CN215910712U - 一种热成像电动镜头 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种热成像电动镜头，镜头中的镜片包括由物方至像方依次设置的前固定组和调焦组；其中，所述前固定组具有正光焦度，包括从物方至像方依次设置第一透镜、孔径光阑和第二透镜；所述第一透镜为凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜，其表面均为球面；所述孔径光阑位于第一透镜和第二透镜之间，调焦过程中保持稳定；所述第二透镜为凸面朝向像方的凹凸形锗单晶负透镜，其朝向物方的一侧为衍射面；所述调焦组具有正光焦度，包括第三透镜，所述第三透镜具为凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜，其朝向像方的一侧为非球面，所述调焦组可沿光轴往复移动。本申请适配小像元的探测器，实现电动调焦功能，体积小、重量轻、系统稳定，利于携带。
Description
技术领域
本实用新型属于光学技术领域，具体涉及一种用于长波红外非制冷探测器的热成像电动镜头。
背景技术
随着科学技术的发展，红外成像技术已经广泛应用在国防、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，不受战场强光、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。随着红外探测器的行业发展，出现了更小像元尺寸的探测器例如12μm，这种探测器具有更多的应用同时对分辨率要求更高。因此，为了适配更小像元尺寸的探测器，越来越需要一款高分辨率红外镜头来匹配，从而达到提高对细节分辨能力的目的，同时该镜头还要适应夜间及不良气象条件下的目标探测。
实用新型内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本实用新型旨在提供一种热成像电动镜头。
为了实现上述目的，本实用新型实施例采用如下技术方案：
一种热成像电动镜头，镜头中的镜片包括由物方至像方依次设置的前固定组和调焦组；其中，所述前固定组具有正光焦度，包括从物方至像方依次设置第一透镜、孔径光阑和第二透镜；所述第一透镜为凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜，其表面均为球面；所述孔径光阑位于第一透镜和第二透镜之间，调焦过程中保持稳定；所述第二透镜为凸面朝向像方的凹凸形锗单晶负透镜，其朝向物方的一侧为衍射面；所述调焦组具有正光焦度，包括第三透镜，所述第三透镜具为凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜，其朝向像方的一侧为非球面，所述调焦组可沿光轴往复移动。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述镜头包括：主镜筒，所述主镜筒内部前端设有所述前固定组；调焦镜筒，位于所述主镜筒内部中后端，可在主镜筒内沿轴向运动，所述调焦镜筒内设有所述调焦组；调焦凸轮，环设在主镜筒外部、对应调焦镜筒的位置处，调焦凸轮上设有曲线形的凸轮槽，调焦凸轮上环设有齿轮结构；导向拨钉，一端位于凸轮槽内，中部穿过位于主镜筒上的直线槽，另一端和调焦镜筒固定连接；直流微电机，固定在所述主镜筒上，和齿轮结构配接并驱动齿轮结构转动，进而导向拨钉在凸轮槽和直线槽内移动带动调焦镜筒前后移动；电位器，固定在所述主镜筒上，和所述齿轮结构配接，用于反馈齿轮结构的转动信息。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述调焦组总移动行程为1.23mm。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述镜头满足如下参数：所述镜头的工作波段8～12μm，有效焦距EFL＝70mm，F数＝1.0，最小调焦距离50m，光学系统总长82.9mm，适配探测器分辨率640×512，像元大小12μm。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述镜头的视场角范围为：2w＝9°。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述镜头的镜片中的非球面满足下列表达式：
