CN114089517A - 具有三种工作模式的长收缩比、连续变焦镜头 - Google Patents
具有三种工作模式的长收缩比、连续变焦镜头 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种具有三种工作模式的长收缩比、连续变焦镜头。该镜头采用了负组补偿变焦形式，通过变倍组B、补偿组C、温度补偿组E三者沿光轴的前后运动实现了长短焦变焦功能，变焦后的光线通过两种不同的滤光镜以及一个偏振片之间的相互切换，分别实现了0.45μm‑0.65μm、0.74μm‑0.92μm双波段及偏振光的25倍连续变焦。本发明提供的镜头具有在昼间白光模式、夜间近红外模式和水面反射干扰的偏振模式下探测物体的功能，基本能够适应各种不同光照条件和自然环境下的使用需求，并且具有设备体积小、重量轻、成像质量高等诸多优点。
Description
技术领域
本发明涉及光学镜头技术领域，具体涉及一种具有三种工作模式的长收缩比、连续变焦镜头。
背景技术
连续变焦光学系统是指能够实现大视场目标搜索以及小视场跟踪或识别功能，并且在变焦过程中目标图像始终保持清晰的光学设备。由于可以在变焦范围内完成任意视场的变换，因此连续变焦光学系统及搭载此光学系统的设备在观察、瞄准、监控等领域都得到了广泛运用。
现有的连续变焦光学系统(如中国专利CN111624750A等)往往通过若干组不同的透镜实现上述功能，分析可知这些系统普遍功能单一，并且在不同环境下观察、测量目标的分辨率较差、效率不够高。调研发现，在亮度相差巨大(如白天和黑夜)的环境中用户也需要频繁使用连续变焦镜头，在野外有河流、湖泊的应用场景下还需要克服水面反射的光线对观测带来的干扰，目前市面上没有满足相应要求的光学设备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有三种工作模式的长收缩比、连续变焦镜头，该镜头包括相互间断且顺次共轴排列的物镜组A、变倍组B、补偿组C、前固定组D、温度补偿组E、滤光偏振组F、后固定组G。变倍组B、补偿组C在一定范围内沿光轴以一定规律相对运动(两者运动方向不同)，物镜组A、前固定组D、温度补偿组E、滤光偏振组F、后固定组G均不动，由此实现长焦连续调节功能；变倍组B、补偿组C、温度补偿组E在一定范围内沿光轴以一定规律相对运动(三者运动方向不同)，物镜组A、前固定组D、滤光偏振组F、后固定组G均不动，由此实现短焦连续调节功能。所述滤光偏振组F包括白光滤光镜13、近红外滤光镜14以及偏振片15；在白光工作模式下，滤光偏振组F切换成白光滤光镜13，实现0.425μm-0.65μm波段的可见光调焦调节；在近红外工作模式下，滤光偏振组F切换成近红外滤光镜14，实现0.74μm-0.92μm波段的近红外光调焦调节；在偏振工作模式下，滤光偏振组F切换成偏振片15，在外界反射光强烈干扰影响下实现0.425μm-0.65μm波段的可见光调焦调节。
进一步的，滤光偏振组F为白光滤光镜、近红外滤光镜和偏振片交替使用，满足了昼夜连续工作和强光干扰下正常工作的需要，由此实现了三种不同的工作模式。
进一步的，所述白光滤光镜13采用普通玻璃H-K9L制成，在其前表面镀有一层增透膜，保证0.45μm-0.65μm波段的光线透过率达99％；在其后表面镀有一层干涉滤光膜，保证0.7μm-0.9μm波段的光线透过率仅为0.7％，从而防止近红外光透过，使镜头能够寻求到最佳光亮并在探测器上形成彩色图像。
进一步的，所述近红外滤光镜14采用红外透射可见光吸收玻璃HB760制成。白光波段的光线在该玻璃中的透过率为0，0.7μm-0.9μm波段的光线在该玻璃中的透过率达99.5％，从而保证镜头在黄昏、大雾、黑夜等能见度低的情况下，都能在探测器上形成黑白图像。
进一步的，所述偏振片15采用GCL-05偏振片。该偏振片由二向色性材料制成，当光波通过该偏振片时，其中正交偏振分量之一被偏振强烈吸收，而对另一分量则吸收较弱，从而起到检偏作用。在水面等反光环境下使用时，当外界强光进入镜头后，偏振片吸收正交偏振方向的光强，从而抑制外界强光(如水面反射光)避免其过强，同时又能让部分光透过镜头并在探测器上形成彩色图像。
