CN114236794B - 一种双视场电动调焦红外镜头、成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双视场电动调焦红外镜头、成像装置。所述镜头包括镜筒以及在镜筒内沿光轴传输方向依次同轴设置的前固定组、视场切换镜、后固定组；所述前固定组为弯月正透镜A；所述视场切换镜为弯月负透镜B；所述后固定组由依次设置的弯月正透镜C和弯月正透镜D组成；所述弯月负透镜B通过固定在镜筒上的驱动件的作用下，在所述弯月正透镜A和弯月正透镜C之间移动从而实现短焦70mm视场和长焦140mm视场的切换。本发明镜头结构简洁、紧凑、镜片数量少、像面稳定性好；视场切换方便，平稳、快捷。在工作温度为‑40℃至60℃，均具有良好的成像效果，适用于像元数640×512、像元大小12μm的制冷型探测器。
Description
技术领域
本发明属于光学镜头技术领域，涉及一种双视场电动调焦红外镜头、成像装置。
背景技术
随着科学技术的发展，红外成像技术已广泛应用在国防、工业、医疗等领域。红外探测具有一定的穿透烟、雾、霾、雪等能力以及识别伪装的能力，不受强光、闪光干扰而致盲，可以实现远距离，全天候观察，尤其适用于夜间及不良气象条件下的目标探测。红外调焦镜头能够对焦距进行调节，以满足探测器的成像需要，故应用较为广泛。
在复杂环境下，焦距会受多种因素影响，进而导致成像不清晰，影响探测器的正常工作。例如，温度不仅会对光学材料的折射率造成影响也会对镜筒材料造成热胀冷缩，致使光焦度变化和最佳像面发生偏移，降低光学成像质量，图像模糊不清，对比度下降，最终影响镜头的成像性能。这就使得需要对温度进行补偿，温度补偿的方式通常采用光学补偿方式或机械补偿方式。
光学系统设计中，连续变焦系统虽然可实现在变焦过程中持续对目标进行清晰成像，但系统结构复杂、加工和装配难度较大，导致系统透过率和成像质量下降，影响成像效果。另外，当系统用于测量时，视轴晃动会导致系统测量误差变大。而双视场光学系统结构简单，兼具短焦距视场的覆盖率广，长焦距视场分辨率高的特点，两者协同可实现对目标的大视场搜索以及小视场跟踪与测量。
在双视场光学系统结构设计中，通常镜片数量多，体积大，成本高，并且为了进一步补偿温度和距离的影响，除了设置用于视场切换的调节镜片，还需额外设置用于温度及距离补偿的调节镜片，如此进一步使得双视场光学系统结构复杂。或者运用了衍射技术，降低了系统的透过率。
发明内容
为解决现有技术中上述问题，本发明提出了一种双视场电动调焦红外镜头，能满足F70-140MM大小视场的切换，同时结构简洁、调节方便，体积较小、成本低。具体技术方案如下。
提供一种双视场电动调焦红外镜头，所述镜头包括镜筒以及在镜筒内沿光轴传输方向依次同轴设置的前固定组、视场切换镜、后固定组；所述前固定组为弯月正透镜A；所述视场切换镜为弯月负透镜B；所述后固定组由依次设置的弯月正透镜C和弯月正透镜D组成；所述弯月负透镜B通过固定在镜筒上的驱动件的作用下，在所述弯月正透镜A和弯月正透镜C之间移动从而实现短焦70mm视场和长焦140mm视场的切换；所述弯月正透镜A与弯月负透镜B之间的空气间隔调节范围为26.75mm-43.75mm；所述弯月负透镜B与弯月正透镜C之间的空气间隔调节范围为4mm-21mm；所述弯月正透镜C与弯月正透镜D之间的空气间隔为13.43mm。
优选地，所述弯月正透镜A的中心厚度为13.04mm；所述弯月负透镜B的中心厚度为4mm；所述弯月正透镜C的中心厚度为7.92mm；所述弯月正透镜D的中心厚度为3.52mm。
优选地，所述弯月正透镜A、弯月正透镜C的材质为硅；所述弯月负透镜B、弯月正透镜D的材质为锗单晶。
