CN104849834B - 中波红外连续变焦镜头及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种中波红外连续变焦镜头及其控制方法，镜头的机械结构包括自左向右依次安装连接在连接底板上的变焦组件、聚焦组件和探测器组件，变焦组件包括前固定透镜A、变倍透镜B、补偿透镜C、后固定透镜D及变焦机构，聚焦组件包括二次成像透镜组E及聚焦机构，探测器组件包括挡板切换机构及探测器和探测器架；镜头的光学***中，沿光线自左向右入射方向依次设有前固定透镜A、变倍透镜B、补偿透镜C、后固定透镜D、二次成像透镜组E，本发明提供一种中波红外连续变焦镜头，该镜头具有高成像质量、高空间分辨率、体积小、重量轻及耐振动和冲击的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于实况记录和跟踪的中波红外连续变焦镜头及其控制方法，属于镜头领域。
背景技术
红外光学***能够探测、定位并跟踪目标物体的红外辐射，并通过光电转换、信号处理、图像处理等手段，将目标物体的红外辐射分布图像转换成可见光视频图像。常用红外镜头所覆盖的波段有中波3-5μm和长波8-12μm。红外波段可选择的材料较少，中波3~5μm常用材料有硅、锗、硒化锌、硫化锌和硫系玻璃等；长波8-12μm常用材料有锗、硒化锌、硫化锌和硫系玻璃等。
一般红外变焦成像光学***分为连续变焦和定档变焦两种，定档变焦又多以两档或三档变焦为主。虽然两档或三档变焦光学***结构简单易于实现，但是在切换过程中有可能致使目标模糊或丢失。而红外连续变焦光学***能在一定范围内连续改变***焦距，在改变视场的同时，像面稳定清晰，不会发生目标丢失的问题，所以可先通过大视场搜索目标，后切换至小视场，精确观察目标，其应用需求日益增强，主要包括前视侦查、瞄准***、搜索与跟踪***及民用安防***等。
因此，研制54~172mm中波连续变焦镜头是本发明的研究目的。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，即本发明要解决的技术问题是提供一种中波红外连续变焦镜头及其控制方法，该镜头具有高成像质量、高空间分辨率、体积小、重量轻及耐振动和冲击的性能。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种中波红外连续变焦镜头，所述镜头的机械结构包括自左向右依次安装连接在连接底板上的变焦组件、聚焦组件和探测器组件，所述变焦组件包括前固定透镜A、变倍透镜B、补偿透镜C、后固定透镜D及变焦机构，所述聚焦组件包括二次成像透镜组E及聚焦机构，所述探测器组件包括挡板切换机构及探测器和探测器架；所述镜头的光学***中，沿光线自左向右入射方向依次设有前固定透镜A、变倍透镜B、补偿透镜C、后固定透镜D、二次成像透镜组E，所述二次成像透镜组E依次设有正透镜E-1、负透镜E-2和正透镜E-3，所述固定透镜A和补偿透镜C为正透镜，所述变倍透镜B和后固定透镜D为负透镜。
进一步的，所述前固定透镜A与变倍透镜B之间的空气间隔是23.9~36.4mm；变倍透镜B与补偿透镜C之间的空气间隔是5~27.7mm；补偿透镜C与后固定透镜D之间的空气间隔是10~20.4mm；后固定透镜D与二次成像透镜组E之间的空气间隔是74.5mm。
进一步的，所述正透镜E-1和负透镜E-2之间的空气间隔是2mm；负透镜E-2和正透镜E-3之间的空气间隔是17.6mm。
进一步的，所述变焦机构设置有一个精密电位器，所述变焦机构、聚焦机构和挡板切换机构的到位控制采用微动开关限位。
