CN107255861B - 一种超小型化、大倍比、高清连续变焦距机载摄像镜头 - Google Patents
一种超小型化、大倍比、高清连续变焦距机载摄像镜头 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种超小型化、大倍比、高清连续变焦距机载摄像镜头，所述镜头的光学系统中沿光线从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、光焦度为正的补偿组C、固定光阑D、光焦度为正的后固定组E，所述前固定组A包括平凸透镜A‑1、负弯月透镜A‑2和双凸透镜A‑3密接的第一胶合组、正弯月透镜A‑4；所述变倍组B包括负弯月透镜B‑1和双凸透镜B‑2与双凹透镜B‑3密接的第二胶合组；所述补偿组C包括双凹透镜C‑1和正弯月透镜C‑2密接的第三胶合组；所述后固定组E包括前部的双凸透镜E‑1、正弯月透镜E‑2、双凸透镜E‑3和双凹透镜E‑4密接的第四胶合组，中部的负弯月透镜E‑5，后部的双凸透镜E‑6和双凹透镜E‑7密接的第五胶合组，结构简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种超小型化、大倍比、高清连续变焦距机载摄像镜头，适用于机载摄像领域。
背景技术
目前机载探测系统要求镜头体积小、质量轻、探测距离大、高清晰度，对目标既能作大区域小倍率的全景搜索，又能作小区域大倍率的放大观察。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。但是普遍存在着体积较大、变倍比小、分辨率较低、图像质量不佳，不适用机载环境、与高清晰度摄像机不匹配等缺点。
随着图像传感器的像元尺寸不断减小，其特征频率迅速增加，光电视频监控已由以往对外界景物纯粹的“观看”发展到现今的“识别和认知”且从空中对地面目标进行远距离摄像，要求镜头体积尽可能小、重量尽可能轻，分辨率高以提高竞争力。
发明内容
本发明的目的是针对以上不足之处，提供了一种结构简单的超小型化、大倍比、高清连续变焦距机载摄像镜头。
本发明的技术方案是，一种超小型化、大倍比、高清连续变焦距机载摄像镜头，所述镜头的光学系统中沿光线从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、光焦度为正的补偿组C、固定光阑D、光焦度为正的后固定组E，所述前固定组A包括平凸透镜A-1、负弯月透镜A-2和双凸透镜A-3密接的第一胶合组、正弯月透镜A-4；所述变倍组B包括负弯月透镜B-1和双凸透镜B-2与双凹透镜B-3密接的第二胶合组；所述补偿组C包括双凹透镜C-1和正弯月透镜C-2密接的第三胶合组；所述后固定组E包括前部的双凸透镜E-1、正弯月透镜E-2、双凸透镜E-3和双凹透镜E-4密接的第四胶合组，中部的负弯月透镜E-5，后部的双凸透镜E-6和双凹透镜E-7密接的第五胶合组。
进一步的，所述前固定组A与变倍组B之间的空气间隔为1.26～17.25mm，所述变倍组B与补偿组C之间的空气间隔为10.78～2.63mm，所述补偿组C与后固定组E之间的空气间隔为17.46～2.23mm，所述正弯月透镜A-4是用超低色散的FK61材料。
进一步的，所述平凸透镜A-1和第一胶合组之间的空气间隔为0.1mm，所述第一胶合组和正弯月透镜A-4之间的空气间隔为0.1mm，所述双凸透镜E-1和正弯月透镜E-2之间的空气间隔为0.1mm，所述正弯月透镜E-2和第四胶合组之间的空气间隔为0.1mm，所述第四胶合组和负弯月透镜E-5之间的空气间隔为3.8mm，所述负弯月透镜E-5和第五胶合组之间的空气间隔为1.7mm。