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高，c表示表面的顶点曲率，k为圆锥系数，α2，α3，α4，α5，α6为高次非球面系数。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述镜头的镜片中的衍射面满足下列表达式：
Φ＝A1ρ2+A2ρ4+A3ρ6
其中，Φ为衍射面的位相，ρ＝r/rn，rn是衍射面的规划半径，A1、A2、A3为衍射面的位相系数。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述镜头的全视场的平均MTF＞0.405@42lp/mm。
根据本申请实施例提供的技术方案，S1镀有类金刚石碳膜，S2、S4～S7镀有增透膜；其中，S1为第一透镜朝向物方的表面，S2为第一透镜朝向像方的表面，S4为第二透镜朝向物方的表面，S5为第二透镜朝向像方的表面，S6为第三透镜朝向物方的表面，S7为第三透镜朝向像方的表面。
本实用新型具有如下有益效果：
本申请提供的电动镜头，只采用三个镜片实现热成像，体积小、重量轻、系统更稳定，利于携带，方便在设备上安装及使用。本申请适配12μm像元的探测器，实现了适配更小像元的探测器，分辨率更高，并且经过测试后，成像质量非常高，对细节分辨率高，适用夜间和不良气象条件下的目标探测。
本申请通过直流微电机和电位器组合实现精密调节调焦组的前后移动，实现电动调焦功能，调焦方便精准，易于量产，在不良环境下，电机转动顺滑无卡滞。
同时本申请主镜筒壳体适应镜片大小并进行适当造型，使镜头整体看起来更具美观性和实用性。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本实用新型实施方式所述的电动镜头的光学系统图；
图2为本实用新型实施方式所述的电动镜头剖面结构示意图；
图3为本实用新型实施方式所述的电动镜头外部结构示意图；
图4为本实用新型实施方式所述的电动镜头的点列图；
图5为本实用新型实施方式所述的电动镜头的光学传递函数图；
图6为本实用新型实施方式所述的电动镜头的场曲畸变图。
附图标记说明：
100、物面；101、探测器保护窗口；102、像面；
L1、第一透镜；L2、第二透镜；L3、第三透镜；
S1、第一透镜朝向物方的表面；S2、第一透镜朝向像方的表面；
S3、孔径光阑；
S4、第二透镜朝向物方的表面；S5、第二透镜朝向像方的表面；
S6、第三透镜朝向物方的表面，S7、第三透镜朝向像方的表面；
1、主镜筒；2、调焦镜筒；3、调焦凸轮；31、凸轮槽；32、齿轮结构；4、导向拨钉；5、第一压圈；6、第二压圈；7、第三压圈；8、直流微电机；81、第一小齿轮；9、电位器；91、第二小齿轮。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关实用新型，而非对该实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与实用新型相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
本申请所述的实施例为应用在长波非制冷型、分辨率为640*512、像元尺寸12μm的凝视型焦平面探测器。
本申请所述的从前到后的方向，指的是从物方到像方的方向。
一种热成像电动镜头，镜头中的镜片包括由物方至像方依次设置的前固定组和调焦组；其中，所述前固定组具有正光焦度，包括从物方至像方依次设置第一透镜L1、孔径光阑S3和第二透镜L2；所述第一透镜L1为凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜，其表面均为球面；所述孔径光阑S3位于第一透镜L1和第二透镜L2之间，调焦过程中保持稳定；所述第二透镜L2为凸面朝向像方的凹凸形锗单晶负透镜，其朝向物方的一侧为衍射面；所述调焦组具有正光焦度，包括第三透镜L3，所述第三透镜L3具为凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜，其朝向像方的一侧为非球面，所述调焦组可沿光轴往复移动。
