CN107783355A - 一种红外双视场快速切换式镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外双视场快速切换式镜头，包括底板、前固定透镜组、翻转镜组、后固定镜组、非制冷红外机芯、目镜组件、槽轮机构、锥齿轮组和驱动组件。所述翻转镜组、槽轮机构通过连接轴与安装座相连，安装座固定在底板上；所述锥齿轮组由两个相互啮合的锥齿轮Ⅰ和锥齿轮Ⅱ组成，锥齿轮Ⅰ通过连接轴固定在槽轮机构端部，锥齿轮Ⅱ通过传动轴安装在驱动组件端部，驱动组件固定在底板上，驱动组件通过锥齿轮组驱动槽轮机构运转。本发明利用槽轮机构驱动翻转镜组实现0～90°范围翻转，切换时间短，自锁功能强，能对抗外界剧烈的振动，使用可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，具体地涉及一种红外双视场快速切换式镜头。
背景技术
红外双视场光学系统是集红外技术、变焦光学系统的优点于一体的红外光学系统，因为具有透过率高、成本低廉、能够实现视场转换的特点，所以在遥感、预警、侦查观瞄、红外成像制导等领域有着广泛的应用。由于应用的需要，红外双视场光学系统一般具备一大一小两个视场，大视场用于在大空间范围内搜索可疑目标，小视场用于对搜索到的目标进行识别、跟踪或瞄准。
目前的红外双视场光学镜头主要分为两类 ：第一类为轴向移动式，即通过透镜组轴向间隔的变化而改变光学系统的焦距，其缺点是轴向尺寸较大，机械结构复杂，稳定精度不高，变焦时间长，加工装配较难使得生产成本增高，变焦后焦距精度难以控制。第二类为切换式，即通过切换光学系统中的透镜组来改变光学系统的焦距，这类光学系统的特点是在小视场光路中没有运动光学元件，其光学系统光轴稳定性好，且系统切换时间短，透过率高；然而为了保证光轴的稳定性，该镜头需在切换后设置相应的锁紧机构，由于采用的电子元器件数量较多、体积较大、成本较高；因此在某些特殊应用场景下，不能使双视场红外热像仪具备快速切换视场的功能。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种红外双视场快速切换式镜头，利用槽轮机构驱动变倍镜组在0°～90°之间翻转，从而实现大小视场的快速切换，且切换后拥有自锁功能，能对抗外界剧烈振动，使用可靠性高，结构简单紧凑，成本低。
为了解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：
一种红外双视场快速切换式镜头，包括底板、前固定透镜组、翻转镜组、后固定镜组、非制冷红外机芯和目镜组件，其中前固定透镜组安装在镜头前部，目镜组件安装在镜头尾部，后固定镜组和非制冷红外机芯安装在镜头中部，其特征在于，所述快速切换式镜头还包括槽轮机构、锥齿轮组和驱动组件，所述的翻转镜组、槽轮机构通过连接轴与安装座相连，安装座固定在底板上；所述锥齿轮组由两个相互啮合的锥齿轮Ⅰ和锥齿轮Ⅱ组成，锥齿轮Ⅰ通过连接轴固定在槽轮机构端部，锥齿轮Ⅱ通过传动轴安装在驱动组件端部，驱动组件固定在底板上，驱动组件通过锥齿轮组驱动槽轮机构运转；
所述槽轮机构包括槽轮和与其相配置的拨销盘，所述槽轮上均匀地设置有4条径向直槽，槽轮的外围设置有两个相邻的圆弧凹面；所述拨销盘上安装有拨销，拨销盘上还设置有与槽轮外围的圆弧凹面相配置的拨盘弧面，圆弧凹面与拨盘弧面组成槽轮机构的自锁弧面；
所述驱动组件包括驱动电机、凸轮、限位开关，驱动电机和凸轮安装在传动轴上，限位开关安装在凸轮的上部。
进一步地，所述翻转镜组包括变倍镜组和翻转镜框，变倍镜组安装在翻转镜框上。
进一步地，所述前固定镜组包括两片透镜。
进一步地，所述变倍镜组包括两片透镜。
进一步地，所述后固定镜组包括一片透镜。
