CN220438640U - 一种适用于高低温环境的切换式中波红外变焦镜头装置 - Google Patents
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Abstract
一种适用于高低温环境的切换式中波红外变焦镜头装置，是一种可在高低温条件(‑45℃～65℃)下采用被动无热化技术的高分辨率两档切换式变焦(550mm/183mm)并具有调焦功能的中波红外变焦镜头装置。其方案特征为：该光学镜头选用的非球面数量少，系统公差宽松，降低了加工难度和成本，质量易于保证；系统选用的光学材料为中波红外波段常见的单晶硅和单晶锗，整体重量较轻，加工成本较低；分辨率较高，无冷反射现象，可适配在640×512 15μm制冷型中波探测器上；光学镜头成像质量良好，可在高低温环境(‑45℃～65℃)范围内具备良好光学成像质量，全温度范围内长短焦状态下0视场可达0.42@34lp/mm，全视场可达0.36@34lp/mm，接近系统衍射极限，图像质量好。
Description
技术领域
本发明涉及红外成像领域，具体涉及为一种适用于高低温环境的切换式中波红外变焦镜头装置。
背景技术
随红外光学系统可以实现对目标物体红外辐射的探测、定位及跟踪，并利用光电转换、信号处理、图像处理等手段实现将目标物体发出的红外辐射转换成可见光视频图像，实现对目标的识别与跟踪。红外波段光学系统可采用的光学材料较少，一般常用的光学材料有硅、锗、硫化锌、硒化锌、硫系玻璃等。红外变焦光学系统主要包括连续变焦和定档变焦两种方式，定档变焦的光学系统可以通过切换变倍组位置的方式实现对光学系统焦距的改变。近年来，随着安防监控、物联网、无人机航拍等领域的发展，对与之关联的红外变焦光学系统的需求也日益增强。
近年来随着红外光学系统在多个领域的应用，对红外光学系统的温度环境适应性要求提出了新的挑战，同时为保证整机系统的轻量化、小型化，具有被动式无热化方式的红外光学系统可以快速实现不同温度条件下的清晰成像，可广泛应用在前视侦查、瞄准系统、搜索与跟踪及民用安防系统等领域。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种可在高低温条件(-45℃～65℃)下采用被动无热化技术的高分辨率两档切换式变焦(550mm/183mm)并具有调焦功能的中波红外变焦镜头装置。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
镜头的光学系统中沿光线自前向后入射方向依次设有前固定组镜片A、前变倍组镜片B、补偿组镜片C、后固定组镜片D，所述前固定组镜片A包括凸面向前的正月牙形透镜A-1、凸面向前的负月牙形透镜A-2；所述变倍组镜片B包括凸面向前的正月牙形透镜B-1、凹面向前的负月牙形透镜B-2；所述补偿组镜片C包括凹面向前的负月牙形透镜C-1、凹面向前的正月牙形透镜C-2、凸面向前的正月牙形透镜C-3、更为弯曲一面向前的正双凸透镜C-4；所述后固定组镜片D包括凸面向前的正月牙形透镜D-1。
在本实施例中，所述正月牙形透镜A-1与负月牙形透镜A-2的空气间隔为3.95mm；所述凸面向前的负月牙形透镜A-2与正月牙形透镜B-1的空气间隔为283.09mm/312.5mm；所述正月牙形透镜B-1与负月牙形透镜B-2的空气间隔为5.68mm；负月牙形透镜B-2与负月牙形透镜C-1的空气间隔为196.34mm；负月牙形透镜C-1与正月牙形透镜C-2的空气间隔为0.2mm；正月牙形透镜C-2与正月牙形透镜C-3的空气间隔为0.5mm；正月牙形透镜C-3与正双凸透镜C-4的空气间隔为0.2mm；正双凸透镜C-4与正月牙形透镜D-1的空气间隔为47.13mm/17.72mm。