进一步的，所述变焦机构包括主镜座，所述主镜座内设置有变倍组件和补偿组件，所述前固定组透镜A安装于主镜座的前端并通过A片压圈固定压紧，所述变倍组透镜B安装在变倍组件内，所述补偿透镜C安装在补偿组件内，所述变倍组件和补偿组件安装在导杆上并滑动配合，导杆通过导杆压板固定在主镜座内，所述主镜座外设置有凸轮，所述凸轮通过钢珠安置在主镜座上并用凸轮压圈压紧，形成滚动轴承结构，所述凸轮上设置有变倍曲线槽和补偿曲线槽，变倍曲线槽和补偿曲线槽分别通过凸轮导钉与变倍组件和补偿组件相连接，所述后固定组透镜D安置在D片镜座并通过D片压圈压紧，所述D片镜座通过螺钉联接在主镜座后端，所述D片镜座外连接有变倍电机架和变倍开关架，所述变倍开关架上安装有变倍电机和变倍电位器，所述变倍开关架上安装有两个变倍微动开关。
进一步的，所述聚焦机构包括后镜座、调焦导钉、调焦环，所述后镜座内设置有调焦组件，所述正透镜E-1和负透镜E-2安装在调焦组件内，所述后镜座上开设有精密加工的两个180°均布的直槽，所述调焦环上开设有精密加工的2个180°均布的线性斜槽，所述调焦导钉与直槽和线性斜槽滑动配合，所述调焦导钉与调焦组件相连接，所述调焦环通过调焦环压圈安装在后镜座上，所述正透镜E-3安装在E-3片镜座上并通过E-3片压圈压紧，所述E-3片镜座通过螺纹与后镜座连接，所述后镜座外连接有调焦电机架和调焦开关架，所述调焦电机架上安装有调焦电机，所述调焦开关架上安装有两个调焦微动开关。
进一步的，所述挡板切换机构包括挡板，所述挡板通过挡板锁钉固定在挡板座上，所述挡板外罩设有挡板座盖，所述挡板座盖通过螺钉固定在挡板座上，所述探测器通过探测器支撑架和探测器托板固定在探测器架上，所述探测器架通过螺钉安装固定在挡板座上，所述挡板座通过挡板电机架与挡板电机连接，所述上挡板两侧均通过挡板开关架连接有挡板微动开关。
一种中波红外连续变焦镜头的控制方法：通过变倍电机带动凸轮转动，再通过凸轮导钉将凸轮的旋转运动转换为变倍组件和补偿组件的轴向移动，实现镜头焦距的连续变化，完成变焦过程；通过调焦电机带动调焦环旋转，通过调焦导钉将调焦环的旋转运动转换为调焦组件的轴向移动，实现镜头的聚焦；通过挡板电机带动挡板旋转，进行挡板切换，实现探测器的校正。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：（1）在光学结构中，合理分配各组的光焦度；在变倍组B、补偿组C及二次成像组E中，共采用三个非球面校正像差，使镜头达到高成像质量、结构紧凑、变倍补偿行程短等优点；（2）在光学设计中，通过后二次成像组中的E-1和E-2同时移动实现温度补偿和远近距补偿，来保证镜头在高温和低温环境下的使用要求；（3）在光学设计中，通过优化调整***的冷反射像，使镜面反射“鬼像”及冷反射“黑斑”远离探测器像面；（4）具有电动连续变焦、电动聚焦、探测器校正机构以及焦距预置等功能，可实现控制的自动化，在保证结构紧凑的前提下，采取了一系列措施，提高了镜头耐振动、冲击的能力；
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
图1为本发明的光学***示意图；
图2为本发明的镜头机械结构示意图；
图3为为本发明镜头的结构立体图；
图4为本发明镜头的变焦组件结构示意图；
图5是图4的剖视图；
图6为本发明镜头的聚焦组件结构示意图；
图7是图6的剖视图；
图8为本发明镜头的探测器组件结构示意图。
图中：
1-连接底板，2-变焦组件，2-1. 固定透镜A，2-2.A片压圈，2-3.主镜座，2-4.导杆压板，2-5.变倍锁紧圈，2-6.变倍压圈，2-7.变倍镜座，2-8.变倍导套，2-9.补偿导套，2-10.凸轮导钉，2-11.补偿镜座，2-12.补偿压圈，2-13.转接桥圈，2-14.变焦齿轮，2-15.变倍电机，2-16.变倍电机架，2-17.D片镜座，2-18.D片压圈，2-19. 后固定透镜D，2-20. 补偿透镜C，2-21.补偿移动座，2-22.凸轮压圈，2-23.钢珠，2-24.凸轮，2-25.导杆，2-26.变倍移动座，2-27. 变倍透镜B，2-28.变倍拨块，2-29.变倍微动开关，2-30.变倍开关架，2-31.变倍电位器，3-聚焦组件，3-1.