CN112099182A - 一种基于双组补偿的大视场高变倍比连续变焦镜头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双组补偿的大视场高变倍比连续变焦镜头。镜管内部封装有物镜组、变倍组、前后补偿组，镜管后端固定有滤光片切换组、后固定座、后固定组；销钉穿过变倍镜管上的变倍曲线槽、前后补偿曲线槽以及镜管上的直线槽后，分别固定在变倍组、前后补偿组上；变倍电机组驱动变倍镜管旋转，变倍镜管带动销钉按照各自的曲线槽路径运动，进而带动变倍组、前补偿组、后补偿组在镜管中沿直线槽轴向移动，实现焦距的连续调节。本发明采用双组补偿结构补偿大视场高变倍比连续变焦镜头在变焦过程中像面的移动量，使大视场水平角度高达58°、变倍比高达35倍，变焦全程图像一直保持清晰。该镜头还具有体积小、重量轻、成像清晰、分辨率高等优点。

Description

一种基于双组补偿的大视场高变倍比连续变焦镜头

技术领域

本发明涉及光电设备技术领域，具体涉及一种基于双组补偿的大视场高变倍比连续变焦镜头。

背景技术

众所周知在某些特定应用场景中，能否快速、准确获取目标的高精度信息至关重要，这就涉及到电视成像设备。电视成像设备是一种常见的白光侦查设备，其一般由光学镜头、探测器组件和控制电路组件等组成，其中光学镜头是整个电视成像设备的基础，借助光学镜头可以获取目标的光学图像。为了大范围搜索、观察目标和大倍率放大目标以便精准瞄准和跟踪，电视成像设备一般采用连续变焦镜头。连续变焦镜头是指在一定范围内焦距连续变化，像面却保持不变或基本不变的光学成像***，其可以对目标进行从小到大的连续放大，产生由远及近的感觉。连续变焦镜头一般依靠变倍组和补偿组两个光学组件，按照光学上设计好的规律位置关系沿轴线移动，从而改变两者之间的距离实现焦距的连续变化，并且保证变焦全程中像面保持清晰、稳定。在这个过程中，补偿组主要用于补偿变焦时的像面移动。

一方面既需要尽量大的观察视场以便更好的观察、搜索目标，另一方面又需要在发现目标后借助作用距离远、放大倍率高的长焦小视场放大目标以便进一步精准识别和跟踪目标，这就需要用到大视场高变倍比连续变焦镜头(长短焦的比例即为变倍比)。尽量大的短焦用于观察视场，足够大的变倍比用于满足长焦跟踪目标，然而视场加大、变倍比加大使得成像模组无法保证变焦过程中图像全程清晰，很容易在变焦过程中丢失目标，此外还存在图像质量下降、分辨率降低、变倍曲线拟合困难以及光学设计难度加大等问题。在这个过程中光学口径加大也会导致产品体积、重量加大，进一步加大了结构设计的困难程度。

由于光学加工工艺、变倍镜管凸轮曲线槽设计和加工工艺等条件的限制，以及在连续变焦过程中图像需保持清晰的要求，现有的连续变焦镜头及搭载此类镜头的电视设备的大视场一般小于20度，变倍比一般在10-15倍左右。为解决这些问题，申请人开发了一种基于双组补偿的新型连续变焦镜头，将大视场水平角度提高至58°变倍比提高至35倍，并且变焦过程中图像全程清晰，小视场分辨率小于5秒，整个镜头的重量小于650g。

发明内容

本发明的目的在于克服现有连续变焦镜头存在的上述问题，提供一种基于双组补偿的高变倍比大视场连续变焦镜头。该镜头主要包括镜管1、变倍镜管2、物镜组3、变倍组4、前补偿组5、后补偿组6。其中物镜组3、变倍组4、前补偿组5、后补偿组6依次安装在镜管1内部，变倍镜管2套装在镜管1上；在变倍镜管2上设置有变倍曲线槽23、前补偿曲线槽24、后补偿曲线槽25，在镜管1上设置有变倍直线槽20、前补偿直线槽21、后补偿直线槽22；销钉11穿过变倍镜管2上的曲线槽以及镜管1上的直线槽后，分别固定在变倍组4、前补偿组5、后补偿组6上；变倍镜管2旋转时带动各个销钉11沿相应的曲线槽运动，销钉11带动变倍组4、前补偿组5、后补偿组6沿相应的直线槽在镜管1中轴向移动，实现焦距的连续调节。

进一步的，变倍组4、前补偿组5、后补偿组6在镜管1内按照各自曲线槽规定的运动，各个曲线槽是根据光学设计的各组件相互位置采点加工而成。其中变倍组4做线性运动，前补偿组5、后补偿组6均做非线性运动，变倍组4与前补偿组5、后补偿组6运动方向相反。

进一步的，镜管1外周表面上沿轴线对称设置有变倍直线槽20、前补偿直线槽21、后补偿直线槽22各两组，其中变倍直线槽20与后补偿直线槽22在一条直线上并且中间间隔一定距离，前补偿直线槽21与变倍直线槽20或后补偿直线槽23间隔一定距离平行设置。对应的，变倍镜管2外周表面相应位置处对称设置有变倍曲线槽23、前补偿曲线槽24、后补偿曲线槽25各两组。

进一步的，在变倍镜管2两端的锥面与镜管1的圆柱面之间垫有钢球，利用钢球的滚动减小运动过程中的摩擦力。

进一步的，该连续变焦镜头还包括变倍电机组10，所述变倍电机组10固定在镜管1上，在变倍镜管2端部设置有齿轮，变倍电机组10的输出轴与变倍镜管2端部的齿轮啮合传动，由此驱动变倍镜管2旋转，进而带动变倍组4、前补偿组5、后补偿组6在镜管1内沿中心轴线左右平移滑动。

