CN106443991B - 一种远射型长波红外电动变焦镜头及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种远射型长波红外电动变焦镜头及其工作方法，包括镜框、设置在镜框内的光学系统，所述光学系统包括沿光线射入方向依次设置的前固组镜片A、前变倍组镜片B、补偿组镜片C、后固组镜片D、后变倍组镜片E以及调焦组镜片F；前固组镜片A与前变倍组镜片B之间的空气间隔是13.28～68.4mm；前变倍组镜片B与补偿组镜片C之间的空气间隔是85.78～3.99mm；补偿组镜片C与后固组镜片D之间的空气间隔是3.86～40.48mm；后固组镜片D与后变倍组镜片E之间的空气间隔是10.44mm；后变倍组镜片E与调焦组镜片F之间的空气间隔是55.03mm。本发明结构紧凑、使用方便，实现高分辨率、大相对孔径、低畸变、成像优良等优点。

Description

一种远射型长波红外电动变焦镜头及其工作方法
技术领域：
本发明涉及一种远射型长波红外电动变焦镜头及其工作方法。
背景技术：
随着科学技术的迅猛发展、非制冷探测器技术的不断发展和日益成熟，因长波红外非制冷光学系统有许多优良特点，如被动工作式，不会被地方的电子干扰、隐蔽性好；图像直观，易于观察；精度高等，在军事和民用领域均得到了广发应用。近年来，随着红外光学技术的长远发展及其应用范围的不断扩展，对红外连续变焦光学系统的需求日益增强。红外连续变焦光学系统在一定范围内能够连续改变系统焦距，在改变视场的同时，像面能够保持稳定清晰，不会产生像面飘逸。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种远射型长波红外电动变焦镜头及其工作方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种远射型长波红外电动变焦镜头，包括镜框、设置在镜框内的光学系统，所述光学系统包括沿光线射入方向依次设置的前固组镜片A、前变倍组镜片B、补偿组镜片C、后固组镜片D、后变倍组镜片E以及调焦组镜片F。
进一步的，所述前固组镜片A为正月牙形透镜；所述变倍组镜片B为双凹面透镜；所述补偿组镜片C为双凸面透镜；所述后固组镜片D为正月牙形透镜；所述后变倍组镜片E为负月牙形透镜；所述调焦组镜片F为双凸透镜；所述前固组镜片A与前变倍组镜片B之间的空气间隔是13.28～68.4mm；所述前变倍组镜片B与补偿组镜片C之间的空气间隔是85.78～3.99mm；所述补偿组镜片C与后固组镜片D之间的空气间隔是3.86～40.48mm；所述后固组镜片D与后变倍组镜片E之间的空气间隔是10.44mm；所述后变倍组镜片E与调焦组镜片F之间的空间间隔是55.03mm。
进一步的，所述镜框包括依次连接的前镜座和后镜座，所述前镜座的外侧设有电动变焦机构，所述后镜座的外侧设有电动调焦机构。
进一步的，所述前镜座的前部内壁经由前固组压圈固联有用于安装前固组镜片A的前固组镜座，前固组镜座内套设有用于压住前固组镜片A的第一压圈；前镜座的中部内壁设有与其滑动连接的变倍移动座，所述变倍移动座内经由变倍锁圈固联有用于安装前变倍组镜片B的变倍组镜座，变倍组镜座内套设有用于压住前变倍组镜片B的第二压圈；前镜座的后部内壁设有与其滑动连接的补偿移动座，所述补偿移动座内套设有用于安装补偿组镜片C的补偿组镜座，补偿组镜座内套设有用于压住补偿组镜片C的第三压圈；前镜座的后端与后镜座的前端相连接，后镜座的前端设有用于压住后固组镜片D的第四压圈，后固组镜片D与后变倍组镜片E之间用隔圈定位；所述后镜座的后部内壁设有与其滑动连接的调焦组镜筒，所述调焦组镜筒内套设有用于压住调焦组镜片F的第五压圈。
