CN108427186B - 轻量化连续变焦非制冷红外热像仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻量化连续变焦非制冷红外热像仪，包括连续变焦红外光学镜头和红外成像组件，所述的连续变焦红外光学镜头由五片组成，从物方到像方依次为：前固定的正弯月透镜、可移动的双凹透镜、可移动的正弯月透镜、后固定的负弯月透镜、后固定的正弯月透镜。通过采用五片镜片的结构，使结构更为紧凑，体积小，重量轻、成本低。优选的方案中，利用二元光学技术精心设计连续变焦红外光学镜头，光圈F数达1.0，匹配大矩阵小像元红外成像组件，使得仪器分辨率高，适用范围宽广。设置的衍射光学结构，能够实现高阶像差的校正，消除色差及抗温变功能；实现任意波前调制。设置的调焦结构紧凑，在调焦过程中不改变镜头的体积。

Description

轻量化连续变焦非制冷红外热像仪

本发明涉及红外热成像技术领域，特别是一种轻量化连续变焦非制冷红外热像仪。

背景技术

相对于传统的制冷型热成像系统，非制冷红外热成像系统具有性价比高、体积小、重量轻、功耗低等优点，在红外热成像系统的发展中占据着举足轻重的地位。而红外连续变焦成像系统因具有连续可变的视场，可对目标进行连续跟踪，逐渐在非制冷红外热成像系统的技术发展中获得更大的关注。

在国内现有的连续变焦非制冷红外镜头中，其结构较为复杂，需要很多镜片，不仅影响了探测距离，而且成本高，不利于系统轻量化设计。例如中国专利文献CN104991332A即记载了一种连续变焦非制冷红外热像仪，即采用了7片镜片，这影响了仪器的体积。

现有技术中，连续变焦红外镜头主要适用于分辨率为320×256,384×288及像元尺寸≥25µm的非制冷探测器组件，难于满足非制冷红外系统高分辨率的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种轻量化连续变焦非制冷红外热像仪，能够减轻仪器重量，减小体积，降低成本，在优选的方案中，能够校正像差、色差等影像缺陷，能够实现快速对焦，提高成像精度。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种轻量化连续变焦非制冷红外热像仪，包括连续变焦红外光学镜头和红外成像组件，所述的连续变焦红外光学镜头由五片组成，从物方到像方依次为：前固定的正弯月透镜、可移动的双凹透镜、可移动的正弯月透镜、后固定的负弯月透镜、后固定的正弯月透镜。

优选的方案中，所述的前固定的正弯月透镜的第二面和可移动的正弯月透镜的第一面为非球面，在前固定的正弯月透镜的第二面和可移动的正弯月透镜的第一面设有衍射光学结构。

优选的方案中，所述的衍射光学结构为同心环状的微浮雕光栅结构。

优选的方案中，所述的连续变焦红外光学镜头F数为1.0；

透镜材料均为锗单晶。

优选的方案中，所述的红外成像组件为非制冷焦平面阵列，分辨率为640×512，像元间距为17µm。

优选的方案中，连续变焦红外光学镜头的参数为：

前固定的正弯月透镜第一面曲率半径405.5mm，第二面曲率半径2096.06mm，厚度9mm，空气间隔89.292mm；

可移动的双凹透镜第一面曲率半径-405.5mm，第二面曲率半径912mm，厚度5mm，空气间隔42.509mm；

可移动的正弯月透镜第一面曲率半径87.23mm，第二面曲率半径184.67mm，厚度8.2mm，空气间隔5.029mm；

后固定的负弯月透镜第一面曲率半径35.16mm，第二面曲率半径26.42mm，厚度5mm，空气间隔24.4mm；

后固定的正弯月透镜第一面曲率半径52.405mm，第二面曲率半径76.16mm，厚度5mm，空气间隔12mm。

优选的方案中，所述的前固定的正弯月透镜固定安装在主壳体内，变焦凸轮可转动的套接在主壳体内，变焦凸轮通过变焦驱动槽驱动可移动的双凹透镜和可移动的正弯月透镜沿轴线移动，调焦凸轮通过内循环式凸轮槽驱动红外成像组件移动。