具体地，如图1所示，本申请所述的电动镜头由正光焦度的前固定组和正光焦度的调焦组组成。物面100前固定组的前方，探测器位于所述调焦组的后方。其中，长波非制冷探测器保护窗口101位于第三透镜L3的后面，像面102位于探测器保护窗口101的后面。
其中，S1为第一透镜L1朝向物方的表面，S2为第一透镜L2朝向像方的表面，S3为孔径光阑，S4为第二透镜L2朝向物方的表面，S5为第二透镜L2朝向像方的表面，S6为第三透镜L3朝向物方的表面，S7为第三透镜L3朝向像方的表面。S1、S2为球面，S4为衍射面，S7为非球面。
本电动镜头只采用三个镜片实现热成像，体积小、重量轻、系统更稳定，利于携带，方便在设备上安装及使用。本申请适配12μm像元的探测器，并且经过测试后，成像质量高，对细节分辨率高，适用夜间和不良气象条件下的目标探测。
优选的，本申请所述的电动镜头包括：主镜筒1，所述主镜筒1内部前端设有所述前固定组；调焦镜筒2，位于所述主镜筒1内部中后端，可在主镜筒1内沿轴向运动，所述调焦镜筒2内设有所述调焦组；调焦凸轮3，环设在主镜筒1外部、对应调焦镜筒2的位置处，调焦凸轮3上设有曲线形的凸轮槽31，调焦凸轮3上环设有齿轮结构32；导向拨钉4，一端位于凸轮槽31内，中部穿过位于主镜筒1上的直线槽，另一端和调焦镜筒2固定连接；直流微电机8，固定在所述主镜筒1上，和齿轮结构32配接并驱动齿轮结构32转动，进而导向拨钉4在凸轮槽31和直线槽内移动带动调焦镜筒2前后移动；电位器9，固定在所述主镜筒1上，和所述齿轮结构32配接，用于反馈齿轮结构32的转动信息。
具体地，如图2-3所示，前固定组的第一透镜L1的边缘通过第一压圈5固定在主镜筒1内部，前固定组的第一透镜L2的边缘通过第二压圈6固定在主镜筒1内部，调焦组的第三透镜L3的边缘通过第三压圈7固定在调焦镜筒3内部。直流微电机8的电机轴和第一小齿轮81配接，第一小齿轮和齿轮结构32配接。电位器9和第二小齿轮91连接，第二小齿轮91也和齿轮结构32配接。当直流微电机8启动，电机轴转动带动第一小齿轮81转动，进而带动齿轮结构32转动，由于齿轮结构32固定设置在调焦凸轮3外部，进而带动调焦凸轮3转动，导向拨钉4沿调焦凸轮3上的凸轮槽31移动，由于所述凸轮槽31为斜曲线形，故凸轮槽31具有沿主镜筒1轴向方向的位移差，进而导向拨钉4发生前后位移，并在主镜筒1的直线槽内前后移动，由于导向拨钉4和调焦镜筒2固定连接，带动调焦镜筒2前后移动实现调节焦距。
所述主镜筒1后端连接有后镜座10，所述后镜筒10上设有法兰安装孔，螺钉穿过法兰安装孔将后镜座10固定在主镜筒1的后端。主镜筒1的壳体中部也设有和探测器外壳安装固定的法兰接口，所述后镜座10后端有和探测器连接固定的安装接口，和探测器连接简单方便。原始光轴电十字在探测器中心与安装法兰垂直度不大于0.5mrad，在经过高温、低温、振动、冲击等环境试验后，热像光轴偏差不大于1个像素，镜头总重量≤不大于340g，在－40℃～+60℃环境温度下，电机转动应顺滑、无卡滞。相比同类型镜头具备小巧的体积与轻便的重量，使用更具优势。
此处，本申请的最大口径72mm，此处应当可以理解的是，主镜筒的壳体适应第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3的形状，并进行适当造型，使得镜头外观看起来更具美观性和实用性。
同时，由于本电动镜头的调焦组位于移动镜筒内部，移动镜筒在主镜筒内沿轴向运动，是通过直流微电机驱动实现的，当齿轮结构转动时第二小齿轮91转动电位器9阻值变化，通过电位器9的阻值变化反馈导向拨钉4在凸轮槽的位置，实现导向拨钉4的位置反馈，故本申请实现了直流微电机和电位器互相配合，对第三透镜L3调节和电位器的精密反馈，来调高镜头的变焦灵敏度，实现镜头的调焦功能和信息反馈。
进一步的，所述调焦组总移动行程为1.23mm。用于补偿不同温度和不同物距时像面位置的偏移。
进一步的，所述镜头满足如下参数：所述镜头的工作波段8～12μm，有效焦距EFL＝70mm，F数＝1.0，最小调焦距离50m，光学系统总长82.9mm，适配探测器分辨率640×512，像元大小12μm。