进一步的，所述电动变焦机构包括经由第一电机架固联在前镜座的中部外侧的第一电机，第一电机的输出端连接有第一电机齿轮，第一电机齿轮与设置于第一电机旁侧的第一电位器上的第一电位器齿轮相啮合，所述前镜座的外侧套设有凸轮，凸轮的前端设有用于与第一电机齿轮啮合的凸轮齿轮，所述凸轮上设有倾斜方向相反的变焦斜槽与补偿斜槽，所述变焦斜槽内穿设有变倍导钉，所述变倍导钉的一端穿过变焦斜槽与变倍移动座固联，所述前镜座内横设有导杆，导杆的一端与变倍移动座滑动配合，变倍移动座与导杆之间设有以利滑动的变倍导套；所述补偿斜槽内穿设有补偿导钉，所述补偿导钉的一端穿过补偿斜槽与补偿移动座固联，所述补偿移动座与导杆的另一端滑动配合，补偿移动座与导杆之间设有以利滑动的补偿导套。
进一步的，所述凸轮经由设于前镜座与后镜座之间的凸轮压圈压紧，凸轮的两侧设有对称设有固联在前镜座并用于对凸轮限位的第一微动开关，所述凸轮的外侧固联有用于触发第一微动开关的第一挡片。
进一步的，所述电动调焦机构包括经由第二电机架固联在后镜座的中部外侧的第二电机，所述第二电机的输出端连接有第二电机齿轮，所述第二电机齿轮与设置于第二电机旁侧的第二电位器上的第二电位器齿轮相啮合，所述后镜座外侧套设有调焦环，所述调焦环上设有用于与第二电机齿轮相啮合的调焦环齿轮，所述调焦环上设有调焦斜槽，所述调焦斜槽内穿设有调焦导钉，所述调焦导钉的一端穿过调焦斜槽与调焦组镜筒固联。
进一步的，所述后镜座的外侧套设有用于压紧调焦环的调焦环压圈，调焦环的两侧设有对称设有固联在后镜座并用于对调焦环限位的第二微动开关，所述调焦环的外侧固联有用于触发第二微动开关的第二挡片。
进一步的，所述前镜座的前端设有用以抵住前固组压圈的前镜盖，所述后镜座的后端罩设有连接法兰，所述连接法兰上设置有用以与摄像机连接的外螺纹。
本发明一种远射型长波红外电动变焦镜头的工作方法，工作时：光线顺序进入前固组镜片A、前变倍组镜片B、补偿组镜片C、后固组镜片D、后变倍组镜片E以及调焦组镜片F进行成像，通过两个电机分别带动凸轮与调焦环转动，使得前变倍组镜片B与补偿组镜片C相向移动，调焦组镜片F前后移动，实现镜头的电动变焦。
与现有技术相比，本发明具有以下效果：（1）合理分配各组的光焦度，对8～12μm的宽光谱范围进行像差校正和平衡，使镜头在宽光谱范围都具有优良的像质，实现了宽光谱共焦，这样镜头在中长波范围都能清晰成像；（2）选用高折射、低色散的光学玻璃材料(Se60As40、ZnS)，通过设计和优化，校正了光学镜头的各种像差，使镜头实现高分辨率、大相对孔径、低畸变等优点；畸变较小，在1%以下，相对于旧的结构畸变有了更好的控制；（3）在结构上，镜头耐振动、冲击能力强，通过凸轮带动镜座运动，有效的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。
附图说明：
图1是本发明实施例的光学系统示意图；
图2是本发明实施例的主视图；
图3是本发明实施例的右视图；
图4是本发明实施例的立体图。
图中：
1-前固组压圈；2-前固组镜座；3-第一压圈；4-变倍锁圈；5-变倍组镜座；6-第二压圈；7-前固组镜片A；8-前变倍组镜片B；9-变倍移动座；10-导杆压板；11-变倍导钉；12-磙子；13-补偿导钉；14-前镜座；15-凸轮；16-导杆；17-变倍导套；18-补偿导套；19-补偿移动座；20-补偿组镜片C；21-凸轮压圈；22-补偿组镜座；23-第三压圈；24-后固组镜片D；25-第四压圈；26-隔圈；27-后镜座；28-后变倍组镜片E；29-调焦环；30-调焦导钉；31-调焦环压圈；32-调焦组镜筒；33-第五压圈；34-连接法兰；35-调焦组镜片F；36-钢珠；37-前镜盖；38-通用立柱；39-第一电位器；40-第一电位器齿轮；41-第一电机；42-第一电机齿轮；43-第一电机架；44-第二电机架；45-第二电位器齿轮；46-变倍开关架；47-第一微动开关；48-第一挡片；49-第二微动开关；50-第二挡片；51-第二电机；52-第二电机齿轮；53-第二电位器；54-变焦斜槽；55-补偿斜槽；56-调焦斜槽；57-凸轮齿轮；58-调焦环齿轮。
