CN106054363B - 高变倍比中波红外连续变焦镜头及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高变倍比中波红外连续变焦镜头，包括沿光线入射方向依次设置的前固定组A、变倍组B、补偿组C、后固定组D、反射镜组E以及二次成像组F，所述反射镜组E包含沿光线入射方向依次设置的反射镜E‑1与反射镜E‑2，所述二次成像组F包含沿光线入射方向依次设置的正透镜F‑1、负透镜F‑2以及正透镜F‑3；本发明还涉及一种高变倍比中波红外连续变焦镜头的工作方法。本发明结构设计简单、紧凑，具有高变倍比、变倍补偿行程短、探测距离远特点，合理分配光焦度，采用负组变倍、正组补偿的机械式连续变焦方式，有效地控制了变焦过程中光轴漂移，成像质量优良。
Description
技术领域
本发明涉及一种高变倍比中波红外连续变焦镜头及其工作方法。
背景技术
红外连续变焦光学系统能够探测、定位并连续跟踪目标物体的红外辐射，并通过光电转换、信号处理、图像处理等手段，将目标物体的红外辐射分布图像转换成可见光视频图像。能在一定范围内连续改变系统焦距，在改变视场的同时，像面稳定清晰，不会发生目标丢失的问题，所以可先通过大视场搜索目标，后切换至小视场，精确观察目标，因此其应用需求日益增强，主要包括前视侦查、瞄准系统、搜索与跟踪系统及民用安防系统等。目前常见的高变倍比红外变焦系统多见两档或三档变焦，虽然结构简单易于实现，但是在切换过程中有可能致使目标模糊或丢失。部分连续变焦系统，可实现连续变焦，但变倍比较小，多见3~5倍居多，不能满足大视场、高分辨率的需求。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种高变倍比中波红外连续变焦镜头及其工作方法，不仅结构设计合理，而且成像质量高、空间分辨率高。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种高变倍比中波红外连续变焦镜头，包括沿光线入射方向依次设置的前固定组A、变倍组B、补偿组C、后固定组D、反射镜组E以及二次成像组F，所述反射镜组E包含沿光线入射方向依次设置的反射镜E-1与反射镜E-2，所述二次成像组F包含沿光线入射方向依次设置的正透镜F-1、负透镜F-2以及正透镜F-3。
优选的，所述前固定组A与变倍组B之间的空气间隔为45.7~96.5mm，所述变倍组B与补偿组C之间的空气间隔为17.6~91.4mm，所述补偿组C与后固定组D之间的空气间隔为7.5~30.6mm，所述后固定组D与反射镜组E之间的空气间隔为68.5mm，所述反射镜组E与二次成像组F之间的空气间隔为17mm，所述反射镜组E中的反射镜E-1与反射镜E-2之间的空气间隔为75mm，所述二次成像组F中的正透镜F-1与负透镜F-2之间的空气间隔为8.2mm，所述二次成像组F中的负透镜F-2与正透镜F-3之间的空气间隔为1.5mm。
优选的，所述前固定组A包含正透镜A、用以安装正透镜A的前镜筒以及正透镜A压圈，所述正透镜A压圈将正透镜A安装在前镜筒内。
优选的，所述变倍组B包含负透镜B、用以安装负透镜B的变倍镜筒以及负透镜B压圈，所述负透镜B压圈将负透镜B安装在变倍镜筒内，所述变倍镜筒外套设有与其螺纹连接的变倍滑架，所述补偿组C包含正透镜C、用以安装正透镜C的补偿镜筒以及正透镜C压圈，所述正透镜C压圈将正透镜C安装在补偿镜筒内，所述补偿镜筒外套设有与其螺纹连接的补偿滑架，所述变倍滑架与补偿滑架均安装在主镜筒内并均与其滑动配合，所述主镜筒上经变倍补偿电机支架安装有变倍补偿电机以及电位器，所述主镜筒经前排精密钢球、后排精密钢球以及变倍补偿凸轮压圈安装有变倍补偿凸轮，所述前排精密钢球、后排精密钢球、凸轮压圈以及变倍补偿凸轮形成滚动轴承结构，所述变倍补偿凸轮上均匀分布有三条变倍补偿曲线槽，所述变倍组B经变倍导钉、补偿组C经补偿导钉分别与变倍补偿凸轮相连接，所述变倍补偿电机的齿轮分别与电位器的齿轮和变倍补偿凸轮的齿轮相啮合，当所述变倍补偿电机的转子作正负旋转运动时，使所述电位器的转子与变倍补偿凸轮同步转动，在所述变倍补偿曲线槽的作用下，所述变倍组B与补偿组C均做前后直线运动。
