为所述前固定组A的入瞳距，d7为前固定组A后端中心到反射镜B中心的空气间距，d8为反射镜B中心到转接组C前端中心的空气间距，l`f为所述光学系统的后截距，Lp变为变焦组D的入瞳距，f′变为变焦组D的焦距。
2.根据权利要求1所述的前置光栏高清变焦视频摄像转接镜头，其特征在于：所述前固定组A包括沿光线入射方向依次设置的双凸正透镜A-1、双凹负透镜A-2和双凸正透镜A-3。
3.根据权利要求1所述的前置光栏高清变焦视频摄像转接镜头，其特征在于：所述转接组C包括沿光线入射方向依次设置的双凸正透镜C-1、凸凹正透镜C-2、双凹负透镜C-3和双凸正透镜C-4。
4.根据权利要求1所述的前置光栏高清变焦视频摄像转接镜头，其特征在于：所述前变焦组包括沿光线入射方向依次设置的凸凹负透镜D-1、凸凹正透镜D-2，所述后变焦组包括沿光线入射方向依次设置的双凸正透镜D-3、双凹负透镜D-4和双凸正透镜D-5，光栏设置于前变焦组与后变焦组之间。
5.根据权利要求1所述的前置光栏高清变焦视频摄像转接镜头，其特征在于：所述前固定组A的的焦距为f′前＝45～55mm，相对孔径D/f'＝1:6，最大视场角2ω＝9.19°～11.23°,后截距l′前＝20～23mm，所述前固定组A的入瞳距Lp1＝68～73mm。
6.根据权利要求1所述的前置光栏高清变焦视频摄像转接镜头，其特征在于：所述转接组C的焦距为f′中＝20～28mm，相对孔径D/f'＝1:6，最大视场角2ω＝18.2°～25.5°,后截距l′中＝12～16mm。
7.根据权利要求1所述的前置光栏高清变焦视频摄像转接镜头，其特征在于：所述变焦组D的焦距为f′变＝16.5～30mm，相对孔径D/f'＝1:4～1:6.8，像面大小为Φ6mm,后截距l′变＝24.4～33.7mm。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的前置光栏高清变焦视频摄像转接镜头，其特征在于：所述转接镜头还包括机械系统，所述机械系统包括用于安装前固定组A的前镜座(4)，所述前固定组A通过前镜筒(3)安装在前镜座(4)内，前镜座(4)的前端设置有用于固定前固定组A的前压圈(1)。
9.根据权利要求8所述的前置光栏高清变焦视频摄像转接镜头，其特征在于：所述转接镜头的机械系统还包括用于安装转接组C和前变焦组的后镜座(5)，前镜座(4)的中轴线与后镜座(5)的中轴线垂直并且两者螺接固定，所述后镜座(5)上设置有手轮(7)，后镜座(5)上通过紧固螺钉(8)固定安装有位于手轮(7)外侧的后固定盖(9)。
10.根据权利要求9所述的前置光栏高清变焦视频摄像转接镜头，其特征在于：所述后镜座(5)内设置有可相对后镜座(5)轴向移动的后镜筒(11)，所述后变焦组安装在后镜筒(11)内，所述后镜筒(11)上设置有调节螺钉(10)，所述手轮(7)上开设有螺旋槽(6)，调节螺钉(10)的头部嵌合于螺旋槽(6)内，调节螺钉(10)的尾部与后镜筒(11)固定连接，旋转手轮(7)时带动调节螺钉(10)在螺旋槽(6)内移动进而调节焦距。
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