CN106597649B - 高分辨率强透雾电视摄像变焦镜头 - Google Patents

高分辨率强透雾电视摄像变焦镜头 Download PDF

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Abstract

本发明提出高分辨率强透雾电视摄像变焦镜头，沿光线方向设正光焦前固定透镜组A，负光焦变倍透镜组B、正光焦补偿透镜组C、可变光阑D、正光焦后固定透镜组E和滤色镜片F；前固定透镜组A依次设有由负月牙透镜A‑1和双凸透镜A‑2密接的第一胶合组、平凸透镜A‑3、正月牙透镜A‑4；平凸透镜A‑3由超低色散材料H‑FK61制成；变倍透镜组B依次设有平凹透镜B‑1、由双凹透镜B‑2和正月牙透镜B‑3密接的第二胶合组、双凹透镜B‑4；补偿透镜组C设有双凸透镜C‑1、由负月牙透镜C‑2和双凸透镜C‑3密接的第三胶合组；后固定透镜组E依次设有双凹透镜E‑1、正月牙透镜E‑2、双凸透镜E‑3、负月牙透镜E‑4、双凸透镜E‑5；本发明克服了目前宽光谱变焦镜头分辨率不高的缺点，具有极佳的透雾能力。

Description

高分辨率强透雾电视摄像变焦镜头
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其是高分辨率强透雾电视摄像变焦镜头。
背景技术
在雾气、灰尘、烟雾等可见光环境中，普通摄像镜头的有效观察距离将大大缩短，使用其成像时只能得到模糊的画面，尤其当目标对比度低时更是无法“观看”。利用红外光线可以绕射微小颗粒的原理而产生的透雾摄像镜头能够有效地解决这种恶劣条件下的成像问题，大大提升远距离的观察效果。然而由于玻璃材料色散的存在，不同波段的光线，其最佳像面的位置不同，导致摄像镜头难以保持近红外波段的高分辨率成像。随着用户对成像质量越来越高的要求，目前分辨率不高、透雾能力不强的摄像变焦镜头已经无法满足用户的需求。
解决上述问题是本发明的研究目的。
发明内容
本发明提出高分辨率强透雾电视摄像变焦镜头，能极大地减小宽光谱带来的二级光谱等轴上色差，克服了目前宽光谱变焦镜头分辨率不高的缺点；提高了摄像变焦镜头在雨、雪、薄雾等恶劣环境下的探测能力，大大提升了远距离观察效果，具有极佳的透雾能力。
本发明采用以下技术方案。高分辨率强透雾电视摄像变焦镜头，所述镜头光路沿光线入射方向设有光焦度为正的前固定透镜组A，光焦度为负的变倍透镜组B、光焦度为正的补偿透镜组C、可变光阑D、光焦度为正的后固定透镜组E和滤色镜片F；所述前固定透镜组A沿光线入射方向依次设有由负月牙透镜A-1和双凸透镜A-2密接的第一胶合组、平凸透镜A-3、正月牙透镜A-4；所述平凸透镜A-3由超低色散材料H-FK61制成。
所述变倍透镜组B沿光线入射方向依次设有平凹透镜B-1、由双凹透镜B-2和正月牙透镜B-3密接的第二胶合组、双凹透镜B-4。
所述补偿透镜组C设有双凸透镜C-1、由负月牙透镜C-2和双凸透镜C-3密接的第三胶合组。
所述后固定透镜组E依次设有双凹透镜E-1、正月牙透镜E-2、双凸透镜E-3、负月牙透镜E-4、双凸透镜E-5。
所述前固定透镜组A和变倍透镜组B之间的空气间隔是4.50～90.00mm，变倍透镜组B与补偿透镜组C之间的空气间隔是4.50～121.48mm，补偿透镜组C与后固定透镜组E之间的空气间隔是6.60～38.08mm。