具体实施方式:
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。
如图1-4所示，本发明一种远射型长波红外电动变焦镜头，包括镜框、设置在镜框内的光学系统，所述光学系统包括沿光线射入方向依次设置的前固组镜片A、前变倍组镜片B、补偿组镜片C、后固组镜片D、后变倍组镜片E以及调焦组镜片F。
本实施例中，所述前固组镜片A与前变倍组镜片B之间的空气间隔是13.28～68.4mm；所述前变倍组镜片B与补偿组镜片C之间的空气间隔是85.78～3.99mm；所述补偿组镜片C与后固组镜片D之间的空气间隔是3.86～40.48mm；所述后固组镜片D与后变倍组镜片E之间的空气间隔是10.44mm；所述后变倍组镜片E与调焦组镜片F之间的空气间隔是55.03mm。
本实施例中，所述前固组镜片A为正月牙形透镜；所述变倍组镜片B为双凹面透镜；所述补偿组镜片C为双凸面透镜；所述后固组镜片D为正月牙形透镜；所述后变倍组镜片E为负月牙形透镜；所述调焦组镜片F为双凸透镜。
本实施例中，所述镜框包括依次连接的前镜座14和后镜座27，所述前镜座14的外侧设有电动变焦机构，所述后镜座27的外侧设有电动调焦机构。
本实施例中，所述前镜座14的前部内壁经由前固组压圈1固联有用于安装前固组镜片A的前固组镜座2，前固组镜座2内套设有用于压住前固组镜片A的第一压圈3；前镜座14的中部内壁设有与其滑动连接的变倍移动座9，所述变倍移动座9内经由变倍锁圈4固联有用于安装前变倍组镜片B的变倍组镜座5，变倍组镜座5内套设有用于压住前变倍组镜片B的第二压圈6；前镜座14的后部内壁设有与其滑动连接的补偿移动座19，所述补偿移动座19内套设有用于安装补偿组镜片C的补偿组镜座22，补偿组镜座22内套设有用于压住补偿组镜片C的第三压圈23；前镜座14的后端与后镜座27的前端相连接，后镜座27的前端设有用于压住后固组镜片D的第四压圈25，后固组镜片D与后变倍组镜片E之间用隔圈26定位；所述后镜座27的后部内壁设有与其滑动连接的调焦组镜筒32，所述调焦组镜筒32内套设有用于压住调焦组镜片F的第五压圈33。
本实施例中，所述电动变焦机构包括经由第一电机架43固联在前镜座14的中部外侧的第一电机41，第一电机41的输出端连接有第一电机齿轮42，第一电机齿轮42与设置于第一电机41旁侧的第一电位器39上的第一电位器齿轮40相啮合，所述前镜座14的外侧套设有凸轮15，凸轮15的前端设有用于与第一电机齿轮42啮合的凸轮齿轮57，所述凸轮15上设有倾斜方向相反的变焦斜槽54与补偿斜槽55，所述变焦斜槽54内穿设有变倍导钉11，所述变倍导钉11的一端穿过变焦斜槽54与变倍移动座9固联，所述前镜座14内横设有导杆16，导杆16的一端与变倍移动座9滑动配合，变倍移动座9与导杆16之间设有以利滑动的变倍导套17；所述补偿斜槽55内穿设有补偿导钉13，所述补偿导钉13的一端穿过补偿斜槽55与补偿移动座19固联，所述补偿移动座19与导杆16的另一端滑动配合，补偿移动座19与导杆16之间设有以利滑动的补偿导套18；通过第一电机41带动凸轮15转动，变倍导钉11与补偿导钉13分别带动变倍移动座9、补偿移动座19相向运动，进行变倍。
本实施例中，所述凸轮15经由设于前镜座14与后镜座27之间的凸轮压圈21压紧，凸轮15的两侧设有对称设有固联在前镜座14并用于对凸轮15限位的第一微动开关47，所述凸轮15的外侧固联有用于触发第一微动开关47的第一挡片48，当凸轮15旋转至两端极限位置时，第一挡片48与第一微动开关47接触时，第一微动开关47获得信号并驱使第一电机41停止工作，以限制凸轮15的转动。
