CN109188639B - 用于阴影流场成像的中画幅相机镜头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于阴影流场成像的中画幅相机镜头，其物镜组托筒呈两级台阶式圆筒状，成像物镜组设置在物镜组托筒大端侧内腔，成像物镜组中各物镜之间通过隔圈相分隔，并在物镜组托筒小端内腔通过压圈固定；物镜组托筒小端外壁的外螺纹与首段连接体内壁的内螺纹连接，首段连接体末端与中段连接体首端可滑动连接，中段连接体末端与尾段连接体首端可滑动连接，相机连接环固定在尾段连接体末端，用于连接中画幅相机；成像物镜组的相对孔径为1：10。本发明通过调节各连接体的相对位置将不同物距范围内的清晰像投射到中画幅相机的图像传感器中，像面分辨率可达到阴影成像的衍射极限。

Description

用于阴影流场成像的中画幅相机镜头

技术领域

本发明涉及阴影成像的相机镜头技术领域，尤其涉及一种用于阴影流场成像的中画幅相机镜头。

背景技术

流动显示是空气动力学、***与冲击、燃烧与化学反应等研究领域的重要测试技术；通过流动显示可以获得测试流场的密度变化情况以及模型的投影姿态位置等，为试验研究提供重要的图像数据。目前采用的流动显示法主要为基于平行光的阴影成像法。

阴影成像法是对透明介质(流场)成像，通过透明介质中出现的光学不均匀性，来判断流场的变化，而流场的变化体现了被监测对象的变化。

在现有的阴影成像中，光学镜头的相对孔径一般为1：10，所述相对孔径为光学镜头的有效孔径D与焦距f的比值；由于相对孔径约束着镜头的成像分辨能力，为了使最终获得的成像图像质量达到最佳，即使图像分辨率达到***的衍射极限，对成像物镜提出了更高的要求。现有各类规格的常规变焦、定焦镜头在针对小孔径比成像时，都不能很好地匹配阴影成像的要求，尤其用于中画幅这类大像面(直径Φ大于40mm)相机成像时，分辨能力会严重下降。并且，针对不同物距成像时，常规镜头不能完全兼顾。同时，常规镜头一般采用多片镜组进行成像，针对不同波长的照明光路，光束透过率明显不同，其成本也较高。

因此，针对以上不足，需要提供一种镜头，使其适用于中画幅相机的阴影成像，并可实现不同物距范围内的流场清晰成像。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中常规镜头用于中画幅相机成像时，分辨能力差，并且无法适应物距变化的缺陷，提供一种用于阴影流场成像的中画幅相机镜头。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于阴影流场成像的中画幅相机镜头，包括：物镜组托筒、成像物镜组、隔圈、压圈、首段连接体、中段连接体、尾段连接体和相机连接环，

所述物镜组托筒呈两级台阶式圆筒状，成像物镜组设置在物镜组托筒大端侧内腔，成像物镜组中各物镜之间通过隔圈相分隔，并在物镜组托筒小端内腔通过压圈固定；

物镜组托筒小端外壁的外螺纹与首段连接体内壁的内螺纹连接，首段连接体末端与中段连接体首端可滑动连接，中段连接体末端与尾段连接体首端可滑动连接，相机连接环固定在尾段连接体末端，用于连接中画幅相机；

所述成像物镜组的相对孔径为1：10。

在根据本发明所述的用于阴影流场成像的中画幅相机镜头中，所述相机镜头还包括两个套环，首段连接体末端与中段连接体首端通过一个套环连接，中段连接体末端与尾段连接体首端通过另一个套环连接；套环使相应的两段连接体可滑动连接，并可使两段连接体被锁紧。

在根据本发明所述的用于阴影流场成像的中画幅相机镜头中，所述一个套环与首段连接体螺纹连接，另一个套环与尾段连接体螺纹连接。

在根据本发明所述的用于阴影流场成像的中画幅相机镜头中，所述相机镜头还包括底座连接环，底座连接环与中段连接体可滑动并可锁死连接，用于与支撑结构连接。

在根据本发明所述的用于阴影流场成像的中画幅相机镜头中，成像物镜组用于设置在距离平行光准直镜焦点位置40mm-60mm处，将阴影流场清晰成像至中画幅相机的图像传感器中。