所述前固定透镜组A中，第一胶合组与平凸透镜A-3之间的空气间隔是0.15mm，平凸透镜A-3与正月牙透镜A-4之间的空气间隔是0.15mm；所述变倍透镜组B中，平凹透镜B-1与第二胶合组之间的空气间隔是2.26mm，第二胶合组与双凹透镜B-4之间的空气间隔是6.84mm；所述补偿透镜组C中，双凸透镜C-1与第三胶合组之间的空气间隔是0.15mm；所述后固定透镜组E中，双凹透镜E-1与正月牙透镜E-2之间的空气间隔是0.30mm，正月牙透镜E-2与双凸透镜E-3之间的空气间隔是11.59mm，双凸透镜E-3与负月牙透镜E-4之间的空气间隔是0.19mm，负月牙透镜E-4与双凸透镜E-5之间的空气间隔是1.64mm。
所述滤色镜片F为近红外滤色镜，滤色镜片F的工作波长为700~900nm。
所述镜头的前部设有电动聚焦机构，所述电动聚焦机构内置前固定透镜组A；所述镜头的中部设有电动变焦机构，所述电动变焦机构内置变倍透镜组B和补偿透镜组C；所述镜头的后部设有电动调光机构，所述电动调光机构内置可变光阑D和后固定透镜组E。
所述电动变焦机构内置一精密电位器以实现焦距预置功能。
所述镜头最小焦距f’min=11mm，镜头最小焦距f’max=310mm；镜头光学结构长度∑L≤235mm；镜头变倍行程≤85.5mm。
本发明通过在镜头光路中，沿光线入射方向设置光焦度为正的前固定透镜组A，光焦度为负的变倍透镜组B、光焦度为正的补偿透镜组C和光焦度为正的后固定透镜组E，能合理分配各个组元的光焦度，使***紧凑化。
本发明在光焦度为正的前固定透镜组A中即选用超低色散材料H-FK61，能有效地减小二级光谱等轴上色差，从而实现***400~900nm宽光谱范围内的高分辨率成像。
本发明通过基于近红外滤色镜的滤光片补偿红外波段的最佳像面偏移，进一步提高了近红外波段的成像效果，大大提升了***的远距离观察能力，实现强透雾功能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明实施例光路结构示意图；
图2为本发明长焦时的MTF图；
图3为本发明短焦时的MTF图；
图4为本发明的结构总示意图；
图4a为本发明的结构立体示意图；
图5为本发明的电动聚焦机构示意图；
图5a为本发明的电动聚焦机构的另一示意图；
图5b为本发明的电动聚焦机构的立体示意图；
图6为本发明的电动变焦机构示意图；
图6a为本发明的电动变焦机构的另一示意图；
图6b为本发明的电动变焦机构的立体示意图；
图7为本发明的电动调光机构示意图；
图7a为本发明的电动调光机构的立体示意图；
图1中：1-前固定透镜组A；2-变倍透镜组B；3-补偿透镜组C；4-可变光阑D；5-后固定透镜组E；6-滤色镜片F；
111~负月牙透镜A-1；112~双凸透镜A-2；113~平凸透镜A-3；114~正月牙透镜A-4；
121~平凹透镜B-1；122~双凹透镜B-2；123~正月牙透镜B-3；124-双凹透镜B-4；
131-双凸透镜C-1；132-负月牙透镜C-2；133-双凸透镜C-3；
141-双凹透镜E-1；142-正月牙透镜E-2；143-双凸透镜E-3；144-负月牙透镜E-4；145-双凸透镜E-5；
图4、4a中：401.聚焦组件，402.变倍凸轮组件，403.变焦组件，404.补偿组件，405.电动调光机构，406.后安置组件，407.滤光片转盘机构，408.摄像机组件，409.电动聚焦机构，4010.电动变焦机构；