更进一步的，所述偏振片15可受控转动一定角度，以便更好的克服外界强光、水面反射光线的干扰。
进一步的，该镜头的焦距范围为18mm-500mm，使用波段长度为0.425μm-0.92μm，收缩比不超过0.52。
进一步的，所述物镜组A包括共轴且依次贴合设置的物镜第一透镜1、物镜第二透镜2、物镜第三透镜3，其中物镜第一透镜1为正光焦度的双胶合透镜，物镜第二透镜2为负光焦度的双胶合透镜，物镜第三透镜3为正光焦度的弯月透镜。物镜组A整体用于光线汇聚，便于后续成像和观察。
进一步的，所述变倍组B包括共轴且依次贴合设置的变倍第一透镜4、变倍第二透镜5，其中变倍第一透镜4为负光焦度的双凹透镜，变倍第二透镜5为负光焦度的双胶合透镜。变倍组B能够整体沿光轴移动，实现变焦。
进一步的，所述补偿组C包括共轴且依次贴合设置的补偿第一透镜6、补偿第二透镜7，其中补偿第一透镜6为正光焦度的双胶合透镜，补偿第二透镜7为负光焦度的双凹透镜。补偿组C整体配合变倍组B，更好、更快的实现变焦，变倍组B整体沿光轴移动实现变焦，补偿组C整体沿光轴移动实现补偿，使变倍组B引起的像面变动为零，从而保证变焦过程像面稳定。
进一步的，所述前固定组D包括共轴且依次贴合设置的前固定第一透镜8、前固定第二透镜9、前固定第三透镜10、前固定第四透镜11。其中前固定第一透镜8为正光焦度的双胶合透镜，前固定第二透镜9为正光焦度的双凸透镜，前固定第三透镜10为正光焦度的弯月透镜，前固定第三透镜11为负光焦度的双胶合透镜。前固定组D主要用于完成光阑匹配。
进一步的，所述温度补偿组E具体为温度补偿调焦透镜12，所述温度补偿调焦透镜12为负光焦度的双凹透镜。在短焦调节过程中，温度补偿调焦透镜12可以进行内调焦，其在一定范围内沿光轴移动实现温度补偿，主要补偿像面随温度的漂移，减小不同温度下调焦产生的像差，使镜头在较宽的环境温度下也能正常工作。
进一步的，所述后固定组G包括共轴且依次贴合设置的后固定第一透镜16、后固定第二透镜17、后固定第三透镜18，其中后固定第一透镜16为负光焦度的弯月透镜，后固定第二透镜17为正光焦度的双凸透镜，后固定第三透镜18为正光焦度的弯月透镜。后固定组G采用分离薄透镜组，使用远距物镜的形式使像散的校正余地较大，同时远距时系统长度大大缩短，收缩比即系统总长与长焦距之比变大(0.52)。这种长收缩比形式不仅减小了光学系统长度，实现变倍曲线行程短，而且变焦过程像面稳定。
进一步的，所述镜头为齐焦镜头，即用某一倍率的物镜观察图像清晰后，再转换另一倍率的物镜时，其成像亦基本清晰。由于采用了齐焦镜头，变焦过程中图像也能保持清晰，因此探测器只需一个即可。该齐焦镜头通过长焦、短焦光程相匹配，可见光与近红外齐焦，共轭距相等实现。
进一步的，镜头采用材料色散匹配实现，即双胶合透镜组采用高色散材料透镜与低色散材料玻璃胶合，实现色散匹配。例如前固定第四透镜11由高色散玻璃H-ZLAF69A与低色散玻璃H-FK61B相胶合而成，其他类似。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几个方面：
(1)本发明采用了负组补偿变焦形式以及连续变焦设计，通过两种滤光片和可旋转的偏振片，实现了0.45μm-0.65μm、0.74μm-0.92μm双波段模式及偏振模式共存且灵活转换的25倍连续变焦，收缩比可达0.52。本发明不仅减小了光学系统长度(总长仅为260.3mm)，而且实现了变倍曲线行程短、变焦过程像面稳定等效果。
(2)整个镜头具有相互独立的多种使用模式，能够在不同环境条件下准确快速的探测物体。滤光偏振组F可灵活快速切换，切换到白光滤光镜(对应昼间白光模式)就能实现白天可见光条件下的探测功能，切换到近红外滤光镜(对应夜间近红外模式)就能实现黄昏、大雾、黑夜等能见度低条件下的探测功能，切换到偏振镜(对应偏振模式)就能实现在强光或水面强反射条件下的探测功能。
(3)该镜头集昼夜、水面观测物体多用途、多功能于一体，极大的满足了市场对连续变焦光学设备体积小、重量轻、成像质量高、功能丰富等苛刻要求，具有较好的应用前景。
