CN106154520B - 中波红外转台光学镜头及其控制方法 - Google Patents

中波红外转台光学镜头及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种中波红外转台光学镜头及其控制方法，所述镜头的光学系统中沿光线入射方向依次设有前固定组镜片、变倍组镜片、补偿组镜片和后固定组镜片；位于后固定组镜片的后方倾斜放置有用于光路转折的第一反射镜，位于第一反射镜的上方设置有第一正透镜和负透镜，负透镜的上方倾斜放置用于光路转折的第二反射镜，第二反射镜的前方放置有第二正透镜。该中波红外转台光学镜头具有高成像质量、高透过率、重量轻、变倍补偿行程短等优点；实现了小巧、紧凑的外形结构；减小了镜片生产加工难度与成本。

Description

中波红外转台光学镜头及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种中波红外转台光学镜头及其控制方法，属于光学技术领域。
背景技术
近些年以来，红外成像技术的应用领域有了长足的发展，在前视侦查、观瞄设备、搜索与跟踪系统及民用安防系统有着广阔的应用前景。在许多特殊场合中，传统的双视场乃至三视场变焦镜头已不能满足应用需求，越来越多的领域对红外连续变焦距镜头的需求日益增强，同时对镜头在变焦过程中像面的稳定性、生产加工成本、外形结构尺寸等提出更高的要求。目前现有的中波红外连续变焦距镜头长度偏长，生产加工难度大且价格昂贵，变焦过程中像面漂移及抖动较为严重，影响镜头对红外目标的搜索和探测能力，限制了中波红外连续变焦距镜头的应用范围。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种重量轻、结构紧凑的中波红外转台光学镜头及其控制方法，具有高透过率和高分辨率。
本发明采用以下方案实现：一种中波红外转台光学镜头，所述镜头的光学系统中沿光线入射方向依次设有前固定组镜片、变倍组镜片、补偿组镜片和后固定组镜片；位于后固定组镜片的后方倾斜放置有用于光路转折的第一反射镜，位于第一反射镜的上方设置有第一正透镜和负透镜，负透镜的上方倾斜放置用于光路转折的第二反射镜，第二反射镜的前方放置有第二正透镜。
进一步的，所述前固定组镜片与变倍组镜片之间的空气间隔为13.0~31.72mm；所述变倍组镜片与补偿组镜片之间的空气间隔15.6~51.3mm；补偿组镜片与后固定组镜片之间的空气间隔为7.0~23.9mm：后固定组镜片与第一反射镜之间的空气间隔为95.4mm；第一反射镜和第一正透镜之间的空气间隔为19.0mm；第一正透镜和负透镜之间的空气间隔为2.0mm；负透镜和第二反射镜之间的空气间隔为39.4mm；第二反射镜和第二正透镜之间的空气间隔为18.0mm。
进一步的，所述第一反射镜与光线入射方向的夹角为45°，所述第二反射镜与光线入射方向的夹角为135°。
进一步的，所述前固定组镜片包括镜片A,所述变倍组镜片包括镜片B，所述补偿组镜片包括镜片C，所述后固定组镜片包括镜片D；镜片A、镜片B、镜片C、镜片D、第一正透镜、负透镜和第二正透镜的材料依次为硅、硅、锗、硅、锗、硅和锗。
进一步的，所述后固定组镜片可前后移动，并且移动量为±1.5mm。
进一步的，所述镜头机械结构包括主镜筒，主镜筒前端内部套设有用以安装镜片A的前组镜座，主镜筒中部具有用以安装镜片B并可前后移动的变倍移动座，主镜筒后端具有用以安装镜片C并可前后移动的补偿移动座；主镜筒后端连接有后镜筒，后镜筒内套设有可前后移动的聚焦镜筒，聚焦镜筒内套设用以安装镜片D的聚焦镜座；后镜筒的后端连接有第一转折镜座，第一转折镜座后端倾斜安装有用以安装第一反射镜的第一反射镜镜座，第一转折镜座的后端上部设有用以安装第一正透镜和负透镜的第一后组镜座；第一转折镜座后端上方连接有第二转折镜座，第二转折镜座后端倾斜安装有用以安装第二反射镜的第二反射镜镜座，第二转折镜座前端具有用以安装第二正透镜的第二后组镜座，第二转折镜座前侧还设置有红外探测器，红外探测器与第二正透镜之间还隔设有挡板。