图5、5a、5b中：501.镜片A1，502.镜片A2，503.镜片A3，504.镜片A4，505.前组隔圈Ⅱ，506.前组隔圈Ⅰ，507.前组镜筒，508.聚焦导钉组件，509.前组压圈，5010.聚焦主镜筒，5011.聚焦凸轮压圈，5012.聚焦凸轮，5013.聚焦电机，5014.聚焦电机齿轮，5015.聚焦电位器，5016.聚焦电位器齿轮，5017.聚焦电机支架，5018.聚焦限位支架，5019.聚焦霍尔元件，5020.聚焦磁铁座，5021.聚焦磁铁；
图6、6a、6b中：601.变倍镜组，602.变倍滑架，603.主镜筒，604.前精密钢球，605.变倍导钉组件，606.变焦凸轮，607.补偿滑架，608.补偿导钉组件，609.补偿镜组，6010.后精密钢球，6011.变焦凸轮压圈，6012.底座，6013.变倍电机支架，6014.变倍电位器，6015.变倍电位器齿轮，6016.过轮，6017.变倍电机齿轮，6018.变倍电机，6019.变焦限位支架，6020.变倍霍尔元件；
图7中：701.光阑动环压圈，702.光阑动环，703.光阑铆钉，704.光阑片，705.镜片E1，706，镜片E2，707.镜片E3，708.镜片E4，709.镜片E5，7010.后组隔圈Ⅰ，7011.后组压圈Ⅰ，7012.后组隔圈Ⅱ，7013.后组隔圈Ⅲ，7014.后组压圈Ⅱ，7015.后组镜座，7016.光阑座，7017.光阑导钉，7018.光阑电机，7019.光阑电机支架，7020.光阑过轮，7021.光阑电机齿轮。
具体实施方式
如图1-7所示，高分辨率强透雾电视摄像变焦镜头，所述镜头光路沿光线入射方向设有光焦度为正的前固定透镜组A（1），光焦度为负的变倍透镜组B（2）、光焦度为正的补偿透镜组C（3）、可变光阑D（4）、光焦度为正的后固定透镜组E（5）和滤色镜片F（6）；所述前固定透镜组A（1）沿光线入射方向依次设有由负月牙透镜A-1（111）和双凸透镜A-2（112）密接的第一胶合组、平凸透镜A-3（113）、正月牙透镜A-4（114）；所述平凸透镜A-3（113）由超低色散材料H-FK61制成。
所述变倍透镜组B（2）沿光线入射方向依次设有平凹透镜B-1（121）、由双凹透镜B-2（122）和正月牙透镜B-3（123）密接的第二胶合组、双凹透镜B-4（124）。
所述补偿透镜组C（3）设有双凸透镜C-1（131）、由负月牙透镜C-2（132）和双凸透镜C-3（133）密接的第三胶合组。
所述后固定透镜组E（5）依次设有双凹透镜E-1（141）、正月牙透镜E-2（142）、双凸透镜E-3（143）、负月牙透镜E-4（144）、双凸透镜E-5（145）。
所述前固定透镜组A（1）和变倍透镜组B（2）之间的空气间隔是4.50～90.00mm，变倍透镜组B（2）与补偿透镜组C（3）之间的空气间隔是4.50～121.48mm，补偿透镜组C（3）与后固定透镜组E（5）之间的空气间隔是6.60～38.08mm。
所述前固定透镜组A（1）中，第一胶合组与平凸透镜A-3（113）之间的空气间隔是0.15mm，平凸透镜A-3（113）与正月牙透镜A-4（114）之间的空气间隔是0.15mm；所述变倍透镜组B（2）中，平凹透镜B-1（121）与第二胶合组之间的空气间隔是2.26mm，第二胶合组与双凹透镜B-4（124）之间的空气间隔是6.84mm；所述补偿透镜组C（3）中，双凸透镜C-1（131）与第三胶合组之间的空气间隔是0.15mm；所述后固定透镜组E（5）中，双凹透镜E-1（141）与正月牙透镜E-2（142）之间的空气间隔是0.30mm，正月牙透镜E-2（142）与双凸透镜E-3（143）之间的空气间隔是11.59mm，双凸透镜E-3（143）与负月牙透镜E-4（144）之间的空气间隔是0.19mm，负月牙透镜E-4（144）与双凸透镜E-5（145）之间的空气间隔是1.64mm。