所述镜头机械结构主要由前固定镜组、变倍镜组、中波探测器、调焦组件以及支撑结构组成。所述正月牙形透镜A-1与负月牙形透镜A-2安装于前固定镜组中。所述凸面向前的正月牙形透镜B-1、凹面向前的负月牙形透镜B-2、负月牙形透镜C-1、凹面向前的正月牙形透镜C-2、凸面向前的正月牙形透镜C-3、更为弯曲一面向前的正双凸透镜C-4安装于变倍镜组运动结构内，可进行前后运动。所述凸面向前的正月牙形透镜D-1安装于变倍镜组运动结构外部，与变倍镜组位置相对固定。
所述镜头机械结构主要由前固定镜组、变倍镜组、中波探测器、调焦组件以及支撑结构等组件组成。
所述正月牙形透镜A-1与负月牙形透镜A-2安装于前固定镜组镜筒11中，前固定镜组镜筒11通过前支撑架27固定在底板22上。后端安装遮光筒12，避免杂散光的影响。
所述变倍镜组的运动镜筒13内部安装凸面向前的正月牙形透镜B-1、凹面向前的负月牙形透镜B-2、负月牙形透镜C-1、凹面向前的正月牙形透镜C-2、凸面向前的正月牙形透镜C-3、曲率半径更小一侧向前的正双凸透镜C-4。运动镜筒13安装在固定套筒14中。固定套筒14外部安装凸轮套筒15。凸轮套筒15旁侧设置变倍伺服电机16进行驱动。凸轮导钉34穿过凸轮套筒15和固定套筒14的滑槽固定在运动镜筒13上，凸轮套筒15上留有与光轴成角度的滑槽，固定套筒14上留有与光轴平行的滑槽。运动镜筒13随凸轮导钉34沿滑槽前后运动。凸面向前的正月牙形透镜D-1安装于后固定镜筒18上，并与固定套筒14连接，与变倍镜组位置相对固定。
所述中波探测器10通过探测器支架19固定在变倍支架35上，与镜头光轴中心保持一致。
所述调焦组件通过调焦支架21作为结构支撑主体，安装在底板22上。调焦伺服电机26驱动滚珠丝杠24带动变倍镜组及中波探测器10前后运动。
所述机械结构因高低温环境影响，尺寸会有变化，从而影响成像。因此可在光学被动无热化设计基础上，通过调焦组件带动变倍镜组及中波探测器10前后微动以进行适当补偿。调试时，根据成像质量将镜头在-45℃～+65℃范围按温度段进行调焦位置标定，以上位机记录各温度段的调焦位置。调焦支架21底部安装温度传感器36，可使得上位机读取当前环境温度，从而自动控制各温度段下的默认调焦位置，以保证镜头在高低温环境(-45℃～65℃)状态下成像质量达到良好。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
1.本装置实现两档切换式变焦(550mm/183mm)并具有调焦功能；
2.非球面数量少，在校正像差，提高成像质量的同时，降低系统公差灵敏度，有效的降低了加工难度和成本，质量容易保证；
3.装置采用被动无热化技术，可以实现在高低温环境(-45℃～65℃)状态下成像质量达到良好，全温度范围内长短焦状态下0视场可达0.42@34lp/mm，全视场可达0.36@34lp/mm，接近系统衍射极限，图像质量好；
4.装置上设置温度传感器，通过上位机自动控制各温度时的变倍镜组位置，优化成像质量；
5.分辨率较高，可使用在640×512 15μm制冷型中波探测器上，可实现单像素成像，且无明显冷反射现象；
附图说明
图1为本实施例的光学系统示意图；
图2为本实施例的机械结构整体剖视图；
图3为本实施例的立体图；
图4为本实施例变倍镜组部分剖视图；
图5为本实施例变倍镜组部分立体图；
图6为本实施例调焦组件部分剖视图；
图7为本实施例调焦组件部分立体图；
图中标号说明：1-凸面向前的正月牙形透镜A-1；2-凸面向前的负月牙形透镜A-2；3-凸面向前的正月牙形透镜B-1；4-凹面向前的负月牙形透镜B-2；5-凹面向前的负月牙形透镜C-1；6-凹面向前的正月牙形透镜C-2；7-凸面向前的正月牙形透镜C-3；8-正双凸透镜C-4；9-凸面向前的正月牙形透镜D-1；10-中波探测器；11-前固定镜组镜筒；12-遮光筒；13-运动镜筒；14-固定套筒；15-凸轮套筒；16-变倍伺服电机；17-主动齿轮；18-后固定镜筒；19-探测器支架；20-滑块导轨；21-调焦支架；22-底板；23-丝杠固定座；24-滚珠丝杠；25-联轴器；26-调焦伺服电机；27-调焦支架；28-从动齿轮；29-调焦光电开关；30-调焦挡片；31-变倍光电开关；32-变倍挡片；33-底板支撑筋；34-凸轮导钉；35-变倍支架；36-温度传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做详细的介绍。