本发明的工作过程为：通过将变倍镜组旋入、旋出光路来实现大、小视场的切换。当需要切换到视场时，驱动组件通过锥齿轮组使拨销盘转动并带动槽轮转动，此时拨销盘上的拨销进入径向直槽，实现槽轮从0°到90°的翻转运动。同时，槽轮通过连接轴使翻转镜组翻转至90°，在驱动电机的带动下传动轴上的凸轮触碰限位开关，限位开关传递信号使驱动电机停止转动。由于圆弧凹面与拨盘弧面组成了槽轮机构的自锁弧面，所以当翻转镜组到位后驱动电机停转或断电时，外界的剧烈振动或其他外力都不会使变翻转镜组离开90°的位置，从而实现了翻转镜组的自锁。当再次需要切换到视场时，驱动电机反转，使翻转镜组回到原来的0°位置，同样由于槽轮机构的自锁特性，翻转镜组到位后驱动电机停转或断电时，外界的剧烈振动或其他外力都不能使翻转镜组离开0°位置。
与现有技术相比，本发明的优点在于：1、利用槽轮机构驱动翻转镜组实现0～90°范围翻转，切换时间短，自锁功能强，能对抗外界剧烈的振动，使用可靠性高。2、结构简单紧凑，电子元器件数量少，成本低，日常维修方便；设置合理，体积不大，适用范围广。
附图说明
图1是本发明的整机剖视图
图2是翻转镜组的剖视图
图3是翻转镜组、槽轮机构、驱动组件的安装示意图
图4是图3的正视图
图5是槽轮机构的结构示意图
图6是本发明的光学系统示意图
图7是本发明光学系统大视场结构图
图8是本发明光学系统小视场结构图
图9是本发明大视场光学系统-45℃时的MTF图
图10是本发明大视场光学系统-45℃时的点列图
图11是本发明大视场光学系统20℃时的MTF图
图12是本发明大视场光学系统20℃时的点列图
图13是本发明大视场光学系统60℃时的MTF图
图14是本发明大视场光学系统60℃时的点列图
图15是本发明小视场光学系统-45℃时的MTF图
图16是本发明小视场光学系统-45℃时的点列图
图17是本发明小视场光学系统20℃时的MTF图
图18是本发明小视场光学系统20℃时的点列图
图19是本发明小视场光学系统60℃时的MTF图
图20是本发明小视场光学系统60℃时的点列图
图中：1、前固定透镜组，2、翻转镜组，2.1、变倍镜组，2.2、翻转镜框，3、后固定镜组，4、非制冷红外机芯，5、目镜组件，6、槽轮机构，6.1、槽轮，6.2、拨销盘，6.3、拨销，6.4、圆弧凹面，6.5、拨盘弧面，7、锥齿轮组，7.1、锥齿轮Ⅰ，7.2、锥齿轮Ⅱ，8、驱动组件，8.1、驱动电机，8.2、凸轮，8.3、限位开关，9、连接轴，10、安装座，11、底板，12、传动轴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
本发明一种红外双视场快速切换式镜头的光学系统为被动无热化切换式红外双视场红外光学系统，如图6所示，该光学系统包括前固定透镜组1，变倍镜组2.1，后固定镜组3，变倍镜组2.1与后固定镜组3的间隔较大，以保证有足够空间放入变倍镜组2.1。变倍镜组2.1由变倍组负透镜和变倍组正透镜组成，保证其旋入光路后的新像面位置与旋入前光路的像面位置保持不变。同时通过透镜参数和镜筒材料的匹配，合理分配各透镜组贡献的色差和热差大小，保证该系统在大、小视场模式下均满足被动无热化条件，无需增加额外部件或者移动光学透镜，使其在-40℃～+60℃的温度范围内实现被动无热化。双视场红外系统共5片透镜，第1、2片透镜为前固定镜组1，第3、4片透镜为变倍镜组2.1，第5片透镜为后固定镜组3。该系统是双视场长波（8μm～12μm）红外的一次成像，焦面为9.6mm×7.8mm，像元尺寸为17μm×17μm，焦距为65mm/130mm，镜筒材料为铝合金，光学材料为锗单晶（Ge）和硒化锌（ZnSe）。其中前固定镜组1为两片式，承担主要的光焦度。变倍镜组2.1的正透镜采用锗单晶（Ge）材料，其较高的折射率和较低的色散有利于像差校正；变倍镜组2.1的负透镜为硒化锌（ZnSe）材料，在光学系统中与正透镜一起，可消除色差，并平衡轴上像差。后固定镜组3采用单片透镜，主要校正光学系统色差和平衡残余热差。
如图1所示，一种红外双视场快速切换式镜头包括底板11、前固定透镜组1、翻转镜组2、后固定镜组3、非制冷红外机芯4和目镜组件5，其中前固定透镜组1安装在镜头前部，目镜组件5安装在镜头尾部，后固定镜组3和非制冷红外机芯4安装在镜头中部。所述快速切换式镜头还包括槽轮机构6、锥齿轮组7和驱动组件8，所述的翻转镜组2、槽轮机构6通过连接轴9与安装座10相连，安装座10固定在底板11上。