所述滤色镜片F（6）为近红外滤色镜，滤色镜片F（6）的工作波长为700~900nm。
所述镜头的前部设有电动聚焦机构（409），所述电动聚焦机构（409）内置前固定透镜组A（1）；所述镜头的中部设有电动变焦机构（4010），所述电动变焦机构（4010）内置变倍透镜组B（2）和补偿透镜组C（3）；所述镜头的后部设有电动调光机构（405），所述电动调光机构（405）内置可变光阑D（4）和后固定透镜组E（5）。
所述电动变焦机构（4010）内置一精密电位器以实现焦距预置功能。
所述镜头最小焦距f’min=11mm，镜头最小焦距f’max=310mm；镜头光学结构长度∑L≤235mm；镜头变倍行程≤85.5mm。
实施例：
如图4所示，所述镜头的装配机构从左往右依次为前安置组件401、变倍凸轮组件402、变倍组件403、补偿组件404、电动调光机构405、后安置组件406、滤光片机构407和摄像机组件408。所述镜头的前部设有电动聚焦机构409，所述镜头的中部设有电动变焦机构4010，所述电动调光机构405、电动聚焦机构409和电动变焦机构4010分别布置在镜头的四周。所述电动聚焦机构设置有一个实现焦距预置功能的聚焦电位器3015和两个实现输出到位信号功能的霍尔元件5019，所述聚焦电位器5015为精密电位器。所述电动变焦机构设置有一个实现焦距预置功能的变焦电位器6014和两个实现输出到位信号功能的霍尔元件6020，所述聚焦电位器6014为精密电位器。
前固定透镜组A在电动聚焦机构处的配合结构如图5、5a所示，所述前安置组件401是用前组压圈509将负月牙透镜（501）与双凸透镜A2（502）密接的胶合组、平凸透镜A3（503）、正月牙透镜A4（504）分别安置于前组镜筒507内并通过上下两个均布的聚焦导钉组件508安置在聚焦主镜筒5010内，所述负月牙透镜（501）与双凸透镜A2（502）密接的胶合组是由前组压圈509压紧在前组镜筒507内，所述负月牙透镜（501）与双凸透镜A2（502）密接的胶合组和平凸透镜A3（503）之间设置有前组隔圈Ⅰ506，所述平凸透镜A3（503）和正月牙透镜A4（504）之间设置有前组隔圈Ⅱ505。所述电动聚焦机构409包括聚焦电机5013、聚焦主镜筒5010、聚焦磁钢5021以及精确控制聚焦位置的聚焦霍尔元件5019，所述聚焦电机5013通过聚焦电机架5017安置在聚焦主镜筒5010上，所述聚焦霍尔元件5019通过聚焦限位支架5018安置在聚焦主镜筒5010上，所述聚焦主镜筒5010上开设有精密加工的2个均布导槽，所述聚焦电机5013的电机轴上安置有聚焦齿轮5014，所述聚焦主镜筒5010安置有聚焦凸轮5012，聚焦凸轮5012上开设有精密加工的2条均布的线性斜槽，用聚焦导钉组件508将前组镜筒5012和聚焦主镜筒5010联接在一起，聚焦齿轮5014与聚焦凸轮5012上的齿轮啮合。当聚焦电机5012加电旋转，带动聚焦凸轮5012旋转时，通过聚焦主镜筒5010上直槽限制，前组镜筒507的旋转运动转换为直线运动，从而实现对远近目标的聚焦。