优选的，所述后固定组D包含负透镜D、用以安装负透镜D的调焦镜筒以及负透镜D压圈，所述负透镜D压圈将负透镜D安装在调焦镜筒内，所述调焦镜筒外套设有与其螺纹连接的调焦筒，所述调焦筒外套设有与其经调焦导钉连接的调焦座，所述调焦座上经调焦限位支架安装有调焦限位开关，所述调焦座上经调焦电机支架安装有调焦电机，所述调焦座上经前排精密钢球、后排精密钢球以及凸轮压圈安装有调焦凸轮，所述前排精密钢球、后排精密钢球、调焦凸轮压圈以及调焦凸轮形成滚动轴承结构，所述调焦凸轮上分布有两条呈180 º的直线斜槽，所述调焦电机的齿轮与调焦凸轮上的齿轮相啮合，所述调焦电机加电旋转从而带动调焦凸轮旋转，在所述直线斜槽的作用下，所述后固定组D做前后直线运动。
优选的，所述反射镜E-1经反射镜E-1压圈安装在反射镜E-1镜筒内，所述反射镜E-2经反射镜E-2压圈安装在反射镜E-2镜筒内。
优选的，所述正透镜F-1经正透镜F-1压圈安装在二次成像座上，所述负透镜F-2经负透镜F-2压圈安装在二次成像座上，所述正透镜F-3经二次成像座安装在快门补偿座内，所述二次成像组F还包含探测器矫正电机组件，所述探测器矫正电机组件的电机与快门补偿挡板经齿轮相互啮合。
优选的，所述正透镜A与负透镜B采用高折射率的锗材料，所述正透镜C采用低色散的硅材料。
优选的，还包括热像仪架与探测筒。
一种高变倍比中波红外连续变焦镜头的工作方法，如上述的任一种高变倍比中波红外连续变焦镜头，包含以下步骤：
1、光线顺序进入前固定组A、变倍组B、补偿组C、后固定组D、反射镜组E以及二次成像组F；
2、通过控制变倍补偿电机或调焦电机实现整个系统焦距连续可变。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明合理分配各组的光焦度，在前固定组A、变倍组B、补偿组C、后固定组D及二次成像组F中，共采用五个非球面校正像差，使镜头达到高成像质量、结构紧凑、变倍补偿行程短等优点；
（2）本发明通过后固定组D移动实现温度补偿和远近距补偿，来保证镜头在高温和低温环境下的使用要求；
（3）本发明通过优化调整系统的冷反射像，使镜面反射“鬼像”及冷反射“黑斑”远离探测器像面；
（4）本发明通过两片反射镜将系统折叠，使得系统体积小巧紧凑；
（5）本发明通过对凸轮曲线的优化设计，有效地控制了变焦过程中的光轴漂移，在全焦距段范围内成像质量优良；
（6）本发明的凸轮与镜座间都采用精密钢珠配合，形成滚动轴承结构，减少变焦、聚焦的阻力；
（7）本发明结构设计简单、合理、紧凑，采用变倍滑架、补偿滑架结构，耐振动、耐冲击，稳定性好；
（8）本发明中的变倍补偿凸轮的三个周向均布曲线槽进行变倍补偿，提高镜头的耐振性和稳定性。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
附图说明
图1为本发明实施例的光学系统示意图。
图2为本发明实施例的内部构造示意图。
图3为本发明实施例的图2的局部构造示意图。
图4为本发明实施例的外部构造示意图。
图5为本发明实施例变倍凸轮的第一构造示意图。
图6为本发明实施例变倍凸轮的第二构造示意图。
