CN113703159A - 宽波段大变倍比连续变焦摄像机大视场高低温补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种宽波段大变倍比连续变焦摄像机大视场高低温补偿方法，在zemax软件中，打开宽波段大变倍比连续变焦摄像机光学系统设计数据，设置各结构件材料的线性热膨胀系数；将温度调整到所述光学系统大视场设计温度区间以外，调整焦面工作距离直至成像清晰，记录此时的焦面工作距离；计算此时的焦面工作距离与所述光学系统默认温度下焦面工作距离的焦面变化值，根据焦面变化值选取对应线性热膨胀系数的材料进行像面热补偿。本发明通过在zemax软件中模拟出高、低温时的焦面工作距离，找到焦面变化量，寻找线性热膨胀系数满足的材料制作成对应的零部件，再利用该零部件的热膨胀进行像面热补偿，完美解决了大视场情况下，图像模糊的现象。
Description
技术领域
本发明属于摄像系统技术领域，具体涉及一种宽波段大变倍比连续变焦摄像机大视场高低温补偿方法。
背景技术
摄像系统由于其具有作用距离远、大变倍比、宽光谱等特点，广泛应用于机载或车载搜索瞄准指示系统，用于在典型气象条件下对目标进行可见光和近红外成像，供飞行员在日间观察和搜索目标。摄像系统在高低温环境下，例如运行在极寒和热带地区时，存在图像变的模糊的现象。在小视场的时候，图像变模糊可以通过调焦功能来弥补高低温导致像面离焦的情况；而对于大视场，高低温致使其像面离焦，出现图像模糊的问题，调焦功能对系统完全不起作用，解决大视场情况下，图像模糊的现象，显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽波段大变倍比连续变焦摄像机大视场高低温补偿方法，本方法操作简单，实用性强。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种宽波段大变倍比连续变焦摄像机大视场高低温补偿方法，其特征在于：
在zemax软件中，打开已有的宽波段大变倍比连续变焦摄像机光学系统设计数据，设置所述光学系统各结构件材料的线性热膨胀系数；将温度调整到所述光学系统大视场设计温度区间以外，调整焦面工作距离直至成像清晰，记录此时的焦面工作距离；
计算此时的焦面工作距离与所述光学系统默认温度下焦面工作距离的焦面变化值，根据焦面变化值选取对应线性热膨胀系数的材料进行像面热补偿。
进一步地，在zemax软件中，打开已有的宽波段大变倍比连续变焦摄像机光学系统设计数据后，再删除除了宽波段大变倍比连续变焦摄像机光学系统大视场数据以外的结构数据。
进一步地，在zemax软件中，设置好各结构件材料的线性热膨胀系数后，将焦面工作距离设置成变量，其余变量都设置成固定值。
进一步地，所述设计温度区间为光学系统允许的离焦量对应的温度区间。
进一步地，在zemax软件中，所述光学系统默认温度为20℃，对应的焦面工作距离为a；
模拟低温环境：将温度设置为-40℃时，大视场的像质变差，调整焦面工作距离为b时，成像清晰；
模拟高温环境：将温度设置为+70℃时，大视场的像质变差，调整焦面工作距离为c时，成像清晰；
以20℃时的焦面工作距离为基准，用-40℃时和+70℃时的焦面工作距离分别减去20℃时的焦面工作距离，计算出-40℃和+70℃时焦面变化值。
进一步地，所述材料选用黑色聚甲醛。
进一步地，将黑色聚甲醛加工成所需尺寸的零件替换之前安装在后固定组件后的连接件座，并对产品重新调校相机视差。
进一步地，根据黑色聚甲醛的热膨胀系数计算出满足像面热补偿需要的黑色聚甲醛的长度，计算公式如下：
Δ1＝HR×L×Δ℃
其中，Δ1为焦面变化量，H为温度修正系数，R为热膨胀系数，L为黑色聚甲醛材料加工成的零件的长度，Δ℃为温度变化范围。
进一步地，根据光学系统允许的离焦量和-40℃、+70℃时焦面变化量Δ1，计算出在-40℃、+70℃时成像清楚时允许的焦面变化量，也就是修正焦面变化量Δ3，计算公式如下：
Δ3＝Δ1-Δ2