变倍透镜组B和补偿透镜组C在电动变焦机构处的配合结构如图6、6a、6b所示，所述变倍镜组501通过联接螺钉安置在变倍滑架502上组成变倍组件403；补偿镜组609通过联接螺钉安置在补偿滑架607上组成补偿组件404。所述变倍滑架602与补偿滑架607分别通过与主镜筒603精密研磨后装入主镜筒603内，变倍凸轮606通过前精密钢球604和后精密钢球6010安置在主镜筒603上，用变倍凸轮压圈6010压紧，把变倍凸轮606旋转时的滑动摩擦转变为滚动摩擦，以减少变倍凸轮606运动时的摩擦力。所述变倍凸轮606按光学变焦运动方程的要求加工两条变倍、补偿曲线槽，分别用变倍导钉组件605和补偿导钉组件608把变倍凸轮606与变倍滑架602、补偿滑架607联接在一起。所述电动变焦机构4010由变焦电机、变焦电位器6014以及变焦霍尔元件6020组成，所述变焦电机6018通过变焦机架6013安置在主镜筒603上，所述变焦霍尔元件6020通过变焦限位支架6019安置在主镜筒603上，所述变焦电位器6020通过变焦机架6013安置在主镜筒603上。变倍齿轮6017与变倍凸轮606齿轮啮合，而变倍电位器齿轮6014通过一个过轮6016与变倍凸轮607啮合。当变倍电机转子作正负旋转运动时，通过过轮6016，使变焦电位器转子6014与变倍凸轮607同步转动。通过变倍、补偿曲线槽及变倍导钉组件605、补偿导钉组件608带动变倍滑架602、补偿滑架607按变倍、补偿曲线槽的方式运动。主镜筒603上两条直槽起到支撑变倍导钉组件605和补偿导钉组件608的作用，并且使变倍滑架602、补偿滑架607的旋转运动变为直线运动。严格控制变倍导钉组件605和补偿导钉组件608与变倍凸轮606的曲线槽和主镜筒603的直线槽之间的配合间隙，保证变倍组件403和补偿组件404滑动平稳舒适、无卡滞。这样通过电机旋转实现变倍组件403和补偿组件404按变焦运动方程要求做前后直线运动，从而实现***焦距的连续变化功能。当***的焦距发生变化，通过适当的取样电路可以取出电位器的变化值，并传给控制中心，从而实现变焦值得显示；反之，通过控制中心给出命令，可实现焦距的实时控制。
可变光阑D和后固定透镜组E在电动调光机构处的配合结构如图7、7a所示，所述双凸透镜E3（707）、负月牙透镜E4（708）和双凸透镜E5（709）安置于后镜座7015内，所述后安置组件406是将双凹透镜E1（705）与正月牙透镜E2（706）安置于光阑座7016内，并将后镜座7015安装在光阑座上。所述双凹透镜E1（705）和正月牙透镜E2（706）之间用后组隔圈Ⅰ7010隔开，并用后组压圈Ⅰ7011压紧在光阑座7016内。所述双凸透镜E3（707）与负月牙透镜E4（708）用后组隔圈Ⅱ7012隔开，所述负月牙透镜E4（708）和双凸透镜E5（709）用后组隔圈Ⅲ7013隔开，并用后组压圈Ⅱ7014压紧于后镜座7015内。所述电动调光机构405包括光阑电机7018和精确控制光阑开口大小位置的光阑霍尔元件7018组成，所述光阑霍尔元件7018安装在光阑座7016上。所述光阑电机7018通过光阑电机架7019安置在光阑座7016上，所述光阑电机7018的电机轴上安置有光阑齿轮，所述光阑齿轮通过与光阑过轮7020齿轮啮合后带动光阑过轮7020转动，所述光阑过轮7020通过安置在光阑动环702上的光阑拨钉7017带动光阑动环702转动。所述光阑动环702由光阑动环压圈701压紧在光阑座7016内，所述光阑动环702带动光阑片704转动，从而控制光圈开口大小的变化，实现电动控制光圈大小的过程。
通过以上装配，本例镜头达到以下指标：
由上述镜片组构成的光学***达到了如下的光学指标：