优选的方案中，在变焦凸轮设有沿圆周120°均布的3处变焦驱动槽和3处补偿驱动槽，还设有传动槽；

在主壳体设有沿圆周120°均布的3处变焦导向槽和3处补偿导向槽；

第一销钉组穿过变焦导向槽和变焦驱动槽与变焦移动座连接，可移动的双凹透镜固定安装在变焦移动座内；

第二销钉组穿过补偿导向槽和补偿驱动槽与补偿移动座连接，可移动的正弯月透镜固定安装在补偿移动座内；

调焦凸轮设有内循环式凸轮槽，导销组滑动安装在内循环式凸轮槽内，导销组与调焦移动座连接，红外成像组件安装在调焦移动座上。

优选的方案中，在主壳体上还设有变焦电机组件，变焦电机组件与变焦凸轮外壁的第一传动齿轮连接，在主壳体上设有微动开关，在变焦凸轮上设有用于限定变焦凸轮转动位置的限位支板；

调焦凸轮可转动的安装在后固定镜筒，后固定镜筒与主壳体固定连接，调焦电机组件固定安装在后固定镜筒，调焦电机组件与调焦凸轮的第二传动齿轮连接；

在红外成像组件还设有自动对焦模块，自动对焦模块根据图像信号的焦点驱动调焦电机组件自动对焦。

优选的方案中，所述的前固定的正弯月透镜通过前固定镜框固定安装在主壳体内，在前固定的正弯月透镜通过前固定镜框之间设有有机硅粘接密封胶。

本发明提供的一种轻量化连续变焦非制冷红外热像仪，通过采用五片镜片的结构，使结构更为紧凑，体积小，重量轻、成本低。优选的方案中，利用二元光学技术精心设计连续变焦红外光学镜头，光圈F数达 1.0，匹配大矩阵小像元红外成像组件，使得仪器分辨率高，适用范围宽广。设置的衍射光学结构，能够实现高阶像差的校正，消除色差及抗温变功能；实现任意波前调制。设置的调焦结构紧凑，在调焦过程中不改变镜头的体积。设置的自动对焦模块，能够对图像的各个颜色通道中目标区域的边缘轮廓对比度进行分析，计算得到离焦量并驱动电机调节焦距。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的主视结构示意图。

图2为本发明中隐藏外壳的立体图。

图3为本发明中主壳体的内壁平面展开图。

图4为本发明中变焦凸轮的内壁平面展开图。

图5为本发明中调焦凸轮的内壁平面展开图。

图中：连续变焦红外光学镜头1，红外成像组件2，主壳体3，变焦导向槽301，补偿导向槽302，让位槽303，变焦凸轮4，变焦驱动槽401，补偿驱动槽402，传动槽403，前固定的正弯月透镜5，可移动的双凹透镜6，可移动的正弯月透镜7，后固定的负弯月透镜8，后固定的正弯月透镜9，第一传动齿轮10，变焦移动座11，补偿移动座12，第一销钉组13，第二销钉组14，导销组15，前固定镜框16，后固定镜筒17，调焦凸轮18，内循环式凸轮槽181，第二传动齿轮19，调焦移动座20，有机硅粘接密封胶21，外壳22，电气接口23，变焦电机组件24，控制电路板25，微动开关26，限位支板27，动力拨杆28，调焦电机组件29。

具体实施方式

实施例1：

一种轻量化连续变焦非制冷红外热像仪，包括连续变焦红外光学镜头1和红外成像组件2，所述的连续变焦红外光学镜头1由五片组成，从物方到像方依次为：前固定的正弯月透镜5、可移动的双凹透镜6、可移动的正弯月透镜7、后固定的负弯月透镜8、后固定的正弯月透镜9。由此结构，使整个结构更为紧凑，体积小。

优选的方案中，所述的正弯月透镜5的第二面和可移动的正弯月透镜7的第一面为非球面，在正弯月透镜5的第二面和可移动的正弯月透镜7的第一面设有衍射光学结构。

优选的方案中，所述的衍射光学结构为同心环状的微浮雕光栅结构。本例中采用同心环状的微浮雕结构，通过掩膜光刻工艺制成。微浮雕结构的衍射光栅间距小于1μm，优选为0.1μm，效果是校正高阶像差的；消色差及抗温变；实现任意波前调制。