一种适用于高低温环境的切换式中波红外变焦镜头装置，所述镜头的光学系统中沿光线自前向后入射方向依次设有前固定组镜片A、前变倍组镜片B、补偿组镜片C、后固定组镜片D，所述前固定组镜片A包括凸面向前的正月牙形透镜A-1、凸面向前的负月牙形透镜A-2；所述变倍组镜片B包括凸面向前的正月牙形透镜B-1、凹面向前的负月牙形透镜B-2；所述补偿组镜片C包括凹面向前的负月牙形透镜C-1、凹面向前的正月牙形透镜C-2、凸面向前的正月牙形透镜C-3、正双凸透镜C-4；所述后固定组镜片D包括凸面向前的正月牙形透镜D-1。
在本实施例中，所述正月牙形透镜A-1与负月牙形透镜A-2的空气间隔为3.95mm；所述凸面向前的负月牙形透镜A-2与正月牙形透镜B-1的空气间隔为283.09mm/312.5mm；所述正月牙形透镜B-1与负月牙形透镜B-2的空气间隔为5.68mm；负月牙形透镜B-2与负月牙形透镜C-1的空气间隔为196.34mm；负月牙形透镜C-1与正月牙形透镜C-2的空气间隔为0.2mm；正月牙形透镜C-2与正月牙形透镜C-3的空气间隔为0.5mm；正月牙形透镜C-3与正双凸透镜C-4的空气间隔为0.2mm；正双凸透镜C-4与正月牙形透镜D-1的空气间隔为47.13mm/17.72mm。
在本实施例中，正月牙形透镜A-1、负月牙形透镜B-2、正月牙形透镜C-2、正双凸透镜C-4、正月牙形透镜D-1的材料为硅，其折射率为3.423；负月牙形透镜A-2、正月牙形透镜B-1、负月牙形透镜C-1、正月牙形透镜C-3的材料为锗，其折射率为4.022；本实施例中未采用其他常见红外材料，利于节省加工及装配成本，便于装调和校正像差。
在本实施例中，正月牙形透镜A-1的前镜面和后镜面曲率半径分别为330.52mm和834.56mm；负月牙形透镜A-2的前镜面曲率半径为485.2mm，后镜面为非球面和衍射面；正月牙形透镜B-1的前镜面的曲率半径为264.33mm，后镜面为非球面；负月牙形透镜B-2的前镜面和后镜面的曲率半径分别为264.33mm和1753.9mm；负月牙形透镜C-1的前镜面为非球面，后镜面的曲率半径为47.52mm；正月牙形透镜C-2的前镜面和后镜面的曲率半径分别为55.34mm和35.24mm；正月牙形透镜C-3的前镜面为非球面，后镜面的曲率半径为120.85mm；正双凸透镜C-4的前镜面和后镜面的曲率半径为95.36mm和1674.88mm；正月牙形透镜D-1的前镜面和后镜面的曲率半径分别为140mm和231.9mm。
在本实施例中所述负月牙形透镜A-2的后镜面为非球面和衍射面，其非球面的面形方程如下：
其中C＝1/R，R＝331.427mm，K＝0，A2＝0，A4＝-1.293718755×10-9，A6＝-4.103214823×10-14,
A8＝9.986296843×10-20；
其衍射面的面型方程如下：
其中C1＝3.911525224931×10-5，m＝-6、-5、-4、-3、-2、-1，n＝4.022。
在本实施例中所述的正月牙形透镜B-1的后镜面为非球面，其非球面的面型方程如下：
其中C＝1/R，R＝384.556mm，K＝0，A2＝0，A4＝-7.593140376×10-8，A6＝-4.172634153×10-11,
A8＝8.331692843×10-15；
在本实施例中负月牙形透镜C-1的前镜面为非球面，其非球面的面型方程如下：
其中C＝1/R，R＝35.55mm，K＝0，A2＝0，A4＝1.813417113×10-7，A6＝-2.916150754×10-10,
A8＝-2.727255956×10-12；
在本实施例中正月牙形透镜C-3的前镜面为非球面，其非球面的面型方程如下：