进一步的，所述主镜筒内设有用以变倍移动座和补偿移动座移动导向的导轴，所述变倍移动座和补偿移动座分别经变倍导套和补偿导套与导轴滑动配合；所述主镜筒上还外套有变倍凸轮，所述变倍凸轮通过变倍导钉和补偿导钉分别带动变倍导套和补偿导套沿轴向前后移动；位于主镜筒旁侧设置有变倍微动开关以及与变倍凸轮通过齿啮合传动的变倍电机和变倍电位器。
进一步的，所述后镜筒上外套有聚焦凸轮，后镜筒旁侧设置有聚焦限位钉、聚焦微动开关以及与聚焦凸轮通过齿啮合传动的聚焦电机，聚焦凸轮通过聚焦导钉带动聚焦镜筒前后移动，所述聚焦导钉为两个并且对称设置，两聚焦导钉分别穿过聚焦凸轮上的两线性斜槽及后镜筒上对称设置的两直槽后旋接于聚焦镜筒上。
进一步的，位于第二转折镜座后端安装有挡板座，所述挡板通过挡板轴铰接于挡板座上，所述挡板座上还设置有挡板微动开关及与挡板通过齿啮合传动的挡板电机。
一种中波红外转台光学镜头的其控制方法，采用如上所述的中波红外转台光学镜头，控制变倍电机转动，进而通过变倍导钉和补偿导钉将变倍凸轮的旋转运动转换为变倍移动座和补偿移动座的轴向移动，从而实现镜头焦距的连续变化，完成变焦过程；控制聚焦电机转动，通过聚焦导钉和将聚焦凸轮的旋转运动转换为聚焦镜筒的轴向移动，从而实现镜头的聚焦功能；控制挡板电机转动，通过挡板转动切换实现探测器的校正功能。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）该光学系统通过合理分配光焦度，共采用三个非球面校正像差，系统仅使用七片镜片，使镜头具有高成像质量、高透过率、重量轻、变倍补偿行程短等优点；
（2）采用两个反射镜折转光路，实现了小巧、紧凑的外形结构；
（3）在光学设计过程中，通过控制镜片半径R值，减小了镜片生产加工难度与成本；
（4）通过调节系统后固定组镜片，即可实现高低温远近距补偿，来保证镜头在高低温环境和不同物距下的成像质量优良；
（5）在光学设计过程中，通过优化凸轮曲线，有效的控制了变焦过程的像面漂移与抖动，使得在整个焦距段都有优良的成像质量；
（6）具有电动连续变焦、电动聚焦、电动探测器校正机构以及焦距预置等功能，可实现控制的自动化，在保证结构紧凑的前提下，采取了一系列措施，提高了镜头耐振动、冲击的能力。
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例的光学系统示意图；
图2是本发明实施例的机械结构剖视图；
图3是本发明实施例的机械结构立体图；
图4是本发明实施例中变焦组件剖视图；
图5是图4的右视图；
图6是本发明实施例中聚焦组件剖视图；
图7是图6的右视图；
图8是本发明实施例中挡板切换组件剖视图；
图中标号说明： 2-1.变焦组件，2-2.聚焦组件，2-3.挡板切换组件；
4-1.前组镜座压圈，4-2.前组压圈，4-3.前组镜座，4-4.镜片A，4-5.镜片B，4-6.变倍压圈，4-7.变倍镜座，4-8.变倍锁紧圈，4-9.变倍移动座，4-10.导杆压板，4-11.主镜筒，4-12.变倍导钉，4-13.变倍磙子，4-14.变倍导环，4-15.变倍导套，4-16.导轴，4-17.补偿导套，4-18.补偿移动座，4-19.补偿压圈，4-20.镜片C，4-21.变倍凸轮，4-22钢珠.，4-23.凸轮压圈，4-24.变倍电机架，4-25.变倍电机，4-26.变倍电位器，4-27.变倍电位器架，4-28.变倍电位器齿轮，4-29.变倍电机齿轮，4-30.变倍限位钉，4-31.变倍微动开关，4-32.变倍微动开关架；