在根据本发明所述的用于阴影流场成像的中画幅相机镜头中，所述成像物镜组中每片物镜均采用ZF2光学玻璃和H-K9L光学玻璃胶合而成。

在根据本发明所述的用于阴影流场成像的中画幅相机镜头中，所述相机镜头还包括偏振滤光托盘，所述偏振滤光托盘设置在首段连接体内，用于放置偏振滤光元件。

在根据本发明所述的用于阴影流场成像的中画幅相机镜头中，所述尾段连接体与相机连接环通过螺纹连接。

在根据本发明所述的用于阴影流场成像的中画幅相机镜头中，所述中段连接体为圆筒结构，中段连接体侧壁上沿轴向设置直线槽，底座连接环通过锁紧螺钉与直线槽锁死。

在根据本发明所述的用于阴影流场成像的中画幅相机镜头中，调节三段连接体的相对位置，可使像距的调整范围为380mm-600mm。

实施本发明的用于阴影流场成像的中画幅相机镜头，具有以下有益效果：本发明为物镜组提供了可调节距离的安装结构，它通过三段连接体的可滑动连接，能满足不同物距成像时，对成像后截距的长度需求，从而在一定物距范围内清晰成像；本发明通过调节各连接体的相对位置将不同物距范围内的清晰像投射到中画幅相机的图像传感器中，像面分辨率可达到阴影成像的衍射极限。

附图说明

图1为根据本发明的用于阴影流场成像的中画幅相机镜头的示例性结构图；

图2为根据本发明的物镜组托筒的示例性结构图；

图3为根据本发明的首段连接体的示例性结构图；

图4为根据本发明的中段连接体的示例性结构图；

图5为根据本发明的尾段连接体的示例性结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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做出创造性劳动的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。

本发明提供了一种用于阴影流场成像的中画幅相机镜头，结合图1所示，包括：物镜组托筒1、成像物镜组2、隔圈3、压圈4、首段连接体5、中段连接体6、尾段连接体7和相机连接环8，

所述物镜组托筒1呈两级台阶式圆筒状，成像物镜组2设置在物镜组托筒1大端侧内腔，成像物镜组2中各物镜之间通过隔圈3相分隔，并在物镜组托筒1小端内腔通过压圈4固定；

物镜组托筒1小端外壁的外螺纹与首段连接体5内壁的内螺纹连接，首段连接体5末端与中段连接体6首端可滑动连接，中段连接体6末端与尾段连接体7首端可滑动连接，相机连接环8固定在尾段连接体7末端，用于连接中画幅相机9；

所述成像物镜组2的相对孔径为1：10。

本实施方式提供了物镜组的安装结构设计，为了方便调节及固定，可以将成像物镜组2卡扣在物镜组托筒1内部，并在小端侧通过压圈4实现位置的固定；隔圈3能使成像物镜组2中各单元物镜相互分开预定距离并在预定位置上被平稳固定。本公开中采用三段连接体实现镜头与相机之间的连接，通过三段连接体的相对位置改变，可以改变成像物镜组2与相机之间的距离，从而满足不同物距范围内清晰成像的需求。在物镜组托筒1与首段连接体5的连接面之间可涂抹阻尼油，以减小调节间隙，并加强调节后的稳定性。

再结合图2对物镜组托筒1进行进一步的说明，物镜组托筒1小端相当于图2中1a所对应的分段，分段1a外表面为螺纹结构；镜组托筒1大端对应于图2中1b所在的分段，其外端口具有一圈外凸的环状结构，可用于将分段1a和分段1b的相对位置锁死。

所述镜头可结合任意形式的阴影准直***使用，其相对孔径D/f满足1：10。在使用中，可将相对孔径1：10作为初始条件，通过光学设计软件，例如ZEMAX对成像物镜组2的参数进行仿真，当物距一定时，即流场位置相对固定时，微调成像物镜组2的距离可获得清晰的像面，仿真获得的MTF光学传递函数中，其像面的分辨率可达30lp/mm，******成像的Diffraction Limit衍射极限，可以看出其阴影成像已经达到衍射极限；由于对目标进行阴影成像时是对一个区域成像，可通过微调所述的成像物镜组2，在ZEMAX仿真时将微调距离设置为变量；仿真发现，当变化范围为±10mm时，可以满足±2m区域内目标都能清晰成像的要求。

本公开中镜头的相对孔径不低于阴影准直***的孔径比，也就是说不低于阴影准直***1：10的孔径比，保证了成像物镜组2针对小孔径比、大成像光斑的成像质量。

进一步，结合图1所示，所述相机镜头还包括两个套环10，首段连接体5末端与中段连接体6首端通过一个套环10连接，中段连接体6末端与尾段连接体7首端通过另一个套环10连接；套环10使相应的两段连接体可滑动连接，并可使两段连接体被锁紧。