图中：1-正透镜A，2-前镜筒，3-正透镜A压圈，4-负透镜B，5-变倍镜筒，6-负透镜B压圈，7-变倍滑架，8-正透镜C，9-补偿镜筒，10-正透镜C压圈，11-补偿滑架，12-主镜筒，13-变倍补偿电机，14-电位器，15-变倍补偿凸轮压圈，16-变倍补偿凸轮，17-变倍导钉，18-补偿导钉，19-负透镜D，20-调焦镜筒，21-负透镜D压圈，22-调焦筒，23-调焦导钉，24-调焦座，25-调焦电机，26-调焦凸轮压圈，27-调焦凸轮，28-反射镜E-1，29-反射镜E-1压圈，30-反射镜E-1镜筒，31-反射镜E-2，32-反射镜E-2压圈，33-反射镜E-2镜筒，34-正透镜F-1，35-正透镜F-1压圈，36-二次成像座，37-负透镜F-2，38-负透镜F-2压圈，39-正透镜F-3，40-快门补偿座，41-探测器矫正电机组件，42-快门补偿挡板，43-热像仪架，44-探测筒，45-变倍限位组件，46-调焦限位组件。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。
如图1~6所示，一种高变倍比中波红外连续变焦镜头，包括沿光线入射方向依次设置的前固定组A、变倍组B、补偿组C、后固定组D、反射镜组E以及二次成像组F，所述反射镜组E包含沿光线入射方向依次设置的反射镜E-1（28）与反射镜E-2（31），所述二次成像组F包含沿光线入射方向依次设置的正透镜F-1（34）、负透镜F-2（37）以及正透镜F-3（39）。
在本发明实施例中，所述前固定组A与变倍组B之间的空气间隔为45.7~96.5mm，所述变倍组B与补偿组C之间的空气间隔为17.6~91.4mm，所述补偿组C与后固定组D之间的空气间隔为7.5~30.6mm，所述后固定组D与反射镜组E之间的空气间隔为68.5mm，所述反射镜组E与二次成像组F之间的空气间隔为17mm，所述反射镜组E中的反射镜E-1（28）与反射镜E-2（31）之间的空气间隔为75mm，所述二次成像组F中的正透镜F-1（34）与负透镜F-2（37）之间的空气间隔为8.2mm，所述二次成像组F中的负透镜F-2（37）与正透镜F-3（39）之间的空气间隔为1.5mm。
在本发明实施例中，所述前固定组A包含正透镜A（1）、用以安装正透镜A（1）的前镜筒2以及正透镜A压圈3，所述正透镜A压圈3将正透镜A（1）安装在前镜筒2内。
在本发明实施例中，所述变倍组B包含负透镜B（4）、用以安装负透镜B（4）的变倍镜筒5以及负透镜B压圈6，所述负透镜B压圈6将负透镜B（4）安装在变倍镜筒5内，所述变倍镜筒5外套设有与其螺纹连接的变倍滑架7，所述补偿组C包含正透镜C（8）、用以安装正透镜C（8）的补偿镜筒9以及正透镜C压圈10，所述正透镜C压圈10将正透镜C（8）安装在补偿镜筒9内，所述补偿镜筒9外套设有与其螺纹连接的补偿滑架11，所述变倍滑架7与补偿滑架11均安装在主镜筒12内并均与其滑动配合，所述主镜筒12上经变倍补偿电机支架安装有变倍补偿电机13以及电位器14，所述主镜筒12经前排精密钢球、后排精密钢球以及变倍补偿凸轮压圈15安装有变倍补偿凸轮16，所述前排精密钢球、后排精密钢球、凸轮压圈以及变倍补偿凸轮16形成滚动轴承结构，所述变倍补偿凸轮16上均匀分布有三条变倍补偿曲线槽，所述变倍组B经变倍导钉17、补偿组C经补偿导钉18分别与变倍补偿凸轮16相连接，所述变倍补偿电机13的齿轮分别与电位器14的齿轮和变倍补偿凸轮16的齿轮相啮合，当所述变倍补偿电机13的转子作正负旋转运动时，使所述电位器14的转子与变倍补偿凸轮16同步转动，在所述变倍补偿曲线槽的作用下，所述变倍组B与补偿组C均做前后直线运动。