其中，Δ2为光学系统的焦深。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明通过在zemax软件中模拟出高、低温时的焦面工作距离，并通过调整使得图像清晰，找到焦面变化量，在通过焦面变化量寻找线性热膨胀系数满足的材料制作成对应的零部件，再利用该零部件的热膨胀进行像面热补偿，完美解决了大视场情况下，图像模糊的现象，而且本方法操作简单，实用性强。
附图说明
图1是宽波段大变倍比连续变焦摄像机大视场高低温补偿方法的流程图。
图2是实施例中步骤一的软件界面示意图。
图3是实施例中步骤二的软件界面示意图。
图4是实施例中20℃像质的软件界面示意图。
图5是实施例中-40℃像质的软件界面示意图。
图6是实施例中调整后-40℃像质的软件界面示意图。
图7是实施例中+70℃像质的软件界面示意图。
图8是实施例中调整后+70℃像质的软件界面示意图。
图9是实施例中产品更换补偿零件后的宽波段大变倍比连续变焦摄像机的剖视图。
图10是实施例中连接件座的示意图。
图中，1、连接件座。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1，一种宽波段大变倍比连续变焦摄像机大视场高低温补偿方法，通过在zemax软件中模拟出高、低温时的焦面工作距离，并通过调整使得图像清晰，找到焦面变化量，在通过焦面变化量寻找线性热膨胀系数满足的材料制作成对应的零部件，再利用该零部件的热膨胀进行像面热补偿，完美解决了大视场情况下，图像模糊的现象。具体包括一些步骤：
步骤一、在zemax软件中，打开宽波段大变倍比连续变焦摄像机光学系统设计数据，用鼠标点击Editors选择Multi-Configuration，在多重结构中，删除2-8重结构，保留第1重结构数据，也就是保留宽波段大变倍比连续变焦摄像机光学系统的大视场数据(操作步骤见图2)。
步骤二、在zemax软件中，设置出各结构件材料的线性热膨胀系数，只将焦面工作距离设置成变量，其余变量都设置成固定值(操作结果见图3)。
步骤三、在zemax软件中，光学系统设计的默认温度为20℃，焦面工作距离为13.887。
模拟低温：用鼠标点击Gen-Environment，将温度设置-40℃时，发现整个大视场的光学系统像质变差，当调整焦面工作距离为13.712时，成像清晰(如图4、5、6，20℃像质图、-40℃像质图、调整后-40℃像质图)。
模拟高温：用鼠标点击Gen-Environment，将温度设置为+70℃时，整个大视场的光学系统像质变差，当调整焦面工作距离为14.029时，成像清晰(如图7、8，70℃像质图、调整后70℃像质图)。
步骤四、根据温度在-40℃、20℃、+70℃时焦面工作距离分别为13.712mm、13.887mm、14.029mm，以20℃时的焦面工作距离为基准，计算-40℃和+70℃时焦面变化值分别为0.175mm和0.142mm。
在没有对宽波段大变倍比连续变焦摄像机大视场进行热补偿的情况下，对其进行高低温实验，并切换到大视场，在-40℃和+70℃时，大视场成像模糊，此结果和光学仿真的结果一致。
步骤五、根据焦面变化量选取材料进行像面热补偿，根据材料的热膨胀系数及实验验证，选取黑色聚甲醛来弥补大视场在温度变化过程中导致成像模糊的现象。黑色聚甲醛是一种高熔点、高结晶性的热塑性工程塑料。因黑色聚甲醛所具有良好特性，非常适合在自动车床上加工，特别适合用来制造精密零件。
如图9、10所示，将黑色聚甲醛加工成所需尺寸的零件替换之前安装在后固定组件后的连接件座1，原位替换，并对产品重新调校相机视差。
(1)根据黑色聚甲醛的热膨胀系数计算出满足这么大的温度变化范围需要材料的长度(即连接件座1的长度)，来弥补焦面工作距离变化，计算公式如下：
Δ1＝HR×L×Δ℃
其中，Δ1为焦面变化量，H为温度修正系数，R为热膨胀系数，L为材料长度，Δ℃为温度变化范围(20℃为基准)。
通过上述公式：
计算出在满足-40℃时焦面变化量为0.175mm时，所需要的黑色聚甲醛(连接件座1)长度为35mm，
满足+70℃时焦面变化量为0.142mm时，所需要的黑色聚甲醛长度为29mm(黑色聚甲醛的热膨胀系数为100×10-6C-1)。
(2)根据宽波段大变倍比连续变焦摄像机大视场的光学系统，计算出整个光学系统允许的离焦量，计算公式如下：