为实现各连接体之间可滑动的功能，两个连接体之间可以设置辅助连接结构，例如与其中一个连接体固定连接，使另一个连接体可以在辅助连接结构上滑动，并在确定合适的连接位置后，将两个连接体的相对位置锁死，以确保结构的稳定像，从而不对成像过程造成影响。

例如在本公开中，设置了两个套环10来实现连接体之间的连接。其中的一个套环10可以固定连接在首段连接体5末端，使中段连接体6首端可通过套环10在首段连接体5内前后移动；另一个套环10连接的两段连接体也可以是同样的连接形式，例如，另一个套环10固定连接在尾段连接体7首端，中段连接体6末端可通过另一个套环10在尾段连接体7内前后移动。

本公开中通过两个套环10调节三段连接体的相对位置，从而带动成像物镜组2的位置调节，可满足不同物距成像时后截距的长度要求，并在位置确定后，将连接的两段连接体锁紧。调节三段连接体的位置，可满足将流场像面成像至中画幅相机9的图像传感器中，且像面清晰，其像面分辨率达到阴影成像的衍射极限。所述图像传感器的位置即是成像面的位置。

作为示例，结合图1所示，所述一个套环10与首段连接体5螺纹连接，另一个套环10与尾段连接体7螺纹连接。

本公开中各连接件之间都可以采用螺纹连接方式，使各部件之间能够稳定，可靠的连接，从而保证成像的过程免受外部环境扰动影响。

作为示例，结合图1所示，所述相机镜头还包括底座连接环11，底座连接环11与中段连接体6可滑动并可锁死连接，用于与支撑结构连接。

所述底座连接环11的作用是将镜头整体固定在其它支撑结构上。底座连接环11与中段连接体6可滑动连接，使得底座连接环11可根据三段连接体每次调节相对位置后的镜头整体重量分配，尽量选取镜头整体的重心位置进行锁死。

作为示例，结合图1所示，成像物镜组2用于设置在距离平行光准直镜焦点位置40mm-60mm处，将阴影流场清晰成像至中画幅相机9的图像传感器中。

理论上，成像物镜组2可以设置在任意位置处，但由于配合使用的平行光准直镜出射的光束为发散光，成像物镜组2距其焦点位置越远，其光束发散的就越大，由此对成像物镜组2的口径要求就越大，透镜口径越大其曲率半径就越大，这会为成像设计带来其它不必要的困难，因此，一般选择将成像物镜组2设置在与平行光准直镜距离小于100mm的位置处。

本公开中所述的镜头用于阴影成像时，需要与平行光准直镜进行配合；由于使用于像面尺寸大于40mm的中画幅相机，所以成像物镜组2与平行光准直镜的焦点距离优选为：在准直镜焦点位置之后约50mm处。

作为示例，结合图1所示，所述成像物镜组2中每片物镜均采用ZF2光学玻璃和H-K9L光学玻璃胶合而成。其中ZF2和H-K9L为中国光学玻璃库的牌号。

相对于现有技术中常规镜头采用多片镜组成像，成本较高，并且针对不同波长光源透过率严重不同的现象，本公开成像物镜组2采用一组胶合透镜，配合三段连接体的长度可伸缩，可针对阴影成像实现不同物距范围内流场的清晰成像，并投射到中画幅相机9的图像传感器中；另外，在实际使用中，根据照明光源的波长不同，可也在胶合透镜表面镀与光源波长同波长的增透膜，来提高透过率。

本公开中采用的胶合透镜，可以校正***的色差、离轴像差等像差，所以其既可以满足全光谱的光束照明阴影成像，也可满足单色光的照明阴影成像，都可获得清晰像。

进一步，结合图1所示，所述相机镜头还包括偏振滤光托盘12，所述偏振滤光托盘12设置在首段连接体5内，用于放置偏振滤光元件。

在所述相机镜头中，可选择使用偏振滤光托盘12，当对流场成像时，如果自发光及外界杂光对最终成像面的干扰较大，可以在偏振滤光托盘12中放置偏振滤光元件，所述偏振滤光元件可选择与光源波长相对应，用于消除或减弱自发光及外界杂光，提高最终的成像质量。