优选地，所述弯月正透镜A的物侧面拟合曲率半径为76.27mm，像侧面拟合曲率半径为97.49mm；所述弯月负透镜B的物侧面拟合曲率半径为462.53mm，像侧面拟合曲率半径为65.43mm；所述弯月正透镜C的物侧面拟合曲率半径为47.06mm，像侧面拟合曲率半径为91.48mm；所述弯月正透镜D的物侧面拟合曲率半径为47.89mm，像侧面拟合曲率半径为49.03mm。
优选地，所述弯月负透镜B的物侧面和弯月正透镜D的像侧面为非球面，并满足非球面公式：
其中，Z为非球面沿光轴方向在高度r的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c=1/R；R为镜面的近轴曲率拟合半径；k为圆锥系数；A，B，C，D，E为高次非球面系数。
优选地，所述镜筒包括主镜筒、转筒、移动镜筒和固定组筒；所述转筒套设于主镜筒的外周面，所述移动镜筒置于所述主镜筒内、并与所述主镜筒沿轴向滑动连接，所述固定组筒套设于移动镜筒内，并与主镜筒固定连接；所述驱动件与主镜筒固定连接，驱动件的驱动轴与转筒连接，驱动转筒转动；所述移动镜筒通过连接件随转筒的转动而沿轴向运动；所述弯月正透镜A设置在主镜筒的内腔前部，所述弯月负透镜B设置在移动镜筒内，所述弯月正透镜C与弯月正透镜D设置在固定组筒内。
优选地，所述驱动件的驱动轴设有第一齿轮，所述转筒的外周面设有与第一齿轮相啮合的第二齿轮；所述连接件为销钉，所述主镜筒和所述转筒的侧壁分别设有能够容纳所述销钉滑动的直滑道和螺旋滑道；所述销钉与移动镜筒的外周面连接，并依次穿过所述直滑道和螺旋滑道。
优选地，在所述弯月正透镜A的物侧，所述主镜筒的内周面设有第一压圈，所述弯月正透镜A与主镜筒之间设有O型圈；在所述弯月负透镜B的物侧，所述移动镜筒与弯月负透镜B之间设有第二压圈；在所述弯月正透镜C的物侧，所述固定组筒与弯月正透镜C之间设有第三压圈；在所述弯月正透镜D的物侧，所述固定组筒与弯月正透镜D之间设有第四压圈。
本发明的另一目的在于，提供一种成像装置，包括上述双视场电动调焦红外镜头和用于接收所述双视场电动调焦红外镜头所成像的探测器。
优选地，所述探测器为像元数640×512、像元大小12μm的制冷型探测器；所述成像装置还包括保护用锗窗口、冷屏；所述双视场电动调焦红外镜头、保护用锗窗口、冷屏以及所述探测器的焦平面阵列沿光轴传输方向依次设置。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明镜头结构简洁、紧凑、镜片数量少、像面稳定性好；实现了仅调节一块镜片的方式，就能完成对温度补偿和距离的调焦，同时实现了焦距70mm和焦距140mm的两档切换，视场切换方便，平稳、快捷；在工作温度为-40℃至60℃，均具有良好的成像效果。本发明的镜头可匹配像元数为640×512，像元大小12μm的探测器。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1中双视场电动调焦红外镜头的镜片组成图；
图2为实施例1中双视场电动调焦红外镜头的镜头剖面图；
图3为实施例1中双视场电动调焦红外镜头的镜头立体剖面图。
图4为实施例1中双视场电动调焦红外镜头的镜头外观图。
附图标记：