进一步的，所述镜头的机械结构包括位于变倍组B与补偿组C位置的变倍补偿变焦机构，所述前固定组A的机械结构包括前组镜框，所述前组镜框的前端螺接有平凸透镜A-1的压圈，所述平凸透镜A-1与负弯月透镜A-2之间设有AB隔圈，所述负弯月透镜A-2与正弯月透镜A-4之间设有BD隔圈。
进一步的，所述变倍补偿变焦机构包括主镜筒，所述主镜筒的内前端设有安装有变倍组B的变倍组件，所述主镜筒的内后端设有安装有补偿组C的补偿组件，所述变倍组件与主镜筒之间设置有变倍座，所述补偿组件与主镜筒之间设置有补偿座，变倍座、补偿座通过研磨配合方式分别安装在主镜筒的内孔的前后端，所述变倍组件通过螺纹与变倍座相连接，所述补偿组件通过螺纹与补偿座相连接，所述主镜筒外套设有变倍凸轮，主镜筒外设置有通过过轮与变倍凸轮啮合传动的变焦电机组件，所述变焦电机组件的电机齿轮通过过轮与变倍凸轮的齿轮啮合，同时精密电位器的齿轮与过轮齿轮啮合，所述变倍凸轮设置有两个均布的变倍曲线槽和补偿曲线槽，所述主镜筒上设置有两组变倍直槽和补偿直槽，每组变倍直槽和补偿直槽均为两个并相对设置，所述变倍曲线槽通过变倍导钉经变倍直槽与变倍座相连接，所述补偿曲线槽通过补偿导钉经补偿直槽与补偿座相连接。
进一步的，所述变倍凸轮的前后两端滚道为内锥斜面，内锥斜面与主镜筒之间用精密钢球支撑，并依靠变倍凸轮后端的变倍凸轮锁紧圈进行固定。
进一步的，镜头的前端主镜筒处设有主支承法兰，主支承法兰上钻有三个Φ3.5mm的连接孔，镜头的后端设有摄像机联接板A与摄像机联接板B，摄像机联接板A与摄像机联接板B上各设有一个辅助支承联接法块，并在辅助支承联接法块上各钻有一个M2.5的钉孔，摄像机联接板A与摄像机联接板B分别用锁紧螺钉A与摄像机的上下安装面上的螺孔相固连，组成摄像机联接组件，镜头的后法兰后端各设有一块镜头连接板，镜头连接板上设有四个M3的螺孔，所述镜头连接板、镜头的后法兰、摄像机联接板A与摄像机联接板B之间经锁紧螺钉B、锁紧螺钉C螺接为一体。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：（1）该超小型化、大倍比、高清连续变焦距机载摄像镜头的光学系统结构简单，镜头结构装配紧凑、体积小携带方便。（2）本镜头采用正的前固定组A、光焦度为负的变倍组B、光焦度为正的补偿组C、光焦度为正的后固定组E四个组元的结构，变倍组前后移动时，补偿组同时移动以保证像面不变，这个过程实现了镜头焦距的变化；通过合理分配四个组元的光焦度，使镜头在较小的长度尺寸下有较长的焦距，为追求更高的分辨率，光学设计时，在前固定组A中设置了平凸透镜、胶合组和正月牙透镜，平凸透镜和弯向光栏面的正月牙透镜，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，达到两百万像素，可与CMOS高清摄像机适配。
附图说明
下面结合附图对本发明专利进一步说明。
图1为该发明实施例的光学系统示意图；
图2为该发明实施例短焦时的MTF图；
图3为该发明实施例长焦时的MTF图；
图4为该发明实施例中前固定组A的装配图一；
图5为该发明实施例中变倍补偿变焦机构的装配图一；
图6为该发明实施例中变倍补偿变焦机构的装配图二；
图7为摄像机联接板A与摄像机联接板B与镜头的连接示意图；
图8为图6的A向示意图；
图9为图6的B向示意图；
图中：