优选的方案中，所述的连续变焦红外光学镜头1F数为1.0；

透镜材料均为锗单晶。

优选的方案中，所述的红外成像组件2为非制冷焦平面阵列，分辨率为640×512，像元间距为17µm。具有成像清晰、灵敏度高、功耗低的特点，红外成像组件2安装在调焦移动座20内。通过导销组15与调焦凸轮18的内循环式凸轮槽181连接，由此结构，使得结构小巧，运动阻力小调焦动作精准可靠，还设有第二传动齿轮19与调焦电机组29连接，用于传递和提供调焦动力。

优选的方案中，连续变焦红外光学镜头1的参数为：

前固定的正弯月透镜5第一面曲率半径405.5mm，第二面曲率半径2096.06mm，厚度9mm，空气间隔89.292mm；

可移动的双凹透镜6第一面曲率半径-405.5mm，第二面曲率半径912mm，厚度5mm，空气间隔42.509mm；

可移动的正弯月透镜7第一面曲率半径87.23mm，第二面曲率半径184.67mm，厚度8.2mm，空气间隔5.029mm；

后固定的负弯月透镜8第一面曲率半径35.16mm，第二面曲率半径26.42mm，厚度5mm，空气间隔24.4mm；

后固定的正弯月透镜9第一面曲率半径52.405mm，第二面曲率半径76.16mm，厚度5mm，空气间隔12mm。

优选的方案中，所述的前固定的正弯月透镜5固定安装在主壳体3内，变焦凸轮4可转动的套接在主壳体3内，变焦凸轮4通过变焦驱动槽401驱动可移动的双凹透镜6和可移动的正弯月透镜7沿轴线移动，调焦凸轮18通过内循环式凸轮槽181驱动红外成像组件2移动。

优选的方案中，在变焦凸轮4设有沿圆周120°均布的3处变焦驱动槽401和3处补偿驱动槽402，还设有传动槽403；

在主壳体3设有沿圆周120°均布的3处变焦导向槽301和3处补偿导向槽302；

第一销钉组13穿过变焦导向槽301和变焦驱动槽401与变焦移动座11连接，可移动的双凹透镜6固定安装在变焦移动座11内；

第二销钉组14穿过补偿导向槽302和补偿驱动槽402与补偿移动座12连接，可移动的正弯月透镜7固定安装在补偿移动座12内；

调焦凸轮18设有内循环式凸轮槽181，导销组15滑动安装在内循环式凸轮槽181内，导销组15与调焦移动座20连接，红外成像组件2安装在调焦移动座20上。由此结构，实现调焦和变焦功能，且连续变焦红外光学镜头1的长度不会发生变化。

优选的方案中，在主壳体3上还设有变焦电机组件24，变焦电机组件24与变焦凸轮4外壁的第一传动齿轮10连接，在主壳体3上设有微动开关26，在变焦凸轮4上设有用于限定变焦凸轮4转动位置的限位支板27；由此结构，实现变焦范围的自动限位，避免损坏变焦机构。

调焦凸轮18可转动的安装在后固定镜筒17，后固定镜筒17与主壳体3固定连接，调焦电机组件29固定安装在后固定镜筒17，调焦电机组件29与调焦凸轮18的第二传动齿轮19连接；

在红外成像组件2还设有自动对焦模块，自动对焦模块根据图像信号的焦点驱动调焦电机组件29自动对焦。由此结构，实现自动对焦。优选的方案中，本例采用分通道进行自动对焦的方案，将图像信号分解成多个通道，例如r、g、b通道，以及灰度通道，本例中的灰度通道取自lab图像格式下的亮度通道，通过对高亮度位置的分析获得焦点位置，通过对轮廓的分析得到离焦量，从而获得更清晰的成像。进一步优选的，根据工况可以设置为不同的对焦模式，例如高精度对焦综合比对r、g、b通道和亮度通道后进行调焦，或者高性能对焦仅比对亮度通道后进行调焦。