1、主镜筒；2、第一压圈；3、O型圈；4、弯月正透镜A；5、第二压圈；6、弯月负透镜B；7、第三压圈；8、弯月正透镜C；9、第四压圈；10、弯月正透镜D；11、第一齿轮；12、驱动件；13、转筒；14、移动镜筒；15、销钉；16、固定组筒；17、保护用锗窗口；18、冷屏；19、FPA；20、第二齿轮；21、螺旋滑道。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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作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。
本实施例提供一种双视场电动调焦红外镜头。如图1至图3所示，镜头的光学系统包括沿光轴传输方向从前至后依次设置的前固定组、视场切换镜、后固定组；前固定组为弯月正透镜A4；视场切换镜为弯月负透镜B6；后固定组由沿光轴传输方向依次设置的弯月正透镜C8和弯月正透镜D10组成。弯月正透镜A4、弯月负透镜B6、弯月正透镜C8、弯月正透镜D10的凸面均朝向物方。其中，弯月负透镜B6可沿光轴传输方向前后移动。
镜头的机械结构包括主镜筒1、转筒13、移动镜筒14、固定组筒16以及驱动转筒13转动的驱动件12。具体地，转筒13套设于主镜筒1的外周面，移动镜筒14设置于主镜筒1内、并与主镜筒1沿轴向滑动连接，固定组筒16套设于移动镜筒14内，并与主镜筒1固定连接；移动镜筒14通过连接件随转筒13转动而沿轴向运动。
弯月正透镜A4设置在主镜筒1的内腔前部，弯月负透镜B6设置在移动镜筒14内，弯月正透镜C8与弯月正透镜D10设置在固定组筒16内。
弯月负透镜B6通过固定在主镜筒1上的驱动件12的作用下，在弯月正透镜A4和弯月正透镜C8之间移动从而实现短焦70mm视场和长焦140mm视场的切换。作为一种具体实施方式，连接件为销钉15。主镜筒1和转筒13的侧壁分别设有能够容纳销钉15滑动的直滑道和螺旋滑道21；销钉15设置在移动镜筒14的外周面，并依次穿过直滑道和螺旋滑道21。转筒13的外周面设有第二齿轮20，驱动件12的驱动轴设有与第二齿轮20相啮合的第一齿轮11；在驱动件12的作用下第一齿轮11通过第二齿轮20带动转筒13转动，并在直滑道和螺旋滑道21的作用下通过销钉15带动移动镜筒14在主镜筒1内沿轴向移动。
作为一种具体的实施方式，驱动件12可以为电机，电机通过机架固定在主镜筒1上。可以理解的是，驱动件12也可以是其他能够起到带动第一齿轮11转动的电器元件。
在弯月正透镜A4的物侧，主镜筒1的内周面设有第一压圈2，弯月正透镜A4与主镜筒1之间设有O型圈3，弯月正透镜A4通过第一压圈2、O型圈3进行物侧定位；在弯月正透镜A4的像侧，主镜筒1内周面设有环形凸起，用于弯月正透镜A4的像侧定位。在弯月负透镜B6的物侧，移动镜筒1与弯月负透镜B6之间设有第二压圈5 ，用于弯月负透镜B6的物侧定位；在弯月负透镜B6的像侧，移动镜筒14的内周面设有环形凸起，用于弯月负透镜B6的像侧定位。在弯月正透镜C8的物侧，固定组筒16与弯月正透镜C8之间设有第三压圈7，用于弯月正透镜C8的物侧定位；在弯月正透镜C8的像侧，固定组筒16的内周面设有环形凸起，用于弯月正透镜C8的像侧定位。在弯月正透镜D10的物侧，固定组筒16与弯月正透镜D10之间设有第四压圈9，用于弯月正透镜D10的物侧定位；在弯月正透镜D10的像侧，固定组筒16的内周面设有环形凸起，用于弯月正透镜D10的像侧定位。
本实施例的变焦工作原理如下：驱动件12的驱动轴驱动第一齿轮11转动，第一齿轮11带动与之啮合的第二齿轮20转动，从而使得转筒13跟随第二齿轮20的转动而转动；由于转筒13上设有螺旋滑道21，旋转的螺旋滑道21引导在其中的销钉15随之滑动，同时因为主镜筒1上直滑道的限位，销钉15沿直滑道进行轴向运动，如此在直滑道和螺旋滑道21的共同作用下，实现了与销钉15下端连接的移动镜筒14在主镜筒1内沿轴向移动。弯月负透镜B6随着移动镜筒14的移动而移动，从而实现沿光轴方向前后移动，焦距从70mm到140mm切换变化，实现两档视场变焦。