进一步的，所述镜头的视场角范围为：2w＝9°。
进一步的，所述镜头的镜片中的非球面满足下列表达式：
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高，c表示表面的顶点曲率，k为圆锥系数，α2，α3，α4，α5，α6为高次非球面系数。
进一步的，所述镜头的镜片中的衍射面满足下列表达式：
Φ＝A1ρ2+A2ρ4+A3ρ6
其中，Φ为衍射面的位相，ρ＝r/rn，rn是衍射面的规划半径，A1、A2、A3为衍射面的位相系数。
进一步的，所述镜头的全视场的平均MTF＞0.405@42lp/mm。
具体地，本实施例的光学结构参数如表1所示，S4、S7的非球面系数如表2所示，S4的衍射面系数如表3所示。
表1
| 表面 | 曲率半径 | 厚度(间隔) | 材料 | 口径 |
| S1 | 67.43 | 6.5 | Ge_LONG | 72 |
| S2 | 97.72 | 7.85 | 70 | |
| S3 | Infinity | 25.08 | 64.193 | |
| S4 | -89.468 | 2.8 | Ge_LONG | 37 |
| S5 | -636.8 | 15 | 39 | |
| S6 | 47.75 | 3.3 | Ge_LONG | 34 |
| S7 | 84.305 | 22.37 | 31.6 |
表2
| 表面 | 4th | 6th | 8th | 10th | 12th |
| S4 | 2.712E-6 | -1.397E-9 | 4.307E-12 | -1.188E-14 | 1.276E-17 |
| S7 | 2.844E-6 | -4.248E-9 | 3.513E-11 | -1.254E-13 | 1.848E-16 |
表3
| 表面 | A<sub>1</sub> | A<sub>2</sub> | A<sub>3</sub> |
| S4 | -17.256 | 0 | 2.474 |
请进一步的参考图4-图6所示的电动镜头的像差分析图。
图4为本电动镜头的点列图，由图可以得知，采用本申请所述的电动镜头，弥散斑均校正到接近艾利斑大小。
图5为本电动镜头的光学传递函数(MTF，Modulation Transfer Function)图，截止分辨率为42lp/mm，由图可以得知，MTF值维持在较高水平。
图6为本电动镜头的场曲畸变图，从图可以发现，各种像差得到了很好的校正。
由此可见，本申请所述的长波非制冷红外热成像电动镜头具有良好的成像质量。
进一步的，S1镀有类金刚石碳膜，S2、S4～S7镀有增透膜；其中，S1为第一透镜L1朝向物方的表面，S2为第一透镜L1朝向像方的表面，S4为第二透镜L2朝向物方的表面，S5为第二透镜L2朝向像方的表面，S6为第三透镜L3朝向物方的表面，S7为第三透镜L3朝向像方的表面。
具体地，S1镀类金刚石碳膜保护本镜片，类金刚石碳膜增强本镜头的抗刮耐磨性能。S2、S4～S7镀有增透膜减少或者消除光学表面的反射光，从而增加其透光量，减少或者消除系统的杂散光，保证其透过率。
以上描述仅为本实用新型的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本实用新型中所涉及的实用新型范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述实用新型构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本实用新型中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (9)
1.一种热成像电动镜头，其特征在于，镜头中的镜片包括由物方至像方依次设置的前固定组和调焦组；其中，
所述前固定组具有正光焦度，包括从物方至像方依次设置第一透镜(L1)、孔径光阑(S3)和第二透镜(L2)；所述第一透镜(L1)为凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜，其表面均为球面；所述孔径光阑(S3)位于第一透镜(L1)和第二透镜(L2)之间，调焦过程中保持稳定；所述第二透镜(L2)为凸面朝向像方的凹凸形锗单晶负透镜，其朝向物方的一侧为衍射面；