如图2所示，所述翻转镜组2包括变倍镜组2.1和翻转镜框2.2，变倍镜组2.1安装在翻转镜框2.2上。
如图3和图4所示，所述锥齿轮组7由两个相互啮合的锥齿轮Ⅰ7.1和锥齿轮Ⅱ7.2组成，锥齿轮Ⅰ7.1通过连接轴9固定在槽轮机构6端部，锥齿轮Ⅱ7.2通过传动轴12安装在驱动组件8端部，驱动组件8固定在底板11上，驱动组件8输出动力通过锥齿轮组7驱动槽轮机构6，从而带动翻转镜组2运转。所述驱动组件8包括驱动电机8.1、凸轮8.2、限位开关8.3，驱动电机8.1和凸轮8.2安装在传动轴12上，限位开关8.3安装在凸轮8.2的上部。
如图5所示，所述槽轮机构6包括槽轮6.1和与其相配置的拨销盘6.2，所述槽轮6.1上均匀地设置有4条径向直槽，槽轮6.1的外围设置有两个相邻的圆弧凹面6.4；所述拨销盘6.2上安装有拨销6.3，使得槽轮6.1在拨销盘6.2的驱动下能正反向转动，并通过连接轴9带动翻转镜组2翻转。拨销盘6.2上还设置有与槽轮6.1外围的圆弧凹面6.4相配置的拨盘弧面6.5，圆弧凹面6.4与拨盘弧面6.5组成槽轮机构6的自锁弧面。
锥齿轮Ⅰ7.1和锥齿轮Ⅱ7.2的传动比可视具体要求而定，当选取较高传动比时，结合选取额定转速高的驱动电机8.1，则驱动拨销盘6.2转动所需时间越短，从而达到快速切换视场的目的。
因槽轮6.1仅需在0°～90°范围内转动，所以拨销盘6.2仅需保证在0°～180°的转动范围即可满足要求。拨销盘6.2端部通过锥齿轮组7连接至传动轴12并最终与驱动组件8中的驱动电机8.1相连，可使拨销盘6.2驱动槽轮6.1在0°～90°范围内翻转，并通过连接轴9带动翻转镜组2翻转0～90°。
图7和图8为系统分别在大视场和小视场时的调制传递函数曲线，横坐标和纵坐标分别为像面上的空间频率和光学系统的光学传递函数值。可见和所选像元尺寸17μm，640×512像素的非制冷红外机芯对应的空间分辨力为30lp/mm时，系统传递函数值最低为0.6，接近于衍射极限。表明该镜头可适用于此款非制冷红外机芯。
图9-图20为大视场及小视场光学系统的MTF图和点列图，并分别列温度为：-45℃、20℃、60℃时，在0、0.3、0.5、0.7、1这5个视场的点列图，并对弥散斑大小进行了比较。从图中可以看出该系统在-45℃和+60℃时的弥散斑都没有超出像元尺寸的大小，因此此光学系统能满足使用要求。
Claims (5)
1.一种红外双视场快速切换式镜头，包括底板、前固定透镜组、翻转镜组、后固定镜组、非制冷红外机芯和目镜组件，其中前固定透镜组安装在镜头前部，目镜组件安装在镜头尾部，后固定镜组和非制冷红外机芯安装在镜头中部，其特征在于，所述快速切换式镜头还包括槽轮机构、锥齿轮组和驱动组件，所述的翻转镜组、槽轮机构通过连接轴与安装座相连，安装座固定在底板上；所述锥齿轮组由两个相互啮合的锥齿轮Ⅰ和锥齿轮Ⅱ组成，锥齿轮Ⅰ通过连接轴固定在槽轮机构端部，锥齿轮Ⅱ通过传动轴安装在驱动组件端部，驱动组件固定在底板上，驱动组件通过锥齿轮组驱动槽轮机构运转；
所述槽轮机构包括槽轮和与其相配置的拨销盘，所述槽轮上均匀地设置有4条径向直槽，槽轮的外围设置有两个相邻的圆弧凹面；所述拨销盘上安装有拨销，拨销盘上还设置有与槽轮外围的圆弧凹面相配置的拨盘弧面，圆弧凹面与拨盘弧面组成槽轮机构的自锁弧面；
所述驱动组件包括驱动电机、凸轮、限位开关，驱动电机和凸轮安装在传动轴上，限位开关安装在凸轮的上部。
2.根据权利要求1所述的红外双视场快速切换式镜头，其特征在于，所述前固定镜组包括两片透镜。
3.根据权利要求1所述的红外双视场快速切换式镜头，其特征在于，所述翻转镜组包括变倍镜组和翻转镜框，变倍镜组安装在翻转镜框上。
4.根据权利要求3所述的红外双视场快速切换式镜头，其特征在于，所述变倍镜组包括两片透镜。
5.根据权利要求1所述的红外双视场快速切换式镜头，其特征在于，所述后固定镜组包括一片透镜。
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