本实施例中，所述电动调焦机构包括经由第二电机架44固联在后镜座27的中部外侧的第二电机51，所述第二电机51的输出端连接有第二电机齿轮52，所述第二电机齿轮52与设置于第二电机51旁侧的第二电位器53上的第二电位器齿轮53相啮合，所述后镜座27外侧套设有调焦环29，所述调焦环29上设有用于与第二电机齿轮52相啮合的调焦环齿轮58，所述调焦环29上设有调焦斜槽56，所述调焦斜槽56内穿设有调焦导钉30，所述调焦导钉30的一端穿过调焦斜槽56与调焦组镜筒32固联。通过第二电机51带动调焦环29转动，调焦导钉30带动调焦组镜筒32前后运动，进行调焦。
本实施例中，所述后镜座27的外侧套设有用于压紧调焦环29的调焦环压圈31，调焦环29的两侧设有对称设有固联在后镜座27并用于对调焦环29限位的第二微动开关49，所述调焦环29的外侧固联有用于触发第二微动开关49的第二挡片50，当调焦环29旋转至两端极限位置时，第二挡片50与第二微动开关49接触时，第二微动开关49获得信号并驱使第二电机51停止工作，以限制调焦环29的转动。
本实施例中，所述前镜座14的前端设有用以抵住前固组压圈1的前镜盖37，所述后镜座27的后端罩设有连接法兰34，所述连接法兰34上设置有用以与摄像机连接的外螺纹。
本实施例中，所述导杆16的端部套设导杆压板10，所述导杆压板10经螺钉与前镜座14固联。
本实施例中，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f′:30mm-150mm；
（2）相对孔径F：1.0~1.2；
（3）视场角：20.6°x16.5~4.2°X3.3°；
（4）分辨率：可与640*512 17μm探测器摄像机适配；
（5）光路总长∑≤230.1mm，光学后截距l′≥31.86mm；
（6）适用谱线范围：8μm~12μm。
（7）以下给出各镜片参数
表一：
在表一中曲率半径是指镜片每个表面的曲率半径，间距是指两相邻表面间的距离，举例说明：S1、S2分别是前固组镜片A远离与邻近前变倍组镜片B的表面，S1的间距是指S1与S2表面之间的中心间距，其它依此类推。
表二：
在表二中列出了第二透镜的表面S4和第四透镜的表面S5的非球面系数和近轴曲率半径。
非球面具体面型方程如下：
Z=cr^2/(1+√[1-(1+k)c^2r^2)]+A0r^2+A1r^4+A2r^6+A3r^8
其中：C=R/1。
本发明一种远射型长波红外电动变焦镜头的工作方法，光线顺序进入前固组镜片A、前变倍组镜片B、补偿组镜片C、后固组镜片D、后变倍组镜片E以及调焦组镜片F进行成像，第一电机带动凸轮转动，变倍导钉和补偿导钉分别带动变倍移动座、补偿移动座相向运动，进而使得前变倍组镜片B与补偿组镜片C相向移动，调整前变倍组镜片B与补偿组镜片C的间距，实现变倍；第二电机带动调焦环转动，调焦导钉带动调焦组镜筒座前后运动，进行调焦，两者相结合，实现镜头的电动变焦。
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 (9)

1.一种远射型长波红外电动变焦镜头，其特征在于：包括镜框、设置在镜框内的光学系统，所述光学系统包括沿光线射入方向依次设置的前固组镜片A、前变倍组镜片B、补偿组镜片C、后固组镜片D、后变倍组镜片E以及调焦组镜片F；所述前固组镜片A为正月牙形透镜；所述变倍组镜片B为双凹面透镜；所述补偿组镜片C为双凸面透镜；所述后固组镜片D为正月牙形透镜；所述后变倍组镜片E为负月牙形透镜；所述调焦组镜片F为双凸透镜；所述前固组镜片A与前变倍组镜片B之间的空气间隔是13.28～68.4mm；所述前变倍组镜片B与补偿组镜片C之间的空气间隔是85.78～3.99mm；所述补偿组镜片C与后固组镜片D之间的空气间隔是3.86～40.48mm；所述后固组镜片D与后变倍组镜片E之间的空气间隔是10.44mm；所述后变倍组镜片E与调焦组镜片F之间的空气间隔是55.03mm。