在本发明实施例中，所述后固定组D包含负透镜D（19）、用以安装负透镜D（19）的调焦镜筒20以及负透镜D压圈21，所述负透镜D压圈21将负透镜D（19）安装在调焦镜筒20内，所述调焦镜筒20外套设有与其螺纹连接的调焦筒22，所述调焦筒22外套设有与其经调焦导钉23连接的调焦座24，所述调焦座24上经调焦限位支架安装有调焦限位开关，所述调焦座24上经调焦电机支架安装有调焦电机25，所述调焦座24上经前排精密钢球、后排精密钢球以及调焦凸轮压圈26安装有调焦凸轮27，所述前排精密钢球、后排精密钢球、调焦凸轮压圈26以及调焦凸轮27形成滚动轴承结构，所述调焦凸轮27上分布有两条呈180 º的直线斜槽，所述调焦电机25的齿轮与调焦凸轮27上的齿轮相啮合，所述调焦电机25加电旋转从而带动调焦凸轮27旋转，在所述直线斜槽的作用下，所述后固定组D做前后直线运动。
在本发明实施例中，所述反射镜E-1（28）经反射镜E-1压圈29安装在反射镜E-1镜筒30内，所述反射镜E-2（31）经反射镜E-2压圈32安装在反射镜E-2镜筒33内。
在本发明实施例中，所述正透镜F-1（34）经正透镜F-1压圈35安装在二次成像座36上，所述负透镜F-2（37）经负透镜F-2压圈38安装在二次成像座36上，所述正透镜F-3（39）经二次成像座36安装在快门补偿座40内，所述二次成像组F还包含探测器矫正电机组件41，所述探测器矫正电机组件41的电机与快门补偿挡板42经齿轮相互啮合。
在本发明实施例中，所述正透镜A（1）与负透镜B（4）采用高折射率的锗材料，所述正透镜C（8）采用低色散的硅材料。
在本发明实施例中，还包括热像仪架43与探测筒44；同时上述各个机械零件之间的连接螺钉均配有标准弹簧垫圈止退，连接螺钉处均点注虫胶，保证零件直接联接的牢靠性，提高镜头整体的耐振动和冲击性能。
在本发明实施例中，还包括变倍限位组件45与调焦限位组件46。
在本发明实施例中，本发明达到了如下的光学指标：
工作波段：3.7μm~4.8μm；
焦距f′：33~500mm；
探测器：中波红外制冷型320×256，30μm；
视场角：16.6°×13.3°~1.1°×0.88°；
相对孔径D/ f′：1/4；
折叠后光学体积：259mm×130mm×159mm（长×宽×高）。
在本发明实施例中，一种高变倍比中波红外连续变焦镜头的工作方法，如上述的任一种高变倍比中波红外连续变焦镜头，包含以下步骤：
1、光线顺序进入前固定组A、变倍组B、补偿组C、后固定组D、反射镜组E以及二次成像组F；
2、通过控制变倍补偿电机13或调焦电机25实现整个系统焦距连续可变。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可以得出其他各种形式的高变倍比中波红外连续变焦镜头及其工作方法。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)
1.一种高变倍比中波红外连续变焦镜头，其特征在于：包括沿光线入射方向依次设置的前固定组A、变倍组B、补偿组C、后固定组D、反射镜组E以及二次成像组F，所述反射镜组E包含沿光线入射方向依次设置的反射镜E-1与反射镜E-2，所述二次成像组F包含沿光线入射方向依次设置的正透镜F-1、负透镜F-2以及正透镜F-3，所述前固定组A与变倍组B之间的空气间隔为45.7~96.5mm，所述变倍组B与补偿组C之间的空气间隔为17.6~91.4mm，所述补偿组C与后固定组D之间的空气间隔为7.5~30.6mm，所述后固定组D与反射镜组E之间的空气间隔为68.5mm，所述反射镜组E与二次成像组F之间的空气间隔为17mm，所述反射镜组E中的反射镜E-1与反射镜E-2之间的空气间隔为75mm，所述二次成像组F中的正透镜F-1与负透镜F-2之间的空气间隔为8.2mm，所述二次成像组F中的负透镜F-2与正透镜F-3之间的空气间隔为1.5mm。