优选的方案中，所述的前固定的正弯月透镜5通过前固定镜框16固定安装在主壳体3内，在前固定的正弯月透镜5通过前固定镜框16之间设有有机硅粘接密封胶21。由此结构，提高了仪器的抗冲击振动的能力，并起到密封作用。所述的后固定的负弯月透镜8和后固定的正弯月透镜9安装于后固定镜筒17内，在后固定镜筒17外部设有控制电路板25，用于控制系统变焦、调焦和校正等操作。还设有外壳22，用于隔热、防尘和密封，在外壳22的右端，设有电气接口23，用于控制信号的输入和视频图像输出。

本发明的仪器的具体工作过程如下：

连续变焦红外光学镜头1包括5片透镜，从物方到像方依次为：前固定的正弯月透镜5、可移动的双凹透镜6、可移动的正弯月透镜7、后固定的负弯月透镜8和后固定的正弯月透镜9。其中前固定的正弯月透镜5通过前固定镜框16固定在主壳体3内，在前固定的正弯月透镜5和前固定镜框16之间，填充有机硅粘接密封胶(21)。在主壳体3的右端，设有第一传动齿轮10用于驱动变焦凸轮4旋转，在变焦凸轮4上设有限位支板27和动力拨杆28，动力拨杆28穿过主壳体3上的让位槽303与变焦凸轮4上的传动槽403连接。可移动的双凹透镜6安装在变焦移动座11内，通过3个第一销钉组13与变焦凸轮4上的变焦驱动槽401和主壳体3上的变焦导向槽301连接。可移动的正弯月透镜7安装在补偿移动座12内，通过3个第二销钉组14与变焦凸轮4上的补偿驱动槽402和主壳体3上的补偿导向槽302连接。后固定的负弯月透镜8和后固定的正弯月透镜9安装于后固定镜筒17内。红外成像组件2安装在调焦移动座20内，通过导销组15与调焦凸轮18的内循环式凸轮槽181连接，调焦凸轮18通过第二传动齿轮19与调焦电机组29连接。外壳22与主壳体3连接，用于隔热、防尘和密封，在外壳22的右端，设有电气接口23，用于控制信号的输入和视频图像输出。

当需要进行变焦操作时，通过控制电路板25，启动变焦电机组件24，通过第一传动齿轮10和动力拨杆28带动变焦凸轮4旋转，3个第一销钉组13沿变焦凸轮4上的变焦驱动槽401和主壳体3上的变焦导向槽301运动，带动变焦移动座11和可移动的双凹透镜6作直线移动，从而实现系统的变焦；同时3个第二销钉组14沿变焦凸轮4上的补偿驱动槽402和主壳体3上的补偿导向槽302移动，驱使补偿移动座12和可移动的正弯月透镜7作直线移动，从而实现焦距补偿。当焦距达到极限值时，限位支板27压下微动开关26的触点，迫使变焦电机组件24断电，从而实现可靠的限位。

当需要进行调焦操作时，通过自动对焦模块控制电路板25，启动调焦电机组29，通过第二传动齿轮19带动调焦凸轮18旋转，导销组15沿调焦凸轮18的内循环式凸轮槽181运动，驱使安装在调焦移动座20内的红外成像组件2作直线移动，从而实现系统调焦。

本发明利用二元光学技术，将连续变焦红外光学镜头和大矩阵小像元红外成像组件有机结合，实现了仪器的轻量化设计，具有结构精巧、分辨率高、成本低廉的特点，系统性能稳定、工作可靠，可对不同距离范围内的目标连续清晰成像，具备对目标的捕获、跟踪和监视能力，适用于安防、监控、侦察等领域。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，在互不冲突的前提下，本发明的各项技术特征能够互相组合，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种轻量化连续变焦非制冷红外热像仪，包括连续变焦红外光学镜头（1）和红外成像组件（2），其特征是：所述的连续变焦红外光学镜头（1）由五片组成，从物方到像方依次为：前固定的正弯月透镜（5）、可移动的双凹透镜（6）、可移动的正弯月透镜（7）、后固定的负弯月透镜（8）和后固定的正弯月透镜（9）；