其中C＝1/R，R＝-186.334mm，K＝0，A2＝0，A4＝4.599009423×10-7，A6＝6.947634838×10-12,
A8＝8.178113218×10-14；
在本实施例中，由上述镜片组成的光学系统达到了如下光学指标：
1.系统焦距：长焦f＝550mm、短焦f＝183mm；
2.相对孔径：F＝1/2；
3.视场角：长焦全视场1.28°、短焦全视场3.84°；
4.分辨率：可与640×512 15μm制冷型中波探测器适配；
5.光路总长：≤662mm；
6.工作温度：-45℃～65℃；
7.适用谱线范围：3.5μm～5μm；
该光学镜头选用的非球面数量较少，同时针对光学系统的公差灵敏度进行了重点优化，系统公差较为宽松，有效的降低了加工难度和成本，质量易于保证；系统选用的光学材料为中波红外波段常见的单晶硅和单晶锗，整体系统重量较轻，加工及镀膜成本较低；本镜头分辨率较高，且无冷反射现象，可适配在640×512 15μm制冷型中波探测器上；光学镜头成像质量良好，且可在高低温环境(-45℃～65℃)范围内具备全温度下的良好成像质量，全温度范围内长短焦状态下0视场可达0.42@34lp/mm，全视场可达0.36@34lp/mm，接近系统衍射极限，图像质量好。
在本实施例中，所述镜头机械结构主要由前固定镜组、变倍镜组、中波探测器、调焦组件以及支撑结构等组件组成。
在本实施例中，所述正月牙形透镜A-1与负月牙形透镜A-2安装于前固定镜组镜筒11中。前固定镜组镜筒11通过前支撑架27固定在底板22上。后端安装遮光筒12，避免杂散光的影响。
在本实施例中，所述变倍镜组的运动镜筒13内部安装凸面向前的正月牙形透镜B-1、凹面向前的负月牙形透镜B-2、负月牙形透镜C-1、凹面向前的正月牙形透镜C-2、凸面向前的正月牙形透镜C-3、更为弯曲一面向前的正双凸透镜C-4。运动镜筒13安装在固定套筒14中。固定套筒14外部安装凸轮套筒15，并通过螺钉固定在变倍支架35上。凸轮套筒15与从动齿轮28连接固定。变倍伺服电机16带动主动齿轮17与从动齿轮28啮合。凸轮导钉34穿过凸轮套筒15和固定套筒14的滑槽固定在运动镜筒13上，凸轮套筒15上留有与光轴成角度的滑槽，固定套筒14上留有与光轴平行的滑槽。当变倍伺服电机16工作时，通过齿轮带动凸轮套筒15转动，凸轮导钉34在滑槽的限制下带动运动镜筒13做直线运动，调整空气间隔AB,实现变倍。变倍光电开关31固定在变倍支架35上。变倍挡片32固定在凸轮套筒14上随其旋转运动，以变倍挡片32触碰到变倍光电开关31位置作为运动零位，通过上位机指令控制来确定镜头长短焦的位置，从而实现二挡切换变焦。凸面向前的正月牙形透镜D-1安装于后固定镜筒18上，并与固定套筒14连接，与变倍镜组位置相对固定。
在本实施例中，所述中波探测器10通过探测器支架19固定在变倍支架35上，与镜头光轴中心保持一致。
在本实施例中，所述调焦组件由调焦支架21作为结构支撑主体，安装在底板22上。调焦伺服电机26、联轴器25、丝杠固定座23、滚珠丝杠24依次连接并固定在调焦支架21内部。4组滑块导轨20固定在调焦支架21顶部，并与变倍支架35连接。调焦光电开关29安装在变倍支架35侧端。调焦挡片30安装在调焦支架21上，置于调焦光电开关29两侧。当调焦伺服电机26工作时，驱动滚珠丝杠24带动调焦支架21及其上的变倍镜组和中波探测器10前后运动。以调焦挡片30触碰到调焦光电开关29位置作为运动零位，响应上位机的位置控制指令，实现调焦功能。
在本实施例中，所述机械结构因高低温环境影响，尺寸会有变化，从而影响成像。因此可在光学被动无热化设计基础上，通过调焦组件带动变倍镜组及中波探测器10前后微动以进行适当补偿。调试时，根据成像质量将镜头在-45℃～+65℃范围按温度段进行调焦位置标定，以上位机记录各温度段的调焦位置。调焦支架21底部安装温度传感器36，可使得上位机读取当前环境温度，从而自动控制各温度段下的默认调焦位置，以保证镜头在高低温环境(-45℃～65℃)状态下成像质量达到良好。