A-前固定组A；B-变倍组B；C-补偿组C；D-固定光阑D；E-后固定组E；A-1平凸透镜A-1；A-2负弯月透镜A-2；A-3双凸透镜A-3；A-4正弯月透镜A-4；B-1负弯月透镜B-1；B-2双凸透镜B-2；B-3双凹透镜B-3；C-1双凹透镜C-1；C-2正弯月透镜C-2；E-1双凸透镜E-1；E-2正弯月透镜E-2；E-3双凸透镜E-3；E-4双凹透镜E-4；E-5负弯月透镜E-5；E-6双凸透镜E-6；E-7双凹透镜E-7。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1～9所示，一种超小型化、大倍比、高清连续变焦距机载摄像镜头，所述镜头的光学系统中沿光线从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、光焦度为正的补偿组C、固定光阑D、光焦度为正的后固定组E，所述前固定组A包括平凸透镜A-1、负弯月透镜A-2和双凸透镜A-3密接的第一胶合组、正弯月透镜A-4；所述变倍组B包括负弯月透镜B-1和双凸透镜B-2与双凹透镜B-3密接的第二胶合组；所述补偿组C包括双凹透镜C-1和正弯月透镜C-2密接的第三胶合组；所述后固定组E包括前部的双凸透镜E-1、正弯月透镜E-2、双凸透镜E-3和双凹透镜E-4密接的第四胶合组，中部的负弯月透镜E-5，后部的双凸透镜E-6和双凹透镜E-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之间的空气间隔为1.26～17.25mm，所述变倍组B与补偿组C之间的空气间隔为10.78～2.63mm，所述补偿组C与后固定组E之间的空气间隔为17.46～2.23mm，所述正弯月透镜A-4是用超低色散的FK61材料。
在本实施例中，所述平凸透镜A-1和第一胶合组之间的空气间隔为0.1mm，所述第一胶合组和正弯月透镜A-4之间的空气间隔为0.1mm，所述双凸透镜E-1和正弯月透镜E-2之间的空气间隔为0.1mm，所述正弯月透镜E-2和第四胶合组之间的空气间隔为0.1mm，所述第四胶合组和负弯月透镜E-5之间的空气间隔为3.8mm，所述负弯月透镜E-5和第五胶合组之间的空气间隔为1.7mm。
一种超小型化、大倍比、高清连续变焦距机载摄像镜头，其各个镜片的物理参数符合表1所示数据要求。
表1 镜片物理参数要求
| 表面 | 曲率半径（mm） | 厚度（mm） | 材料 |
| 1 | 51.875≤R≤52.715 | 3.1 | LAFN23 |
| 2 | 平面 | 0.1 | AIR |
| 3 | 150≤R≤153.475 | 1.2 | LAFN7 |
| 4 | 31.192≤R≤31.247 | 4.05 | N-PK52A |
| 5 | -342.124≤R≤-347.284 | 0.1 | AIR |
| 6 | 22.578≤R≤22.987 | 3.8 | SK4 |
| 7 | 72.414≤R≤73.257 | 1.26～17.25 | AIR |
| 8 | 355.1≤R≤362.478 | 0.9 | LASFN15 |
| 9 | 9.132≤R≤9.357 | 4.1 | SF57 |
| 10 | -14.2≤R≤-14.982 | 0.8 | N-LASF46A |
| 11 | 20.241≤R≤20.897 | 10.78～2.63 | AIR |
| 12 | -25.874≤R≤-25.245 | 0.7 | SF57 |
| 13 | 5.751≤R≤5.812 | 1.7 | N-PK52A |
| 14 | 16.521≤R≤16.876 | 17.46～2.23 | AIR |
| 15 | 7.983≤R≤8.045 | 2.1 | SF57 |