后镜座，3-2. 正透镜E-1，3-3. 负透镜E-2，3-4.调焦环，3-5.调焦导钉，3-6.调焦座Ⅰ，3-7.调焦环压圈，3-8. 调焦座Ⅱ，3-9. E-3片镜座，3-10. E-3片压圈，3-11. 正透镜E-3，3-12.调焦压圈Ⅱ，3-13.调焦压圈Ⅰ，3-14.调焦隔圈，3-15.调焦电机架，3-16.调焦电机，3-17.调焦开关架，3-18.调焦微动开关，3-19.调焦拨块，4-探测器组件，4-1.挡板座盖，4-2.挡板座，4-3.挡板电机架，4-4.挡板电机，4-5.探测器支撑架Ⅰ，4-6.探测器，4-7.探测器托架，4-8.探测器托板，4-9.探测器架，4-10. 探测器支撑架Ⅱ，4-11.挡板锁钉，4-12.挡板，4-13.挡板微动开关，4-14.挡板开关架。
具体实施方式
如图1-8所示，一种中波红外连续变焦镜头，所述镜头的机械结构包括自左向右依次安装连接在连接底板上的变焦组件、聚焦组件和探测器组件，所述变焦组件包括前固定透镜A、变倍透镜B、补偿透镜C、后固定透镜D及变焦机构，所述聚焦组件包括二次成像透镜组E及聚焦机构，所述探测器组件包括挡板切换机构及探测器和探测器架；所述镜头的光学***中，沿光线自左向右入射方向依次设有前固定透镜A、变倍透镜B、补偿透镜C、后固定透镜D、二次成像透镜组E，所述二次成像透镜组E依次设有正透镜E-1、负透镜E-2和正透镜E-3，所述固定透镜A和补偿透镜C为正透镜，所述变倍透镜B和后固定透镜D为负透镜。
在本实施例中，所述前固定透镜A与变倍透镜B之间的空气间隔是23.9~36.4mm；变倍透镜B与补偿透镜C之间的空气间隔是5~27.7mm；补偿透镜C与后固定透镜D之间的空气间隔是10~20.4mm；后固定透镜D与二次成像透镜组E之间的空气间隔是74.5mm。
在本实施例中，所述正透镜E-1和负透镜E-2之间的空气间隔是2mm；负透镜E-2和正透镜E-3之间的空气间隔是17.6mm。
在本实施例中，所述变焦机构设置有一个精密电位器，所述变焦机构、聚焦机构和挡板切换机构的到位控制采用微动开关限位。
在本实施例中，所述变焦机构包括主镜座，所述主镜座内设置有变倍组件和补偿组件，所述变倍组透镜B与变倍压圈、变倍镜座、变倍锁圈、变倍移动座、变倍导套组装成变倍组件，所述补偿透镜C与补偿压圈、补偿镜座、补偿移动座、补偿导套组装成补偿组件，所述前固定组透镜A安装于主镜座的前端并通过A片压圈固定压紧，所述变倍组透镜B安装在变倍组件内，所述补偿透镜C安装在补偿组件内，所述变倍组件和补偿组件安装在导杆上并滑动配合，导杆通过导杆压板固定在主镜座内，所述主镜座外设置有凸轮，所述凸轮通过钢珠安置在主镜座上并用凸轮压圈压紧，形成滚动轴承结构，所述凸轮上设置有变倍曲线槽和补偿曲线槽，变倍曲线槽和补偿曲线槽分别通过凸轮导钉与变倍组件和补偿组件相连接，所述后固定组透镜D安置在D片镜座并通过D片压圈压紧，所述D片镜座通过螺钉联接在主镜座后端，所述D片镜座外连接有变倍电机架和变倍开关架，所述变倍开关架上安装有变倍电机和变倍电位器，所述变倍开关架上安装有两个变倍微动开关。当变倍电机的转子旋转运动时，通过变倍齿轮和转接桥圈带动凸轮转动，再通过凸轮导钉将凸轮的旋转运动转换为变倍组件和补偿组件的轴向移动，从而实现镜头焦距的连续变化，完成变焦过程。同时，所述变倍电机带动变倍电位器转动，从而使变倍电位器的阻值发生改变，由此，焦距和变倍电位器阻值之间形成一对一的关系，通过这种传感器方式可以实现焦距的预置功能。