2.根据权利要求1所述的远射型长波红外电动变焦镜头，其特征在于：所述镜框包括依次连接的前镜座和后镜座，所述前镜座的外侧设有电动变焦机构，所述后镜座的外侧设有电动调焦机构。
3.根据权利要求2所述的远射型长波红外电动变焦镜头，其特征在于：所述前镜座的前部内壁经由前固组压圈固联有用于安装前固组镜片A的前固组镜座，前固组镜座内套设有用于压住前固组镜片A的第一压圈；前镜座的中部内壁设有与其滑动连接的变倍移动座，所述变倍移动座内经由变倍锁圈固联有用于安装前变倍组镜片B的变倍组镜座，变倍组镜座内套设有用于压住前变倍组镜片B的第二压圈；前镜座的后部内壁设有与其滑动连接的补偿移动座，所述补偿移动座内套设有用于安装补偿组镜片C的补偿组镜座，补偿组镜座内套设有用于压住补偿组镜片C的第三压圈；前镜座的后端与后镜座的前端相连接，后镜座的前端设有用于压住后固组镜片D的第四压圈，后固组镜片D与后变倍组镜片E之间用隔圈定位；所述后镜座的后部内壁设有与其滑动连接的调焦组镜筒，所述调焦组镜筒内套设有用于压住调焦组镜片F的第五压圈。
4.根据权利要求3所述的远射型长波红外电动变焦镜头，其特征在于：所述电动变焦机构包括经由第一电机架固联在前镜座的中部外侧的第一电机，第一电机的输出端连接有第一电机齿轮，第一电机齿轮与设置于第一电机旁侧的第一电位器上的第一电位器齿轮相啮合，所述前镜座的外侧套设有凸轮，凸轮的前端设有用于与第一电机齿轮啮合的凸轮齿轮，所述凸轮上设有倾斜方向相反的变焦斜槽与补偿斜槽，所述变焦斜槽内穿设有变倍导钉，所述变倍导钉的一端穿过变焦斜槽与变倍移动座固联，所述前镜座内横设有导杆，导杆的一端与变倍移动座滑动配合，变倍移动座与导杆之间设有以利滑动的变倍导套；所述补偿斜槽内穿设有补偿导钉，所述补偿导钉的一端穿过补偿斜槽与补偿移动座固联，所述补偿移动座与导杆的另一端滑动配合，补偿移动座与导杆之间设有以利滑动的补偿导套。
5.根据权利要求4所述的远射型长波红外电动变焦镜头，其特征在于：所述凸轮经由设于前镜座与后镜座之间的凸轮压圈压紧，凸轮的两侧设有对称设有固联在前镜座并用于对凸轮限位的第一微动开关，所述凸轮的外侧固联有用于触发第一微动开关的第一挡片。
6.根据权利要求2所述的远射型长波红外电动变焦镜头，其特征在于：所述电动调焦机构包括经由第二电机架固联在后镜座的中部外侧的第二电机，所述第二电机的输出端连接有第二电机齿轮，所述第二电机齿轮与设置于第二电机旁侧的第二电位器上的第二电位器齿轮相啮合，所述后镜座外侧套设有调焦环，所述调焦环上设有用于与第二电机齿轮相啮合的调焦环齿轮，所述调焦环上设有调焦斜槽，所述调焦斜槽内穿设有调焦导钉，所述调焦导钉的一端穿过调焦斜槽与调焦组镜筒固联。
7.根据权利要求6所述的远射型长波红外电动变焦镜头，其特征在于：所述后镜座的外侧套设有用于压紧调焦环的调焦环压圈，调焦环的两侧设有对称设有固联在后镜座并用于对调焦环限位的第二微动开关，所述调焦环的外侧固联有用于触发第二微动开关的第二挡片。
8.根据权利要求2所述的远射型长波红外电动变焦镜头，其特征在于：所述前镜座的前端设有用以抵住前固组压圈的前镜盖，所述后镜座的后端罩设有连接法兰，所述连接法兰上设置有用以与摄像机连接的外螺纹。
9.一种远射型长波红外电动变焦镜头的工作方法，其特征在于：采用如权利要求1～8任一项所述的远射型长波红外电动变焦镜头，工作时：光线顺序进入前固组镜片A、前变倍组镜片B、补偿组镜片C、后固组镜片D、后变倍组镜片E以及调焦组镜片F进行成像，通过两个电机分别带动凸轮与调焦环转动，使得前变倍组镜片B与补偿组镜片C相向移动，调焦组镜片F前后移动，实现镜头的电动变焦。
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