| 16 | -45.475≤R≤-44.725 | 0.1 | AIR |
| 17 | 15.032≤R≤15.754 | 1.3 | N-PK52A |
| 18 | 77.232≤R≤79.032 | 0.1 | AIR |
| 19 | 10.025≤R≤10.374 | 2.3 | N-PK52A |
| 20 | 8.011≤R≤8.235 | 0.7 | LAFN7 |
| 21 | 21.032≤R≤21.891 | 3.8 | AIR |
| 22 | 13.214≤R≤14.954 | 0.7 | LASFN15 |
| 23 | 5.014≤R≤5.985 | 1.7 | AIR |
| 24 | 6.579≤R≤7.551 | 2.4 | LAFN23 |
| 25 | -5.1≤R≤-5.924 | 0.7 | LASFN15 |
| 26 | 112.7≤R≤137.845 | 10.8±0.2 | AIR |
在本实施例中，所述镜头的机械结构包括位于变倍组B与补偿组C位置的变倍补偿变焦机构，所述前固定组A的机械结构包括前组镜框1，所述前组镜框的前端螺接有平凸透镜A-1的压圈2，所述平凸透镜A-1与负弯月透镜A-2之间设有AB隔圈3，所述负弯月透镜A-2与正弯月透镜A-4之间设有BD隔圈4，为了满足温度冲击的要求，(即高温65℃，低温-40℃时，高低温各保持1小时，进行三个循环，温变率大于1℃/min时系统不会受热应力的影响，而使镜片产生弯曲变形，从而影响产品的成像质量)，要求选用的前组镜框材料膨胀系数较小，并且和玻璃的膨胀系数相近，通过配型，选用与玻璃材料膨胀系数相近的低合金钢16Mn作为前固定组A的前组镜框材料，其膨胀系数为8.31×10-6mm/℃与玻璃材料8×10-6mm/℃非常接近，这样可以保证在温冲环境中变化105℃的情况下，前组镜框与玻璃的膨胀（收缩）差远小于前组镜框和玻璃的配合间隙，从而保证镜头在温冲环境中，系统的像质不会发生变化。
在本实施例中，所述变倍补偿变焦机构包括主镜筒5，所述主镜筒的内前端设有安装有变倍组B的变倍组件6，所述主镜筒的内后端设有安装有补偿组C的补偿组件7，所述变倍组件与主镜筒之间设置有变倍座8，所述补偿组件与主镜筒之间设置有补偿座9，变倍座、补偿座通过研磨配合方式分别安装在主镜筒的内孔的前后端，所述变倍组件通过螺纹与变倍座相连接，所述补偿组件通过螺纹与补偿座相连接，所述主镜筒外套设有变倍凸轮10，主镜筒外设置有通过过轮11与变倍凸轮啮合传动的变焦电机组件12，所述变焦电机组件的电机齿轮通过过轮与变倍凸轮的齿轮啮合，同时精密电位器13的齿轮与过轮齿轮啮合，所述变倍凸轮设置有两个均布的变倍曲线槽和补偿曲线槽，所述主镜筒上设置有两组变倍直槽和补偿直槽，每组变倍直槽和补偿直槽均为两个并相对设置，所述变倍曲线槽通过变倍导钉14经变倍直槽与变倍座相连接，所述补偿曲线槽通过补偿导钉15经补偿直槽与补偿座相连接。
在本实施例中，变焦电机组件的电机齿轮通过过轮与变倍凸轮的齿轮啮合，同时精密电位器的齿轮与过轮齿轮啮合，当电机转子作正负旋转运动时，（电机齿轮通过过轮与精密电位器的齿轮、变倍凸轮的齿轮啮合转动）使精密电位器与变倍凸轮同步旋转，通过变倍、补偿曲线槽及变倍导钉、补偿导钉带动变倍座、补偿座按变倍、补偿曲线槽的方式运动，主镜筒起到支撑作用，主镜筒、变倍、补偿曲线槽及变倍导钉、补偿导钉同时作用改变变倍座、补偿座运动方向，使变倍座、补偿座从旋转运动成为直线运动，当系统的焦距发生变化时，精密电位器的齿轮通过过轮啮合，使精密电位器旋转，则精密电位器的阻值发生变化，通过适当的取样电路可以取出精密电位器的变化值，并传给控制中心，从而实现变焦值的显示。