所述的前固定的正弯月透镜（5）的第二面和可移动的正弯月透镜（7）的第一面为非球面，在前固定的正弯月透镜（5）的第二面和可移动的正弯月透镜（7）的第一面设有衍射光学结构；

所述的连续变焦红外光学镜头（1）F数为1.0；

透镜材料均为锗单晶；

连续变焦红外光学镜头（1）的参数为：

前固定的正弯月透镜（5）第一面曲率半径405.5mm，第二面曲率半径2096.06mm，厚度9mm，空气间隔89.292mm；

可移动的双凹透镜（6）第一面曲率半径-405.5mm，第二面曲率半径912mm，厚度5mm，空气间隔42.509mm；

可移动的正弯月透镜（7）第一面曲率半径87.23mm，第二面曲率半径184.67mm，厚度8.2mm，空气间隔5.029mm；

后固定的负弯月透镜（8）第一面曲率半径35.16mm，第二面曲率半径26.42mm，厚度5mm，空气间隔24.4mm；

后固定的正弯月透镜（9）第一面曲率半径52.405mm，第二面曲率半径76.16mm，厚度5mm，空气间隔12mm。

2.根据权利要求1所述的一种轻量化连续变焦非制冷红外热像仪，其特征是：所述的衍射光学结构为同心环状的微浮雕光栅结构。

3.根据权利要求1所述的一种轻量化连续变焦非制冷红外热像仪，其特征是：所述的红外成像组件（2）为非制冷焦平面阵列，分辨率为640×512，像元间距为17µm。

4.根据权利要求1所述的一种轻量化连续变焦非制冷红外热像仪，其特征是：所述的前固定的正弯月透镜（5）固定安装在主壳体（3）内，变焦凸轮（4）可转动的套接在主壳体（3）内，变焦凸轮（4）通过变焦驱动槽（401）驱动可移动的双凹透镜（6）和可移动的正弯月透镜（7）沿轴线移动，调焦凸轮（18）通过内循环式凸轮槽（181）驱动红外成像组件（2）移动。

5.根据权利要求4所述的一种轻量化连续变焦非制冷红外热像仪，其特征是：在变焦凸轮（4）设有沿圆周120°均布的3处变焦驱动槽（401）和3处补偿驱动槽（402），还设有传动槽（403）；

在主壳体（3）设有沿圆周120°均布的3处变焦导向槽（301）和3处补偿导向槽（302）；

第一销钉组（13）穿过变焦导向槽（301）和变焦驱动槽（401）与变焦移动座（11）连接，可移动的双凹透镜（6）固定安装在变焦移动座（11）内；

第二销钉组（14）穿过补偿导向槽（302）和补偿驱动槽（402）与补偿移动座（12）连接，可移动的正弯月透镜（7）固定安装在补偿移动座（12）内；

调焦凸轮（18）设有内循环式凸轮槽（181），导销组（15）滑动安装在内循环式凸轮槽（181）内，导销组（15）与调焦移动座（20）连接，红外成像组件（2）安装在调焦移动座（20）上。

6.根据权利要求5所述的一种轻量化连续变焦非制冷红外热像仪，其特征是：在主壳体（3）上还设有变焦电机组件（24），变焦电机组件（24）与变焦凸轮（4）外壁的第一传动齿轮（10）连接，在主壳体（3）上设有微动开关（26），在变焦凸轮（4）上设有用于限定变焦凸轮（4）转动位置的限位支板（27）；

调焦凸轮（18）可转动的安装在后固定镜筒（17），后固定镜筒（17）与主壳体（3）固定连接，调焦电机组件（29）固定安装在后固定镜筒（17），调焦电机组件（29）与调焦凸轮（18）的第二传动齿轮（19）连接；

在红外成像组件（2）还设有自动对焦模块，自动对焦模块根据图像信号的焦点驱动调焦电机组件（29）自动对焦。

7.根据权利要求4所述的一种轻量化连续变焦非制冷红外热像仪，其特征是：所述的前固定的正弯月透镜（5）通过前固定镜框（16）固定安装在主壳体（3）内，在前固定的正弯月透镜（5）通过前固定镜框（16）之间设有有机硅粘接密封胶（21）。

Images