光线依次经过弯月正透镜A4、弯月负透镜B6、弯月正透镜C、弯月正透镜D10，透过保护用锗窗口17，通过冷屏18，到达探测器焦平面阵列FPA19。
本实施例的镜头结构设计，确保了镜筒的同心度和精准度，以及调焦过程的平稳度，调焦操作方便。整体结构仅采用四块镜片，结构简洁，体积较小、成本低。
作为一种具体的实施方式，各镜片的具体参数如表1至表2所示。
本实施例中的，弯月正透镜A的中心厚度为13.04mm；弯月正透镜A的物侧面拟合曲率半径为76.27mm，像侧面拟合曲率半径为97.49mm；弯月负透镜B的中心厚度为4mm；物侧面拟合曲率半径为462.53mm，像侧面拟合曲率半径为65.43mm；所述弯月正透镜C的中心厚度为7.92mm；物侧面拟合曲率半径为47.06mm，像侧面拟合曲率半径为91.48mm；所述弯月正透镜D的中心厚度为3.52mm；物侧面拟合曲率半径为47.89mm，像侧面拟合曲率半径为49.03mm。
弯月正透镜C8与弯月正透镜D10之间的空气间隔固定为13.43mm。弯月正透镜A4与弯月负透镜B6之间，弯月负透镜B6与弯月正透镜C8之间的空气间隔可调，通过弯月负透镜B6的移动进行温度及距离补偿、双视场切换。其中，弯月正透镜A4与弯月负透镜B6之间的空气间隔调节范围为43.75mm/26.75mm，弯月负透镜B6与弯月正透镜C8之间的空气间隔调节范围为4mm/21mm。
调节弯月负透镜B6进行大小视场的切换。其中，在向短焦70mm变化时，弯月负透镜B6朝向物方运动，短焦视场范围为7.65°×6.26°。在向长焦140mm变化时，弯月负透镜B6朝向像方运动，长焦视场范围为3.93°×3.14°。
弯月正透镜A、弯月正透镜C的材质为硅，弯月负透镜B、弯月正透镜D的材质为锗单晶。
可以理解的是，沿光轴方向从左至右，左侧为物侧，右侧为像侧，如弯月正透镜A4的S1面为物侧面，S2面为像侧面。其他透镜此处不再赘述。
表1各镜片参数
表2 非球面系数数据
如表2所示，所述弯月负透镜B的物侧面和弯月正透镜D的像侧面为非球面，并满足非球面公式：
式中：Z为非球面沿光轴方向在高度r的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c=1/R；R为镜面的近轴曲率拟合半径；k为圆锥系数；A，B，C，D，E为高次非球面系数。
本实施例提供的镜头，达到了以下光学指标。
工作波段：3.7μm-4.8μm；
探测器的类型：640×512，12μm；
焦距：70/140mm；
F数：2；
工作温度：-40℃-60℃；
水平视场角：7.65°/3.93°，竖直视场角：6.26°/3.14°。
本发明光学镜头镜片数量少、光能利用率高；实现了仅调节一块镜片的方式，就能完成对温度补偿和距离的调焦，同时完成双视场的切换；通过光焦度的合理分配、材料的匹配，非球面的设计，在工作温度为-40℃至60℃，均具有良好的成像效果；视场切换方便，平稳、快捷、像面稳定性好。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护之内。
Claims (8)