在本实施例中，所述变倍凸轮的前后两端滚道为内锥斜面16，内锥斜面与主镜筒之间用精密钢球17支撑，并依靠变倍凸轮后端的变倍凸轮锁紧圈18进行固定，把变倍凸轮旋转时的滑动摩擦转变为滚动摩擦，以减少变倍凸轮运动时的摩擦力，减小变焦电机组件所需的力矩，装配时调整变倍凸轮锁紧圈，使变倍凸轮运转自如，且精密钢球相对变倍凸轮及主镜筒的间隙为零，保证轴向、径向精度，然后用三个锥端紧定螺钉19锁紧变倍凸轮锁紧圈。
在本实施例中，镜头的前端主镜筒处设有主支承法兰20，主支承法兰上钻有三个Φ3.5mm的连接孔，镜头的后端设有摄像机联接板A21与摄像机联接板B22，摄像机联接板A与摄像机联接板B上各设有一个辅助支承联接法块23，并在辅助支承联接法块上各钻有一个M2.5的钉孔24，摄像机联接板A与摄像机联接板B分别用锁紧螺钉A25与摄像机的上下安装面上的螺孔相固连，组成摄像机联接组件，镜头的后法兰29后端各设有一块镜头连接板26，镜头连接板上设有四个M3的螺孔，所述镜头连接板、镜头的后法兰、摄像机联接板A与摄像机联接板B之间经锁紧螺钉B27、锁紧螺钉C28螺接为一体，能够承受振幅0.06g2/Hg，频率为300～1000Hg的振动及50g的力学冲击，锁紧锁紧螺钉A、锁紧螺钉B、锁紧螺钉C，使镜头的光轴与摄像机的靶面中心重合，镜头与摄像机成一体，用三个M3的螺钉通过镜头前端主支承法兰上的三个Φ3.5mm的连接孔与机载舱体的前法兰相联，另外通过两个辅助支承联接法块分别用M2.5的螺钉把辅助支承联接法块与机载舱体的后法兰相联，形成前后法兰联接结构，与机载舱体连成一体，增加镜头的谐振频率，避免低频处产生共振，从而提高了镜头的抗振性能。
在本实施例中，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：12mm～120mm；
2、视场角：2.6°×1.8°～25°×16.8°；
3、相对孔径：D/f′大于1/6；
4、光学传递函数：传递函数空间频率150lp/mm时，中心MTF≥0.4。与百万像素1/2.8″1936×1096像元的CMOS摄像机适配。
5、光学总长小于77mm；
6、聚焦要求：4m～无穷远成像清晰；
7、变焦全程变焦时间为3～8S；
8、工作温度：-40℃～40℃；
9、力学冲击：50g后峰锯齿波，脉冲时间：11ms，三个轴向，每轴6次。
10、振动：振幅0.06g2/Hg,频率300～1000 Hg；
11、温度冲击：高温+65℃，低温-40℃，高低温保持时间1h,温变率为1℃/min,三个循环；
12、体积：小于110×41×62；重量小于150g；
要实现小型化，最重要的是要尽量缩短光学系统的总长并减小径向尺寸。光学系统总长的缩短，要求系统的变倍组和补偿组的移动范围尽可能小，同时为了实现光学系统10倍的大变倍比，就必须采用最速变焦凸轮曲线设计，当变倍组的倍率m2= -1时，补偿组的倍率│m2│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。
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 (6)