Δ2＝N4F2λ
其中，Δ2为光学系统的焦深，N为光学系统的系数，F为光学系统的进光量，λ为光学系统设计的波长；
通过上述公式，计算出所述光学系统允许的离焦量为0.035mm，也就是焦面离焦±0.035mm时，成像依然清晰。
(3)根据光学系统允许的离焦量和-40℃、+70℃时焦面变化量，计算出在-40℃、+70℃时成像清楚时允许的焦面变化量，也就是修正焦面变化量，计算公式如下：
Δ3＝Δ1-Δ2
其中，Δ3为修正焦面变化量，Δ1为焦面变化量，Δ2为光学系统的焦深。
通过上述公式，计算出在-40℃时成像清楚时允许的焦面变化量为0.14mm，与+70℃时焦面变化量为0.142mm基本一致，那么可以用同样长度的黑色聚甲醛来弥补焦面工作距离变化，综上所述实际满足-40℃和+70℃焦面变化量所需的黑色聚甲醛长度为29mm。
通过上述方法对宽波段大变倍比连续变焦摄像机大视场进行热补偿的情况下，对其进行高低温实验，并切换到大视场，在-40℃和+70℃时，大视场成像清晰。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种宽波段大变倍比连续变焦摄像机大视场高低温补偿方法，其特征在于：
在zemax软件中，打开已有的宽波段大变倍比连续变焦摄像机光学系统设计数据，设置所述光学系统各结构件材料的线性热膨胀系数；将温度调整到所述光学系统大视场设计温度区间以外，调整焦面工作距离直至成像清晰，记录此时的焦面工作距离；
计算此时的焦面工作距离与所述光学系统默认温度下焦面工作距离的焦面变化值，根据焦面变化值选取对应线性热膨胀系数的材料进行像面热补偿。
2.根据权利要求1所述的宽波段大变倍比连续变焦摄像机大视场高低温补偿方法，其特征在于：在zemax软件中，打开已有的宽波段大变倍比连续变焦摄像机光学系统设计数据后，再删除除了宽波段大变倍比连续变焦摄像机光学系统大视场数据以外的结构数据。
3.根据权利要求1所述的宽波段大变倍比连续变焦摄像机大视场高低温补偿方法，其特征在于：在zemax软件中，设置好各结构件材料的线性热膨胀系数后，将焦面工作距离设置成变量，其余变量都设置成固定值。
4.根据权利要求1所述的宽波段大变倍比连续变焦摄像机大视场高低温补偿方法，其特征在于：所述设计温度区间为光学系统允许的离焦量对应的温度区间。
5.根据权利要求1所述的宽波段大变倍比连续变焦摄像机大视场高低温补偿方法，其特征在于：在zemax软件中，所述光学系统默认温度为20℃，对应的焦面工作距离为a；
模拟低温环境：将温度设置为-40℃时，大视场的像质变差，调整焦面工作距离为b时，成像清晰；
模拟高温环境：将温度设置为+70℃时，大视场的像质变差，调整焦面工作距离为c时，成像清晰；
以20℃时的焦面工作距离为基准，用-40℃时和+70℃时的焦面工作距离分别减去20℃时的焦面工作距离，计算出-40℃和+70℃时焦面变化值。
6.根据权利要求5所述的宽波段大变倍比连续变焦摄像机大视场高低温补偿方法，其特征在于：所述材料选用黑色聚甲醛。
7.根据权利要求6所述的宽波段大变倍比连续变焦摄像机大视场高低温补偿方法，其特征在于：将黑色聚甲醛加工成所需尺寸的零件替换之前安装在后固定组件后的连接件座，并对产品重新调校相机视差。
8.根据权利要求7所述的宽波段大变倍比连续变焦摄像机大视场高低温补偿方法，其特征在于：根据黑色聚甲醛的热膨胀系数计算出满足像面热补偿需要的黑色聚甲醛的长度，计算公式如下：
Δ1＝HR×L×Δ℃
其中，Δ1为焦面变化量，H为温度修正系数，R为热膨胀系数，L为黑色聚甲醛材料加工成的零件的长度，Δ℃为温度变化范围。
9.根据权利要求8所述的宽波段大变倍比连续变焦摄像机大视场高低温补偿方法，其特征在于：根据光学系统允许的离焦量和-40℃、+70℃时焦面变化量Δ1，计算出在-40℃、+70℃时成像清楚时允许的焦面变化量，也就是修正焦面变化量Δ3，计算公式如下：
Δ3＝Δ1-Δ2
其中，Δ2为光学系统的焦深。
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