5-1.聚焦镜座，5-2.聚焦压圈，5-3.镜片D，5-4.聚焦镜筒，5-5.聚焦导钉，5-6.聚焦磙子，5-7.聚焦导环，5-8. 聚焦磙子，5-9.后镜筒，5-10.聚焦凸轮，5-11.聚焦凸轮压圈，5-12.第一转折镜座，5-13.第一后组镜座，5-14.负透镜，5-15.第一正透镜，5-16.第一后组压圈，5-17.后组隔圈，5-18.第一反射镜，5-19.第一反射镜压圈，5-20.第一反射镜镜座，5-21.聚焦电机，5-22.聚焦电机架，5-23.聚焦电机齿轮，5-24.聚焦限位钉，5-25.聚焦微动开关，5-26.聚焦微动开关架；
6-1.探测器架，6-2.探测器移动板，6-3.红外探测器，6-4.探测器辅助支架，6-5.挡板微动开关，6-6.挡板，6-7.挡板轴，6-8.挡板座，6-9.第二后组压圈，6-10.第二后组镜座，6-11.第二转折镜座，6-12.第二正透镜，6-13.第二反射镜，6-14.第二反射镜镜座，6-15.第二反射镜压圈，6-16.挡板过轮轴，6-17.挡板过轮，6-18.挡板电机齿轮，6-19.挡板座盖，6-20.挡板电机架，6-21.挡板电机。
具体实施方式
如图1~8所示，一种中波红外转台光学镜头，所述镜头的光学系统中沿光线入射方向依次设有前固定组镜片、变倍组镜片、补偿组镜片和后固定组镜片；位于后固定组镜片的后方倾斜放置有用于光路转折的第一反射镜5-18，位于第一反射镜5-18的上方设置有第一正透镜5-15和负透镜5-14，负透镜5-14.的上方倾斜放置用于光路转折的第二反射镜6-13，第二反射镜6-13的前方放置有第二正透镜6-12。
在本实施例中，所述前固定组镜片与变倍组镜片之间的空气间隔为13.0~31.72mm；所述变倍组镜片与补偿组镜片之间的空气间隔15.6~51.3mm；补偿组镜片与后固定组镜片之间的空气间隔为7.0~23.9mm：后固定组镜片与第一反射镜之间的空气间隔为95.4mm；第一反射镜和第一正透镜之间的空气间隔为19.0mm；第一正透镜和负透镜之间的空气间隔为2.0mm；负透镜和第二反射镜之间的空气间隔为39.4mm；第二反射镜和第二正透镜之间的空气间隔为18.0mm。
在本实施例中，所述第一反射镜与光线入射方向的夹角为45°，所述第二反射镜与光线入射方向的夹角为135°。
在本实施例中，所述前固定组镜片包括镜片A,所述变倍组镜片包括镜片B，所述补偿组镜片包括镜片C，所述后固定组镜片包括镜片D；镜片A、镜片B、镜片C、镜片D、第一正透镜、负透镜和第二正透镜的材料依次为硅、硅、锗、硅、锗、硅和锗。
在本实施例中，所述后固定组镜片可前后移动以实现高低温和远近距的补偿，并且移动量为±1.5mm。
由上述镜片组构成的光学系统达到了如下的光学指标：
（1）焦距：20mm~130mm；
（2）视场角：2ω=34.2°～5.4°；
（3）探测器：中波红外制冷型320×256，30μm；
（4）相对孔径：1∶2.0；
（5）适用光谱范围：3.2～4.8um；
（6）折叠后光学体积：209.9mm×67.4mm×125mm（长×宽×高）。
本镜头光学系统通过合理分配光焦度，共采用三个非球面校正像差，系统仅使用七片镜片，使镜头具有高成像质量、高透过率、重量轻、变倍补偿行程短等优点；采用两个反射镜折转光路，实现了小巧、紧凑的外形结构；在光学设计过程中，通过控制镜片半径R值，减小了镜片生产加工难度与成本；通过调节系统后固定组镜片，即可实现高低温远近距补偿，来保证镜头在高低温环境和不同物距下的成像质量优良；在光学设计过程中，通过优化凸轮曲线，有效的控制了变焦过程的像面漂移与抖动，使得在整个焦距段都有优良的成像质量。