在本实施例中，所述聚焦机构包括后镜座、调焦导钉、调焦环，所述后镜座内设置有调焦组件，所述正透镜E-1和负透镜E-2、调焦隔圈5-14、调焦压圈Ⅰ5-13、调焦压圈Ⅱ5-12、调焦座Ⅰ5-6、调焦座Ⅱ5-8组装成调焦组件，所述正透镜E-1和负透镜E-2安装在调焦组件内，所述后镜座上开设有精密加工的两个180°均布的直槽，所述调焦环上开设有精密加工的2个180°均布的线性斜槽，所述调焦导钉与直槽和线性斜槽滑动配合，所述调焦导钉与调焦组件相连接，所述调焦环通过调焦环压圈安装在后镜座上，所述正透镜E-3安装在E-3片镜座上并通过E-3片压圈压紧，所述E-3片镜座通过螺纹与后镜座连接，所述后镜座外连接有调焦电机架和调焦开关架，所述调焦电机架上安装有调焦电机，所述调焦开关架上安装有两个调焦微动开关。当调焦电机的转子旋转运动时，带动调焦环旋转，通过调焦导钉将调焦环的旋转运动转换为调焦组件的轴向移动，从而实现镜头的聚焦功能。
在本实施例中，所述挡板切换机构包括挡板，所述挡板通过挡板锁钉固定在挡板座上，所述挡板外罩设有挡板座盖，起到防尘和遮光作用，所述挡板座盖通过螺钉固定在挡板座上，所述探测器通过探测器支撑架和探测器托板固定在探测器架上，所述探测器架通过螺钉安装固定在挡板座上，所述挡板座通过挡板电机架与挡板电机连接，所述上挡板两侧均通过挡板开关架连接有挡板微动开关。当挡板电机转子旋转运动时，带动挡板旋转，从而起到挡板切换作用，实现探测器的校正。
一种中波红外连续变焦镜头的控制方法：通过变倍电机带动凸轮转动，再通过凸轮导钉将凸轮的旋转运动转换为变倍组件和补偿组件的轴向移动，实现镜头焦距的连续变化，完成变焦过程；通过调焦电机带动调焦环旋转，通过调焦导钉将调焦环的旋转运动转换为调焦组件的轴向移动，实现镜头的聚焦；通过挡板电机带动挡板旋转，进行挡板切换，实现探测器的校正。
在本实施例中，由上述镜片组构成的光学***达到了如下的光学指标：（1）工作波段：3.7μm-4.8μm；（2）焦距f′：54~172mm；（3）探测器：中波红外制冷型320×256，30μm；（4）视场角：10.2°×8.1°~3.2°×2.56°；（5）相对孔径D/ f′：1/2；（6）折叠后光学体积：232mm×90.6mm×90.6mm（长×宽×高）。
在本实施例中，在光学设计时要达到在全焦距段内光学***的高成像质量、体积小巧，因此要在保证光学***成像质量前提下，尽量简化光学机构，减小光学***的体积。经过资料的检索和计算，为了抑制***中来自于景物辐射以外的杂散辐射，应采用100%的冷光阑效率。对于制冷型红外光学***来说，应将探测器的冷光阑作为光学***的出瞳，从而实现100%的冷光阑效率。因此，本连续变焦***采用二次成像结构，可以在保证实现100%冷光阑效率的同时，减小***的径向尺寸。
该变焦距光学***由前固定透镜、变倍透镜、补偿透镜、后固定透镜和二次成像透镜组5组透镜组成。考虑到红外光学***的温度敏感性，应合理地选择透镜的材料，从光学设计的初期，降低温度对***的影响。常用的红外材料中，Si和Ge的折射率温度变化系数相对较低，且Si的价格较Ge低，比重比Ge小，因此，基于成本及重量方面的考虑，选用Si作为变焦***的主要材料，部分透镜选用Ge来校正色差。由于红外材料相较可见光材料吸收较大，但折射率也高，所以在设计中，通常不需要使用太多镜片，否则***的透过率会很差，会影响最终的成像效果。设计中充分考虑加工工艺因素，同时引入非球面来平衡***像差，使得光学***的结构更简化，成像质量更好，达到性能、成本与工艺兼顾，实现一个良好的设计。
利用光学设计软件，设置合理的优化参数，对计算得到的初始结构进行优化设计，采用“+、-、+、-”变焦结构形式；二次成像采用“+、-、+”结构形式。***由七片透镜组成，各镜片均具备良好工艺性，易于加工。第一片透镜为前固定透镜，第二片透镜为变倍透镜，采用高折射率的锗材料，第三片透镜为补偿透镜，采用低色散的硅材料，第四片透镜为后固定透镜，第五、六、七片透镜为二次成像透镜组。在光学设计中，为了平衡相差，采用3个非球面，使得***像质优良，结构紧凑。光***体积为232 mm（长）×90.6mm（宽）×90.6mm（高），光学重量237g。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (7)