以上列出较佳实施例，对本实用新型的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种适用于高低温环境的切换式中波红外变焦镜头装置，其特征在于：镜头的光学系统中沿光线自前向后入射方向依次设有前固定组镜片A、前变倍组镜片B、补偿组镜片C、后固定组镜片D，所述前固定组镜片A包括凸面向前的正月牙形透镜A-1、凸面向前的负月牙形透镜A-2；所述前变倍组镜片B包括凸面向前的正月牙形透镜B-1、凹面向前的负月牙形透镜B-2；所述补偿组镜片C包括凹面向前的负月牙形透镜C-1、凹面向前的正月牙形透镜C-2、凸面向前的正月牙形透镜C-3、曲率半径更小一侧向前的正双凸透镜C-4；所述后固定组镜片D包括凸面向前的正月牙形透镜D-1。
2.根据权利要求1所述的一种适用于高低温环境的切换式中波红外变焦镜头装置，其特征在于：所述正月牙形透镜A-1与负月牙形透镜A-2的空气间隔为3.95mm；所述凸面向前的负月牙形透镜A-2与正月牙形透镜B-1的空气间隔为283.09mm/312.5mm；所述正月牙形透镜B-1与负月牙形透镜B-2的空气间隔为5.68mm；负月牙形透镜B-2与负月牙形透镜C-1的空气间隔为196.34mm；负月牙形透镜C-1与正月牙形透镜C-2的空气间隔为0.2mm；正月牙形透镜C-2与正月牙形透镜C-3的空气间隔为0.5mm；正月牙形透镜C-3与正双凸透镜C-4的空气间隔为0.2mm；正双凸透镜C-4与正月牙形透镜D-1的空气间隔为47.13mm/17.72mm。
3.根据权利要求1所述的一种适用于高低温环境的切换式中波红外变焦镜头装置，其特征在于：所述镜头机械结构主要由前固定镜组、变倍镜组、中波探测器、调焦组件以及支撑结构组成；所述正月牙形透镜A-1与负月牙形透镜A-2安装于前固定镜组中；所述凸面向前的正月牙形透镜B-1、凹面向前的负月牙形透镜B-2、负月牙形透镜C-1、凹面向前的正月牙形透镜C-2、凸面向前的正月牙形透镜C-3、更曲率半径更小一侧向前的正双凸透镜C-4安装于变倍镜组运动结构内，可进行前后运动；所述凸面向前的正月牙形透镜D-1安装于变倍镜组运动结构外部，与变倍镜组位置相对固定。
4.根据权利要求1所述的一种适用于高低温环境的切换式中波红外变焦镜头装置，其特征在于：所述正月牙形透镜A-1与负月牙形透镜A-2安装于前固定镜组镜筒(11)中，前固定镜组镜筒(11)通过前支撑架(27)固定在底板(22)上；后端安装遮光筒(12)，避免杂散光的影响。
5.根据权利要求1所述的一种适用于高低温环境的切换式中波红外变焦镜头装置，其特征在于：所述前变倍组镜片B的运动镜筒(13)内部安装凸面向前的正月牙形透镜B-1、凹面向前的负月牙形透镜B-2、负月牙形透镜C-1、凹面向前的正月牙形透镜C-2、凸面向前的正月牙形透镜C-3、曲率半径更小一侧向前的正双凸透镜C-4；运动镜筒(13)安装在固定套筒(14)中；固定套筒(14)外部安装凸轮套筒(15)；凸轮套筒(15)旁侧设置变倍伺服电机(16)进行驱动；凸轮导钉(34)穿过凸轮套筒(15)和固定套筒(14)的滑槽固定在运动镜筒(13)上，凸轮套筒(15)上留有与光轴成角度的滑槽，固定套筒(14)上留有与光轴平行的滑槽；运动镜筒(13)随凸轮导钉(34)沿滑槽前后运动；凸面向前的正月牙形透镜D-1安装于后固定镜筒(18)上，并与固定套筒(14)连接，与变倍镜组位置相对固定。
6.根据权利要求1所述的一种适用于高低温环境的切换式中波红外变焦镜头装置，其特征在于：所述凸面向前的正月牙形透镜D-1，固定在变倍支架(35)上，与镜头光轴中心保持一致。
7.根据权利要求1所述的一种适用于高低温环境的切换式中波红外变焦镜头装置，其特征在于：所述后固定组镜片D通过调焦支架(21)作为结构支撑主体，安装在底板(22)上；调焦伺服电机(26)驱动滚珠丝杠(24)带动变倍镜组前后运动。
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