在本实施例中，所述镜头机械结构包括主镜筒4-11，主镜筒4-11前端内部套设有用以安装镜片A的前组镜座4-3，主镜筒4-11中部具有用以安装镜片B并可前后移动的变倍移动座4-9，主镜筒后端具有用以安装镜片C并可前后移动的补偿移动座4-18；主镜筒4-11后端连接有后镜筒5-9，后镜筒5-9内套设有可前后移动的聚焦镜筒5-4，聚焦镜筒5-4内套设用以安装镜片D的聚焦镜座5-1；后镜筒5-9的后端连接有第一转折镜座5-12，第一转折镜座5-12后端倾斜安装有用以安装第一反射镜的第一反射镜镜座5-20，第一转折镜座5-12的后端上部设有用以安装第一正透镜和负透镜的第一后组镜座5-13，第一后组镜座5-13与第一转折镜座5-12之间通过螺纹连接；第一转折镜座5-12后端上方连接有第二转折镜座6-11，第二转折镜座6-11后端倾斜安装有用以安装第二反射镜的第二反射镜镜座6-14，第二转折镜座6-11前端具有用以安装第二正透镜的第二后组镜座6-10，第二后组镜座6-10与第二转折镜座6-11之间也是通过螺纹连接；第二转折镜座6-11前侧还设置有红外探测器6-3，红外探测器6-3与第二正透镜之间还隔设有挡板6-6。
在本实施例中，所述主镜筒4-11内设有用以变倍移动座4-9和补偿移动座4-18移动导向的导轴4-16，所述变倍移动座和补偿移动座分别经变倍导套4-15和补偿导套4-17与导轴滑4-16动配合；所述主镜筒4-11上还外套有变倍凸轮4-21，所述变倍凸轮4-21通过变倍导钉4-12和补偿导钉分别带动变倍导套和补偿导套沿轴向前后移动；位于主镜筒4-11旁侧设置有变倍微动开关4-31以及与变倍凸轮4-21通过齿啮合传动的变倍电机4-25和变倍电位器4-26；当变倍电机4-25的工作时，通过变倍电机齿轮4-29带动变倍凸轮4-21转动，再通过导钉将变倍凸轮4-21的旋转运动转换为变倍移动座和补偿移动座的轴向移动，从而实现镜头焦距的连续变化，完成变焦过程；同时，所述变倍电机齿轮4-29带动变倍电位器齿轮4-28转动，从而使变倍电位器4-26的阻值发生改变，由此，焦距和变倍电位器4-26阻值之间形成一对一的关系，通过这种传感器方式可以实现焦距的预置功能。
在本实施例中，所述变倍凸轮4-21通过钢珠4-22安置在主镜筒4-11外围并用凸轮压圈4-23压紧，形成滚动轴承结构，把变倍凸轮4-21旋转时的滑动摩擦转变为滚动摩擦，以减少变倍凸轮4-21运动时的摩擦力；所述变倍凸轮4-21按光学变焦运动规律的要求加工两条分别与变倍导钉和补偿导钉配合的变倍曲线槽和补偿曲线槽。
在本实施例中，所述后镜筒5-9上外套有聚焦凸轮5-10，后镜筒5-9旁侧设置有聚焦限位钉5-24、聚焦微动开关5-25以及与聚焦凸轮5-10通过齿啮合传动的聚焦电机5-21，聚焦凸轮5-10通过聚焦导钉5-10带动聚焦镜筒前后移动，所述聚焦导钉为两个并且对称设置，两聚焦导钉5-10分别穿过聚焦凸轮上的两线性斜槽及后镜筒上对称设置的两直槽后旋接于聚焦镜筒上；当聚焦电机5-21工作时，聚焦电机齿轮5-23带动聚焦凸轮5-10旋转，通过聚焦导钉将聚焦凸轮5-10的旋转运动转换为聚焦组件的轴向移动，从而实现镜头的聚焦功能。
在本实施例中，位于第二转折镜座6-11后端安装有挡板座6-8，所述挡板6-6通过挡板轴6-8铰接于挡板座6-8上，所述挡板座6-8上还设置有挡板微动开关6-5及与挡板通过齿啮合传动的挡板电机6-21；当挡板电机6-21工作时，挡板电机齿轮6-18带动挡板6-6旋转，从而起到挡板切换作用，实现探测器的校正功能。
本镜头具有电动连续变焦、电动聚焦、电动探测器校正机构以及焦距预置等功能，可实现控制的自动化，在保证结构紧凑的前提下，采取了一系列措施，提高了镜头耐振动、冲击的能力。
一种中波红外转台光学镜头的其控制方法，采用如上所述的中波红外转台光学镜头，控制变倍电机转动，进而通过变倍导钉和补偿导钉将变倍凸轮的旋转运动转换为变倍移动座和补偿移动座的轴向移动，从而实现镜头焦距的连续变化，完成变焦过程；控制聚焦电机转动，通过聚焦导钉和将聚焦凸轮的旋转运动转换为聚焦镜筒的轴向移动，从而实现镜头的聚焦功能；控制挡板电机转动，通过挡板转动切换实现探测器的校正功能。
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 (8)