所述调焦组具有正光焦度，包括第三透镜(L3)，所述第三透镜(L3)具为凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜，其朝向像方的一侧为非球面，所述调焦组可沿光轴往复移动。
2.根据权利要求1所述的一种热成像电动镜头，其特征在于，所述镜头包括：
主镜筒(1)，所述主镜筒(1)内部前端设有所述前固定组；
调焦镜筒(2)，位于所述主镜筒(1)内部中后端，可在主镜筒(1)内沿轴向运动，所述调焦镜筒(2)内设有所述调焦组；
调焦凸轮(3)，环设在主镜筒(1)外部、对应调焦镜筒(2)的位置处，调焦凸轮(3)上设有曲线形的凸轮槽(31)，调焦凸轮(3)上环设有齿轮结构(32)；
导向拨钉(4)，一端位于凸轮槽(31)内，中部穿过位于主镜筒(1)上的直线槽，另一端和调焦镜筒(2)固定连接；
直流微电机(8)，固定在所述主镜筒(1)上，和齿轮结构(32)配接并驱动齿轮结构(32)转动，进而导向拨钉(4)在凸轮槽(31)和直线槽内移动带动调焦镜筒(2)前后移动；
电位器(9)，固定在所述主镜筒(1)上，和所述齿轮结构(32)配接，用于反馈齿轮结构(32)的转动信息。
3.根据权利要求1所述的一种热成像电动镜头，其特征在于，所述调焦组总移动行程为1.23mm。
4.根据权利要求1所述的一种热成像电动镜头，其特征在于，所述镜头满足如下参数：所述镜头的工作波段8～12μm，有效焦距EFL＝70mm，F数＝1.0，最小调焦距离50m，光学系统总长82.9mm，适配探测器分辨率640×512，像元大小12μm。
5.根据权利要求1所述的一种热成像电动镜头，其特征在于，所述镜头的视场角范围为：2w＝9°。
6.根据权利要求1所述的一种热成像电动镜头，其特征在于，所述镜头的镜片中的非球面满足下列表达式：
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高，c表示表面的顶点曲率，k为圆锥系数，α2，α3，α4，α5，α6为高次非球面系数。
7.根据权利要求1所述的一种热成像电动镜头，其特征在于，所述镜头的镜片中的衍射面满足下列表达式：
Φ＝A1ρ2+A2ρ4+A3ρ6
其中，Φ为衍射面的位相，ρ＝r/rn,rn是衍射面的规划半径，A1、A2、A3为衍射面的位相系数。
8.根据权利要求1所述的一种热成像电动镜头，其特征在于，所述镜头的全视场的平均MTF>0.405@42lp/mm。
9.根据权利要求1所述的一种热成像电动镜头，其特征在于，第一透镜朝向物方的表面(S1)镀有类金刚石碳膜，第一透镜朝向像方的表面(S2)、第二透镜朝向物方的表面(S4)～第三透镜朝向像方的表面(S7)镀有增透膜；其中，
第一透镜朝向物方的表面(S1)为第一透镜(L1)朝向物方的表面，第一透镜朝向像方的表面(S2)为第一透镜(L1)朝向像方的表面，第二透镜朝向物方的表面(S4)为第二透镜(L2)朝向物方的表面，第二透镜朝向像方的表面(S5)为第二透镜(L2)朝向像方的表面，第三透镜朝向物方的表面(S6)为第三透镜(L3)朝向物方的表面，第三透镜朝向像方的表面(S7)为第三透镜(L3)朝向像方的表面。
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| CN202121927103.4U Active CN215910712U (zh) | 2021-08-17 | 2021-08-17 | 一种热成像电动镜头 |
Country Status (1)
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| CN (1) | CN215910712U (zh) |
-
2021
- 2021-08-17 CN CN202121927103.4U patent/CN215910712U/zh active Active
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