2.根据权利要求1所述的高变倍比中波红外连续变焦镜头，其特征在于：所述前固定组A包含正透镜A、用以安装正透镜A的前镜筒以及正透镜A压圈，所述正透镜A压圈将正透镜A安装在前镜筒内。
3.根据权利要求1所述的高变倍比中波红外连续变焦镜头，其特征在于：所述变倍组B包含负透镜B、用以安装负透镜B的变倍镜筒以及负透镜B压圈，所述负透镜B压圈将负透镜B安装在变倍镜筒内，所述变倍镜筒外套设有与其螺纹连接的变倍滑架，所述补偿组C包含正透镜C、用以安装正透镜C的补偿镜筒以及正透镜C压圈，所述正透镜C压圈将正透镜C安装在补偿镜筒内，所述补偿镜筒外套设有与其螺纹连接的补偿滑架，所述变倍滑架与补偿滑架均安装在主镜筒内并均与其滑动配合，所述主镜筒上经变倍补偿电机支架安装有变倍补偿电机以及电位器，所述主镜筒经前排精密钢球、后排精密钢球以及变倍补偿凸轮压圈安装有变倍补偿凸轮，所述前排精密钢球、后排精密钢球、凸轮压圈以及变倍补偿凸轮形成滚动轴承结构，所述变倍补偿凸轮上均匀分布有三条变倍补偿曲线槽，所述变倍组B经变倍导钉、补偿组C经补偿导钉分别与变倍补偿凸轮相连接，所述变倍补偿电机的齿轮分别与电位器的齿轮和变倍补偿凸轮的齿轮相啮合，当所述变倍补偿电机的转子作正负旋转运动时，使所述电位器的转子与变倍补偿凸轮同步转动，在所述变倍补偿曲线槽的作用下，所述变倍组B与补偿组C均做前后直线运动。
4.根据权利要求1所述的高变倍比中波红外连续变焦镜头，其特征在于：所述后固定组D包含负透镜D、用以安装负透镜D的调焦镜筒以及负透镜D压圈，所述负透镜D压圈将负透镜D安装在调焦镜筒内，所述调焦镜筒外套设有与其螺纹连接的调焦筒，所述调焦筒外套设有与其经调焦导钉连接的调焦座，所述调焦座上经调焦限位支架安装有调焦限位开关，所述调焦座上经调焦电机支架安装有调焦电机，所述调焦座上经前排精密钢球、后排精密钢球以及凸轮压圈安装有调焦凸轮，所述前排精密钢球、后排精密钢球、调焦凸轮压圈以及调焦凸轮形成滚动轴承结构，所述调焦凸轮上分布有两条呈180 º的直线斜槽，所述调焦电机的齿轮与调焦凸轮上的齿轮相啮合，所述调焦电机加电旋转从而带动调焦凸轮旋转，在所述直线斜槽的作用下，所述后固定组D做前后直线运动。
5.根据权利要求1所述的高变倍比中波红外连续变焦镜头，其特征在于：所述反射镜E-1经反射镜E-1压圈安装在反射镜E-1镜筒内，所述反射镜E-2经反射镜E-2压圈安装在反射镜E-2镜筒内。
6.根据权利要求1所述的高变倍比中波红外连续变焦镜头，其特征在于：所述正透镜F-1经正透镜F-1压圈安装在二次成像座上，所述负透镜F-2经负透镜F-2压圈安装在二次成像座上，所述正透镜F-3经二次成像座安装在快门补偿座内，所述二次成像组F还包含探测器矫正电机组件，所述探测器矫正电机组件的电机与快门补偿挡板经齿轮相互啮合。
7.根据权利要求1所述的高变倍比中波红外连续变焦镜头，其特征在于：所述正透镜A与负透镜B采用高折射率的锗材料，所述正透镜C采用低色散的硅材料。
8.根据权利要求1所述的高变倍比中波红外连续变焦镜头，其特征在于：还包括热像仪架与探测筒。
9.一种高变倍比中波红外连续变焦镜头的工作方法，其特征在于，采用如权利要求1~8所述的任一种高变倍比中波红外连续变焦镜头，包含以下步骤：
（1）光线顺序进入前固定组A、变倍组B、补偿组C、后固定组D、反射镜组E以及二次成像组F；
（2）通过控制变倍补偿电机或调焦电机实现整个系统焦距连续可变。
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