附图说明
图1为本发明长收缩比、连续变焦镜头的光路示意图；
图2为本发明长收缩比、连续变焦镜头的长、短焦调节示意图。
图3为可见光下本发明所述镜头的综合像质评价函数MTF(传递函数)在最短焦位置处的MTF图示；
图4为可见光下本发明所述镜头的综合像质评价函数MTF在最长焦位置处的MTF图示；
图5为近红外下本发明所述镜头的综合像质评价函数MTF在最短焦位置处的MTF图示；
图6为近红外下本发明所述镜头的综合像质评价函数MTF在最长焦位置处的MTF图示；
图7为本发明所述镜头变焦移动量示意图。
其中A-物镜组、B-变倍组、C-补偿组、D-前固定组、E-温度补偿组、F-滤光偏振组、G-后固定组；1-物镜第一透镜、2-物镜第二透镜、3-物镜第三透镜、4-变倍第一透镜、5-变倍第二透镜、6-补偿第一透镜、7-补偿第二透镜、8-前固定第一透镜、9-前固定第二透镜、10-前固定第三透镜、11-前固定第四透镜、12-温度补偿调焦透镜、13-白光滤光镜、14-近红外滤光镜、15-偏振片、16-后固定第一透镜、17-后固定第二透镜、18-后固定第三透镜。
具体实施方式
为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例及附图进行进一步说明。
本发明所述的前后左右等均为附图所示的方位。
如附图1-7所示的具有三种工作模式的长收缩比、连续变焦镜头，自左至右分别包括物镜组A、变倍组B、补偿组C、前固定组D、温度补偿组E、滤光偏振组F和后固定组G。以下分别对各个透镜组进行详细说明。
物镜组A由正光焦度的双胶合透镜(即物镜第一透镜1)、负光焦度的双胶合透镜(即物镜第二透镜2)、正光焦度的弯月透镜(即物镜第三透镜3)组合而成，能够实现汇聚外界光线的功能。变倍组B由负光焦度的双凹透镜(即变倍第一透镜4)、负光焦度的双胶合透镜(即变倍第二透镜5)组合而成。变倍组B整体沿光轴移动就能在一定范围内调焦。补偿组C由正光焦度的双胶合透镜(即补偿第一透镜6)、负光焦度的双凹透镜(即补偿第二透镜7)组合而成。补偿组C同样能够沿光轴移动，并对调焦进行补偿。前固定组D由正光焦度的双胶合透镜(即前固定第一透镜8)、正光焦度的双凸透镜(即前固定第二透镜9)、正光焦度的弯月透镜(即前固定第三透镜10)、负光焦度的双胶合透镜(即前固定第四透镜11)组合而成。通过前固定组D，可以顺利完成光阑匹配。温度补偿组E也是很关键的一个组件，其保证了镜头的高低温适应能力。温度补偿组E整体为一个负光焦度的双凹透镜(即温度补偿调焦透镜12)，利用其进行内调焦实现温度补偿功能。后固定组G采用分离薄透镜组，使用远距物镜的形式实现长收缩比，进而变倍曲线行程缩短，变焦过程像面稳定，其主要由负光焦度的弯月透镜(即后固定第一透镜16)、正光焦度的双凸透镜(即后固定第二透镜17)、正光焦度的弯月透镜(即后固定第三透镜18)组合而成。
滤光偏振组F是该镜头的关键部分，主要由三块不同功能、可灵活切换的光学元件组成，包括白光滤光镜13、近红外滤光镜14、偏振片15。每一个镜片对应一个工作模式，因此该镜头共计有3种不同的模式，能够便适应不同的应用场景。①白光工作模式：此时滤光偏振组F中的白光滤光片镜13位于光路上并发挥作用，外界光线通过白光滤光片13后得到波长为0.425μm-0.65μm的光束，并在探测器上形成清晰的图像；②夜间近红外模式：此时滤光偏振组F中的近红外滤光镜14位于光路上并发挥作用，外界光线通过近红外滤光镜14后得到波长为0.74μm-0.92μm的光束，并在探测器上形成清晰的图像；③偏振工作模式：此时滤光偏振组F中的偏振片15位于光路上并发挥作用，外界光线通过偏振片15后，绝大部分外界强光被吸收，得到波长为0.425μm-0.65μm的光束，并在探测器上形成清晰的图像。
为了满足上述要求，滤光偏振组F中各个镜片需满足以下要求：
| 曲率半径 | 厚度 | 玻璃材料/型号 | |
| 白光滤光镜 | infinity | 2 | H-K9L |
| 近红外滤光镜 | infinity | 2 | HB760 |
| 偏振片 | infinity | 2 | GCL-05 |