1.一种双视场电动调焦红外镜头，其特征在于，所述镜头包括镜筒以及在镜筒内沿光轴传输方向依次同轴设置的前固定组、视场切换镜、后固定组；所述前固定组为弯月正透镜A；所述视场切换镜为弯月负透镜B；所述后固定组由依次设置的弯月正透镜C和弯月正透镜D组成；所述弯月负透镜B通过固定在镜筒上的驱动件的作用下，在所述弯月正透镜A和弯月正透镜C之间移动从而实现短焦70mm视场和长焦140mm视场的切换；所述弯月正透镜A与弯月负透镜B之间的空气间隔调节范围为26.75mm-43.75mm；所述弯月负透镜B与弯月正透镜C之间的空气间隔调节范围为4mm-21mm；所述弯月正透镜C与弯月正透镜D之间的空气间隔为13.43mm；所述弯月正透镜A的中心厚度为13.04mm；所述弯月负透镜B的中心厚度为4mm；所述弯月正透镜C的中心厚度为7.92mm；所述弯月正透镜D的中心厚度为3.52mm；所述弯月正透镜A的物侧面拟合曲率半径为76.27mm，像侧面拟合曲率半径为97.49mm；所述弯月负透镜B的物侧面拟合曲率半径为462.53mm，像侧面拟合曲率半径为65.43mm；所述弯月正透镜C的物侧面拟合曲率半径为47.06mm，像侧面拟合曲率半径为91.48mm；所述弯月正透镜D的物侧面拟合曲率半径为47.89mm，像侧面拟合曲率半径为49.03mm。
2.根据权利要求1所述的双视场电动调焦红外镜头，其特征在于，所述弯月正透镜A、弯月正透镜C的材质为硅；所述弯月负透镜B、弯月正透镜D的材质为锗单晶。
3.根据权利要求1所述的双视场电动调焦红外镜头，其特征在于，所述弯月负透镜B的物侧面和弯月正透镜D的像侧面为非球面，并满足非球面公式：
其中，Z为非球面沿光轴方向在高度r的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c＝1/R；R为镜面的近轴曲率拟合半径；k为圆锥系数；A，B，C，D，E为高次非球面系数。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的双视场电动调焦红外镜头，其特征在于，所述镜筒包括主镜筒、转筒、移动镜筒和固定组筒；所述转筒套设于主镜筒的外周面；所述移动镜筒置于所述主镜筒内、并与所述主镜筒沿轴向滑动连接；所述固定组筒套设于移动镜筒内，并与主镜筒固定连接；所述驱动件与主镜筒固定连接，驱动件的驱动轴与转筒连接，驱动转筒转动；所述移动镜筒通过连接件随转筒的转动而沿轴向运动；所述弯月正透镜A设置在主镜筒的内腔前部，所述弯月负透镜B设置在移动镜筒内，所述弯月正透镜C与弯月正透镜D设置在固定组筒内。
5.根据权利要求4所述的双视场电动调焦红外镜头，其特征在于，所述驱动件的驱动轴设有第一齿轮，所述转筒的外周面设有与第一齿轮相啮合的第二齿轮；所述连接件为销钉，所述主镜筒和所述转筒的侧壁分别设有能够容纳所述销钉滑动的直滑道和螺旋滑道；所述销钉与移动镜筒的外周面连接，并依次穿过所述直滑道和螺旋滑道。
6.根据权利要求5所述的双视场电动调焦红外镜头，其特征在于，在所述弯月正透镜A的物侧，所述主镜筒的内周面设有第一压圈，所述弯月正透镜A与主镜筒之间设有O型圈；在所述弯月负透镜B的物侧，所述移动镜筒与弯月负透镜B之间设有第二压圈；在所述弯月正透镜C的物侧，所述固定组筒与弯月正透镜C之间设有第三压圈；在所述弯月正透镜D的物侧，所述固定组筒与弯月正透镜D之间设有第四压圈。
7.一种成像装置，其特征在于，包括上述权利要求1至3任意一项所述的双视场电动调焦红外镜头和用于接收所述双视场电动调焦红外镜头所成像的探测器。
8.根据权利要求7所述的成像装置，其特征在于，所述探测器为像元数640×512、像元大小12μm的制冷型探测器；所述成像装置还包括保护用锗窗口、冷屏；所述双视场电动调焦红外镜头、保护用锗窗口、冷屏以及所述探测器的焦平面阵列沿光轴传输方向依次设置。
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