1.一种中波红外连续变焦镜头，其特征在于：所述镜头的机械结构包括自左向右依次安装连接在连接底板上的变焦组件、聚焦组件和探测器组件，所述变焦组件包括前固定透镜A、变倍透镜B、补偿透镜C、后固定透镜D及变焦机构，所述聚焦组件包括二次成像透镜组E及聚焦机构，所述探测器组件包括挡板切换机构及探测器和探测器架；所述镜头的光学***中，沿光线自左向右入射方向依次设有前固定透镜A、变倍透镜B、补偿透镜C、后固定透镜D、二次成像透镜组E，所述二次成像透镜组E依次设有正透镜E-1、负透镜E-2和正透镜E-3，所述前固定透镜A和补偿透镜C为正透镜，所述变倍透镜B和后固定透镜D为负透镜，所述前固定透镜A与变倍透镜B之间的空气间隔是23.9~36.4mm；变倍透镜B与补偿透镜C之间的空气间隔是5~27.7mm；补偿透镜C与后固定透镜D之间的空气间隔是10~20.4mm；后固定透镜D与二次成像透镜组E之间的空气间隔74.5mm。
2.根据权利要求 1所述的中波红外连续变焦镜头，其特征在于：所述正透镜E-1和负透镜E-2之间的空气间隔是2mm；负透镜E-2和正透镜E-3之间的空气间隔是17.6mm。
3.根据权利要求1所述的中波红外连续变焦镜头，其特征在于：所述变焦机构设置有一个精密电位器，所述变焦机构、聚焦机构和挡板切换机构的到位控制采用微动开关限位。
4.根据权利要求2所述的中波红外连续变焦镜头，其特征在于：所述变焦机构包括主镜座，所述主镜座内设置有变倍组件和补偿组件，所述前固定透镜A安装于主镜座的前端并通过A片压圈固定压紧，所述变倍透镜B安装在变倍组件内，所述补偿透镜C安装在补偿组件内，所述变倍组件和补偿组件安装在导杆上并滑动配合，导杆通过导杆压板固定在主镜座内，所述主镜座外设置有凸轮，所述凸轮通过钢珠安置在主镜座上并用凸轮压圈压紧，形成滚动轴承结构，所述凸轮上设置有变倍曲线槽和补偿曲线槽，变倍曲线槽和补偿曲线槽分别通过凸轮导钉与变倍组件和补偿组件相连接，所述后固定透镜D安置在D片镜座并通过D片压圈压紧，所述D片镜座通过螺钉联接在主镜座后端，所述D片镜座外连接有变倍电机架和变倍开关架，所述变倍开关架上安装有变倍电机和变倍电位器，所述变倍开关架上安装有两个变倍微动开关。
5.根据权利要求4所述的中波红外连续变焦镜头，其特征在于：所述聚焦机构包括后镜座、调焦导钉、调焦环，所述后镜座内设置有调焦组件，所述正透镜E-1和负透镜E-2安装在调焦组件内，所述后镜座上开设有精密加工的两个180°均布的直槽，所述调焦环上开设有精密加工的2个180°均布的线性斜槽，所述调焦导钉与直槽和线性斜槽滑动配合，所述调焦导钉与调焦组件相连接，所述调焦环通过调焦环压圈安装在后镜座上，所述正透镜E-3安装在E-3片镜座上并通过E-3片压圈压紧，所述E-3片镜座通过螺纹与后镜座连接，所述后镜座外连接有调焦电机架和调焦开关架，所述调焦电机架上安装有调焦电机，所述调焦开关架上安装有两个调焦微动开关。
6.根据权利要求5所述的中波红外连续变焦镜头，其特征在于：所述挡板切换机构包括挡板，所述挡板通过挡板锁钉固定在挡板座上，所述挡板外罩设有挡板座盖，所述挡板座盖通过螺钉固定在挡板座上，所述探测器通过探测器支撑架和探测器托板固定在探测器架上，所述探测器架通过螺钉安装固定在挡板座上，所述挡板座通过挡板电机架与挡板电机连接，所述挡板两侧均通过挡板开关架连接有挡板微动开关。
7.一种中波红外连续变焦镜头的控制方法，其特征在于：采用如权利要求6中波红外连续变焦镜头，通过变倍电机带动凸轮转动，再通过凸轮导钉将凸轮的旋转运动转换为变倍组件和补偿组件的轴向移动，实现镜头焦距的连续变化，完成变焦过程；通过调焦电机带动调焦环旋转，通过调焦导钉将调焦环的旋转运动转换为调焦组件的轴向移动，实现镜头的聚焦；通过挡板电机带动挡板旋转，进行挡板切换，实现探测器的校正。
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