所有这些光学组件共轴并且间隔一定距离密封在镜筒内，其中变倍组B、补偿组C能够受控(如电机或手动)沿光轴左右移动进行连续变倍调焦，由于两者移动距离较大，正好对应长焦调节过程。在变倍组B、补偿组C左右平移调焦的过程中，温度补偿组E也能受控沿光轴左右移动，不过由于移动范围较窄只能用于短焦调节。该镜头的总长度为260.3mm，焦距范围为18mm-500mm，使用波段长度为425μm-920μm。
Claims (10)
1.一种具有三种工作模式的长收缩比、连续变焦镜头，其特征在于：该镜头包括顺次共轴排列的物镜组A、变倍组B、补偿组C、前固定组D、温度补偿组E、滤光偏振组F、后固定组G；变倍组B、补偿组C沿光轴相对运动，同时物镜组A、前固定组D、温度补偿组E、滤光偏振组F、后固定组G均不动，由此实现长焦连续调节功能；变倍组B、补偿组C、温度补偿组E沿光轴相对运动，同时物镜组A、前固定组D、滤光偏振组F、后固定组G均不动，由此实现短焦连续调节功能；所述滤光偏振组F包括白光滤光镜(13)、近红外滤光镜(14)以及偏振片(15)；滤光偏振组F切换成白光滤光镜(13)，实现0.425μm-0.65μm波段的可见光调焦；滤光偏振组F切换成近红外滤光镜(14)，实现0.74μm-0.92μm波段的近红外光调焦；滤光偏振组F切换成偏振片(15)，实现外界反射光强烈干扰影响下0.425μm-0.65μm波段的可见光调焦。
2.如权利要求1所述的长收缩比、连续变焦镜头，其特征在于：所述白光滤光镜(13)采用普通玻璃H-K9L制成，在其前后表面分别镀有增透膜和干涉滤光膜；所述近红外滤光镜(14)采用红外透射可见光吸收玻璃HB760制成；所述偏振片(15)具体为GCL-05偏振片。
3.如权利要求1或2所述的长收缩比、连续变焦镜头，其特征在于：所述偏振片(15)可受控转动一定角度。
4.如权利要求1所述的长收缩比、连续变焦镜头，其特征在于：该镜头的焦距范围为18mm-500mm，使用波段长度为0.425μm-0.92μm，收缩比不超过0.52。
5.如权利要求1所述的长收缩比、连续变焦镜头，其特征在于：所述物镜组A包括共轴且依次贴合设置的物镜第一透镜(1)、物镜第二透镜(2)、物镜第三透镜(3)；其中物镜第一透镜(1)为正光焦度的双胶合透镜，物镜第二透镜(2)为负光焦度的双胶合透镜，物镜第三透镜(3)为正光焦度的弯月透镜。
6.如权利要求1所述的长收缩比、连续变焦镜头，其特征在于：所述变倍组B包括共轴且依次贴合设置的变倍第一透镜(4)、变倍第二透镜(5)；其中变倍第一透镜(4)为负光焦度的双凹透镜，变倍第二透镜(5)为负光焦度的双胶合透镜。
7.如权利要求1所述的长收缩比、连续变焦镜头，其特征在于：所述补偿组C包括共轴且依次贴合设置的补偿第一透镜(6)、补偿第二透镜(7)，其中补偿第一透镜(6)为正光焦度的双胶合透镜，补偿第二透镜(7)为负光焦度的双凹透镜。
8.如权利要求1所述的长收缩比、连续变焦镜头，其特征在于：所述前固定组D包括共轴且依次贴合设置的前固定第一透镜(8)、前固定第二透镜(9)、前固定第三透镜(10)、前固定第四透镜(11)；其中前固定第一透镜(8)为正光焦度的双胶合透镜，前固定第二透镜(9)为正光焦度的双凸透镜，前固定第三透镜(10)为正光焦度的弯月透镜，前固定第三透镜(11)为负光焦度的双胶合透镜。
9.如权利要求1所述的长收缩比、连续变焦镜头，其特征在于：所述温度补偿组E具体为温度补偿调焦透镜(12)，所述温度补偿调焦透镜(12)为负光焦度的双凹透镜；所述后固定组G包括共轴且依次贴合设置的后固定第一透镜(16)、后固定第二透镜(17)、后固定第三透镜(18)；其中后固定第一透镜(16)为负光焦度的弯月透镜，后固定第二透镜(17)为正光焦度的双凸透镜，后固定第三透镜(18)为正光焦度的弯月透镜。
10.如权利要求1所述的长收缩比、连续变焦镜头，其特征在于：所述镜头为齐焦镜头，并且各个胶合透镜采用高色散材料透镜与低色散材料玻璃胶合而成。
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