1.一种中波红外转台光学镜头，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前固定组镜片、变倍组镜片、补偿组镜片和后固定组镜片；位于后固定组镜片的后方倾斜放置有用于光路转折的第一反射镜，位于第一反射镜的上方设置有第一正透镜和负透镜，负透镜的上方倾斜放置用于光路转折的第二反射镜，第二反射镜的前方放置有第二正透镜；所述前固定组镜片与变倍组镜片之间的空气间隔为13.0~31.72mm；所述变倍组镜片与补偿组镜片之间的空气间隔15.6~51.3mm；补偿组镜片与后固定组镜片之间的空气间隔为7.0~23.9mm：后固定组镜片与第一反射镜之间的空气间隔为95.4mm；第一反射镜和第一正透镜之间的空气间隔为19.0mm；第一正透镜和负透镜之间的空气间隔为2.0mm；负透镜和第二反射镜之间的空气间隔为39.4mm；第二反射镜和第二正透镜之间的空气间隔为18.0mm；所述前固定组镜片包括镜片A,所述变倍组镜片包括镜片B，所述补偿组镜片包括镜片C，所述后固定组镜片包括镜片D；镜片A、镜片B、镜片C、镜片D、第一正透镜、负透镜和第二正透镜的材料依次为硅、硅、锗、硅、锗、硅和锗。
2.根据权利要求1所述的中波红外转台光学镜头，其特征在于：所述第一反射镜与光线入射方向的夹角为45°，所述第二反射镜与光线入射方向的夹角为135°。
3.根据权利要求1所述的中波红外转台光学镜头，其特征在于：所述后固定组镜片可前后移动，并且移动量为±1.5mm。
4.根据权利要求1所述的中波红外转台光学镜头，其特征在于：所述镜头机械结构包括主镜筒，主镜筒前端内部套设有用以安装镜片A的前组镜座，主镜筒中部具有用以安装镜片B并可前后移动的变倍移动座，主镜筒后端具有用以安装镜片C并可前后移动的补偿移动座；主镜筒后端连接有后镜筒，后镜筒内套设有可前后移动的聚焦镜筒，聚焦镜筒内套设用以安装镜片D的聚焦镜座；后镜筒的后端连接有第一转折镜座，第一转折镜座后端倾斜安装有用以安装第一反射镜的第一反射镜镜座，第一转折镜座的后端上部设有用以安装第一正透镜和负透镜的第一后组镜座；第一转折镜座后端上方连接有第二转折镜座，第二转折镜座后端倾斜安装有用以安装第二反射镜的第二反射镜镜座，第二转折镜座前端具有用以安装第二正透镜的第二后组镜座，第二转折镜座前侧还设置有红外探测器，红外探测器与第二正透镜之间还隔设有挡板。
5.根据权利要求4所述的中波红外转台光学镜头，其特征在于：所述主镜筒内设有用以变倍移动座和补偿移动座移动导向的导轴，所述变倍移动座和补偿移动座分别经变倍导套和补偿导套与导轴滑动配合；所述主镜筒上还外套有变倍凸轮，所述变倍凸轮通过变倍导钉和补偿导钉分别带动变倍导套和补偿导套沿轴向前后移动；位于主镜筒旁侧设置有变倍微动开关以及与变倍凸轮通过齿啮合传动的变倍电机和变倍电位器。
6.根据权利要求5所述的中波红外转台光学镜头，其特征在于：所述后镜筒上外套有聚焦凸轮，后镜筒旁侧设置有聚焦限位钉、聚焦微动开关以及与聚焦凸轮通过齿啮合传动的聚焦电机，聚焦凸轮通过聚焦导钉带动聚焦镜筒前后移动，所述聚焦导钉为两个并且对称设置，两聚焦导钉分别穿过聚焦凸轮上的两线性斜槽及后镜筒上对称设置的两直槽后旋接于聚焦镜筒上。
7.根据权利要求6所述的中波红外转台光学镜头，其特征在于：位于第二转折镜座后端安装有挡板座，所述挡板通过挡板轴铰接于挡板座上，所述挡板座上还设置有挡板微动开关及与挡板通过齿啮合传动的挡板电机。
8.一种中波红外转台光学镜头的其控制方法，其特征在于：采用如权利要求7所述的中波红外转台光学镜头，控制变倍电机转动，进而通过变倍导钉和补偿导钉将变倍凸轮的旋转运动转换为变倍移动座和补偿移动座的轴向移动，从而实现镜头焦距的连续变化，完成变焦过程；控制聚焦电机转动，通过聚焦导钉和将聚焦凸轮的旋转运动转换为聚焦镜筒的轴向移动，从而实现镜头的聚焦功能；控制挡板电机转动，通过挡板转动切换实现探测器的校正功能。
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