作为示例，结合图1所示，所述尾段连接体7与相机连接环8通过螺纹连接。

作为示例，结合图4所示，所述中段连接体6为圆筒结构，中段连接体6侧壁上沿轴向设置直线槽6-1，底座连接环11通过锁紧螺钉与直线槽6-1锁死。

中段连接体6可在首段连接体5和中段连接体6内滑动，因为处于中间位置，所以在其外表面设置底座连接环11。

首先结合图3说明一下首段连接体5的具体结构，图中首段连接体5的上端为其首端，首端的内径小于末端的内径，首端与物镜组托筒1连接；首段连接体5可在末端通过螺纹与套环10连接，套环10可通过旋转与中段连接体6锁紧。

图4中，中段连接体6的直线槽6-1在底座连接环11调整过程中可用于保持中段连接体6不旋转，具体为：将锁紧螺钉设置在直线槽6-1内，直线槽6-1相当于固定了锁紧螺钉的移动方向，即只能沿直线槽6-1移动，而不会发生圆周方向的转动，这可保证中画幅相机9在调整像距时，也不会发生旋转；调整完成后利用锁紧螺钉与底座连接环11配合锁死其相对位置。

图5所示的尾段连接体7与首段连接体5的结构相类似，不赘述。

作为示例，对三段连接体的长度进行选择设置，再调节三段连接体的相对位置，可使像距的调整范围为380mm-600mm。可通过ZEMAX软件辅助计算结果，当像距380mm时对应的物距为3m，像距600mm时对应的物距为8m；因此，当像距范围为380mm-600mm时，可实现对物距3m-8m范围内的目标获得清晰阴影像。

本发明提供了一种机械调焦结构的镜头，并通过相机连接环8可实现与相机的卡扣式连接。适用于像面尺寸大于40mm的中画幅相机。可配套使用不同口径的阴影准直***，其物距的调节范围为3m-8m，易于在阴影成像需求中推广使用。

综上所述，可对本发明所述镜头进行光学仿真获得其传递函数曲线，经仿真表明，本发明的成像质量能够接近理论衍射极限。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种用于阴影流场成像的中画幅相机镜头，其特征在于包括：

物镜组托筒(1)、成像物镜组(2)、隔圈(3)、压圈(4)、首段连接体(5)、中段连接体(6)、尾段连接体(7)和相机连接环(8)，

所述物镜组托筒(1)呈两级台阶式圆筒状，成像物镜组(2)设置在物镜组托筒(1)大端侧内腔，成像物镜组(2)中各物镜之间通过隔圈(3)相分隔，并在物镜组托筒(1)小端内腔通过压圈(4)固定；

物镜组托筒(1)小端外壁的外螺纹与首段连接体(5)内壁的内螺纹连接，首段连接体(5)末端与中段连接体(6)首端可滑动连接，中段连接体(6)末端与尾段连接体(7)首端可滑动连接，相机连接环(8)固定在尾段连接体(7)末端，用于连接中画幅相机(9)；

所述成像物镜组(2)的相对孔径为1：10；

所述相机镜头还包括两个套环(10)，首段连接体(5)末端与中段连接体(6)首端通过一个套环(10)连接，中段连接体(6)末端与尾段连接体(7)首端通过另一个套环(10)连接；套环(10)使相应的两段连接体可滑动连接，并可使两段连接体被锁紧；

所述一个套环(10)与首段连接体(5)螺纹连接，另一个套环(10)与尾段连接体(7)螺纹连接；

所述相机镜头还包括底座连接环(11)，底座连接环(11)与中段连接体(6)可滑动并可锁死连接，用于与支撑结构连接；

所述中段连接体(6)为圆筒结构，中段连接体(6)侧壁上沿轴向设置直线槽(6-1)，底座连接环(11)通过锁紧螺钉与直线槽(6-1)锁死；

成像物镜组(2)用于设置在距离平行光准直镜焦点位置40mm-60mm处，将阴影流场清晰成像至中画幅相机(9)的图像传感器中；

调节三段连接体的相对位置，可使像距的调整范围为380mm-600mm。

2.根据权利要求1所述的用于阴影流场成像的中画幅相机镜头，其特征在于：所述成像物镜组(2)中每片物镜均采用ZF2光学玻璃和H-K9L光学玻璃胶合而成。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的用于阴影流场成像的中画幅相机镜头，其特征在于：所述相机镜头还包括偏振滤光托盘(12)，所述偏振滤光托盘(12)设置在首段连接体(5)内，用于放置偏振滤光元件。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于阴影流场成像的中画幅相机镜头，其特征在于：所述尾段连接体(7)与相机连接环(8)通过螺纹连接。

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