焦距：f’min=11mm，f’max=310mm;
相对孔径D/f’：长焦优于1/4.5，短焦优于1/3；
视场角：2ω=1.22°~33.4°；
光学结构长度∑L≤235mm；
变倍行程≤85.5mm；
镜头分辨率：长焦时，中心视场MTF≥0.52@110lp/mm
短焦时，中心视场MTF≥0.66@110lp/mm
参考图2、图3，镜头能与高清晰度的摄像机适配；
透雾滤色片的透过光谱：700~900nm。

Claims (4)

1.高分辨率强透雾电视摄像变焦镜头，其特征在于：所述镜头光路沿光线入射方向设有光焦度为正的前固定透镜组A，光焦度为负的变倍透镜组B、光焦度为正的补偿透镜组C、可变光阑D、光焦度为正的后固定透镜组E和滤色镜片F；所述前固定透镜组A沿光线入射方向依次设有由负月牙透镜A-1和双凸透镜A-2密接的第一胶合组、平凸透镜A-3、正月牙透镜A-4；所述平凸透镜A-3由超低色散材料H-FK61制成；
所述变倍透镜组B沿光线入射方向依次设有平凹透镜B-1、由双凹透镜B-2和正月牙透镜B-3密接的第二胶合组、双凹透镜B-4；
所述补偿透镜组C设有双凸透镜C-1、由负月牙透镜C-2和双凸透镜C-3密接的第三胶合组；
所述后固定透镜组E依次设有双凹透镜E-1、正月牙透镜E-2、双凸透镜E-3、负月牙透镜E-4、双凸透镜E-5；
所述前固定透镜组A和变倍透镜组B之间的空气间隔是4.50～90.00mm，变倍透镜组B与补偿透镜组C之间的空气间隔是4.50～121.48mm，补偿透镜组C与后固定透镜组E之间的空气间隔是6.60～38.08mm；
所述滤色镜片F为近红外滤色镜，滤色镜片F的工作波长为700~900nm；
所述近红外滤色镜位于镜头光路的输出端处；
所述前固定透镜组A中，第一胶合组与平凸透镜A-3之间的空气间隔是0.15mm，平凸透镜A-3与正月牙透镜A-4之间的空气间隔是0.15mm；所述变倍透镜组B中，平凹透镜B-1与第二胶合组之间的空气间隔是2.26mm，第二胶合组与双凹透镜B-4之间的空气间隔是6.84mm；所述补偿透镜组C中，双凸透镜C-1与第三胶合组之间的空气间隔是0.15mm；所述后固定透镜组E中，双凹透镜E-1与正月牙透镜E-2之间的空气间隔是0.30mm，正月牙透镜E-2与双凸透镜E-3之间的空气间隔是11.59mm，双凸透镜E-3与负月牙透镜E-4之间的空气间隔是0.19mm，负月牙透镜E-4与双凸透镜E-5之间的空气间隔是1.64mm；
所述基于近红外滤色镜的滤光镜片用于补偿红外波段的最佳像面偏移，以提高近红外波段的成像效果来实现强透雾功能。
2.根据权利要求1所述的高分辨率强透雾电视摄像变焦镜头，其特征在于：所述镜头的前部设有电动聚焦机构，所述电动聚焦机构内置前固定透镜组A；所述镜头的中部设有电动变焦机构，所述电动变焦机构内置变倍透镜组B和补偿透镜组C；所述镜头的后部设有电动调光机构，所述电动调光机构内置可变光阑D和后固定透镜组E。
3.根据权利要求2所述的高分辨率强透雾电视摄像变焦镜头，其特征在于：所述电动变焦机构内置一精密电位器以实现焦距预置功能。
4.根据权利要求3所述的高分辨率强透雾电视摄像变焦镜头，其特征在于：所述镜头最小焦距f’min=11mm，镜头最小焦距f’max=310mm；镜头光学结构长度∑L≤235mm；镜头变倍行程≤85.5mm。
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