1.一种超小型化、大倍比、高清连续变焦距机载摄像镜头，其特征在于：所述镜头的光学系统中沿光线从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、光焦度为正的补偿组C、固定光阑D、光焦度为正的后固定组E，所述前固定组A包括平凸透镜A-1、负弯月透镜A-2和双凸透镜A-3密接的第一胶合组、正弯月透镜A-4；所述变倍组B包括负弯月透镜B-1和双凸透镜B-2与双凹透镜B-3密接的第二胶合组；所述补偿组C包括双凹透镜C-1和正弯月透镜C-2密接的第三胶合组；所述后固定组E包括前部的双凸透镜E-1、正弯月透镜E-2、双凸透镜E-3和双凹透镜E-4密接的第四胶合组，中部的负弯月透镜E-5，后部的双凸透镜E-6和双凹透镜E-7密接的第五胶合组；所述前固定组A与变倍组B之间的空气间隔为1.26～17.25mm，所述变倍组B与补偿组C之间的空气间隔为10.78～2.63mm，所述补偿组C与后固定组E之间的空气间隔为17.46～2.23mm，所述正弯月透镜A-4是用超低色散的FK61材料。
2.根据权利要求1所述的超小型化、大倍比、高清连续变焦距机载摄像镜头，其特征在于：所述平凸透镜A-1和第一胶合组之间的空气间隔为0.1mm，所述第一胶合组和正弯月透镜A-4之间的空气间隔为0.1mm，所述双凸透镜E-1和正弯月透镜E-2之间的空气间隔为0.1mm，所述正弯月透镜E-2和第四胶合组之间的空气间隔为0.1mm，所述第四胶合组和负弯月透镜E-5之间的空气间隔为3.8mm，所述负弯月透镜E-5和第五胶合组之间的空气间隔为1.7mm。
3.根据权利要求1所述的超小型化、大倍比、高清连续变焦距机载摄像镜头，其特征在于：所述镜头的机械结构包括位于变倍组B与补偿组C位置的变倍补偿变焦机构，所述前固定组A的机械结构包括前组镜框，所述前组镜框的前端螺接有平凸透镜A-1的压圈，所述平凸透镜A-1与负弯月透镜A-2之间设有AB隔圈，所述负弯月透镜A-2与正弯月透镜A-4之间设有BD隔圈。
4.根据权利要求3所述的超小型化、大倍比、高清连续变焦距机载摄像镜头，其特征在于：所述变倍补偿变焦机构包括主镜筒，所述主镜筒的内前端设有安装有变倍组B的变倍组件，所述主镜筒的内后端设有安装有补偿组C的补偿组件，所述变倍组件与主镜筒之间设置有变倍座，所述补偿组件与主镜筒之间设置有补偿座，变倍座、补偿座通过研磨配合方式分别安装在主镜筒的内孔的前后端，所述变倍组件通过螺纹与变倍座相连接，所述补偿组件通过螺纹与补偿座相连接，所述主镜筒外套设有变倍凸轮，主镜筒外设置有通过过轮与变倍凸轮啮合传动的变焦电机组件，所述变焦电机组件的电机齿轮通过过轮与变倍凸轮的齿轮啮合，同时精密电位器的齿轮与过轮齿轮啮合，所述变倍凸轮设置有两个均布的变倍曲线槽和补偿曲线槽，所述主镜筒上设置有两组变倍直槽和补偿直槽，每组变倍直槽和补偿直槽均为两个并相对设置，所述变倍曲线槽通过变倍导钉经变倍直槽与变倍座相连接，所述补偿曲线槽通过补偿导钉经补偿直槽与补偿座相连接。
5.根据权利要求4所述的超小型化、大倍比、高清连续变焦距机载摄像镜头，其特征在于：所述变倍凸轮的前后两端滚道为内锥斜面，内锥斜面与主镜筒之间用精密钢球支撑，并依靠变倍凸轮后端的变倍凸轮锁紧圈进行固定。
6.根据权利要求1所述的超小型化、大倍比、高清连续变焦距机载摄像镜头，其特征在于：镜头的前端主镜筒处设有主支承法兰，主支承法兰上钻有三个Φ3.5mm的连接孔，镜头的后端设有摄像机联接板A与摄像机联接板B，摄像机联接板A与摄像机联接板B上各设有一个辅助支承联接法块，并在辅助支承联接法块上各钻有一个M2.5的钉孔，摄像机联接板A与摄像机联接板B分别用锁紧螺钉A与摄像机的上下安装面上的螺孔相固连，组成摄像机联接组件，镜头的后法兰后端各设有一块镜头连接板，镜头连接板上设有四个M3的螺孔，所述镜头连接板、镜头的后法兰、摄像机联接板A与摄像机联接板B之间经锁紧螺钉B、锁紧螺钉C螺接为一体。
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