进一步的，该连续变焦镜头还包括调焦电机组9、调焦齿轮12，所述调焦电机组9固定在镜管1端部，调焦齿轮12套装在镜管1上。在镜管1端部设置有调焦直线槽19，在调焦齿轮12上设置有调焦曲线槽26，调焦电机组9的输出轴与调焦齿轮12啮合；销钉穿过调焦齿轮12上的调焦曲线槽26、镜管1上的调焦直线槽19后与物镜组3固定连接；调焦电机组9驱动调焦齿轮12旋转，带动销钉11沿调焦曲线槽26运动，销钉11带动物镜组3沿镜管的调焦直线槽前后移动实现微调焦，为连续变焦镜头提供稳定的图像。

更进一步的，在调焦齿轮12设置有2条调焦曲线槽26。

进一步的，该连续变焦镜头还包括滤光片切换组7、后固定组8、后固定座15，所述滤光片切换组7位于镜管1与后固定座15之间，后固定座15压紧滤光片切换组7后与镜管1固定连接，后固定组8与后固定座15端面固定连接并封装在一起。后固定组8主要用于对连续变焦镜头***合成焦距进行微调，保证***成像落于像面。

更进一步的，所述滤光片切换组7包括可见光滤光片13和近红外滤光片14、滤光片安装座16、连杆17；在滤光片安装座16上固定有可见光滤光片13、近红外滤光片14，在两个滤光片之间设置有滑槽18，连杆17一端卡接在滑槽18中另一端与电机相连；电机转动带动连杆在滑槽内移动，进而带动滤光片安装座左右摆动，实现滤光片的切换。

更进一步的，可见光滤光片13的工作波段为0.4um-0.6um，近红外滤光片14工作波段为0.7um-0.9um。

与现有技术相比，本发明提供的连续变焦镜头实现了大的变倍比、大观察视场，镜头焦距为6mm-210mm，变倍比达到35倍；配备1920×1280/3.45um探测器组件时，大视场水平角度可达到58°。除此之外，该镜头还具有体积小、重量轻、成像清晰、分辨率高等优点。

附图说明

图1为本发明连续变焦镜头的主视图；

图2为图1沿中心线所在平面剖开后的剖视图；

图3为本发明连续变焦镜头的光学***图；

图4为镜管的结构示意图；

图5为变倍镜管某角度的结构示意图；

图6为变倍镜管另一角度的结构示意图；

图7为调焦齿轮的结构示意图；

图8为滤光片切换组的结构示意图。

其中1-镜管、2-变倍镜管、3-物镜组、4-变倍组、5-前补偿组、6-后补偿组、7-滤光片切换组、8-后固定组、9-调焦电机组、10-变倍电机组、11-销钉、12-调焦齿轮，13-可见光滤光片，14-近红外光滤光片，15-后固定座，16-滤光片安装座，17-连杆，18-滑槽，19-调焦直线槽，20-变倍直线槽，21-前补偿直线槽，22-后补偿直线槽，23-变倍曲线槽，24-前补偿曲线槽，25-后补偿曲线槽，26-调焦曲线槽。

具体实施方式

为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例及附图进行进一步说明。

现有的连续变焦镜头为保证在像面保持不变的情况下实现焦距的连续变化，一般由四组光学元件组成：物镜组、变倍组、补偿组和后固定组，其中物镜组为***提供稳定的像，变倍组做线性移动改变***焦距，补偿组补偿变倍组移动后像面的移动，后固定组用于将补偿组传输过来的像转换为实像。变倍组与补偿组的移动存在一定的关系，所以两者一般通过设置在变倍镜管上的变倍曲线槽、补偿曲线槽带动同步运动。这种镜头大视场一般在30°以下，变倍比一般在20以下，如果再加大视场和变倍比，补偿组就不能很好的补偿像面的移动，一般会存在变倍视差，不能保证变焦过程图像全程清晰。

在本申请中，为了达到大视场高变倍比的要求，设计采用了双组补偿结构，变焦过程中变倍组、前补偿组、后补偿组联动，按照各自曲线槽规定的路径和规律运动，曲线槽是根据光学设计的各组件相互位置采点加工而成。变倍组4做线性运动，前补偿组5、后补偿组6做非线性运动，变倍组4与前补偿组5、后补偿组6运动方向相反，通过三者相互之间间距的改变实现焦距的连续变化和变焦过程中像面的补偿。为保证变倍组与前补偿组、后补偿组按照固定的位置关系移动，变倍管上设置了三组六条曲线槽。由于这三组曲线槽都位于变倍管上，为校正变倍视差采用双组补偿不能通过如普通连续变焦镜头那样，通过微调变倍组与补偿组的间隔来调整变倍视差，校正变倍视差时需首先调整变倍组与补偿组之间的间隔，保证焦距小视场到视场中间值段全程清晰，再调整后补偿组与前补偿组的间隔保证视场中间值到大视场全程清晰，再返回去微调变倍组与前补偿组间隔保证小视场到大视场全程清晰，否则无法校正变倍视差。

图1-4给出了所述基于双组补偿的大视场高变倍比连续变焦镜头的具体结构和组成，其包括镜管1、变倍镜管2、物镜组3、变倍组4、前补偿组5、后补偿组6、滤光片切换组7、后固定组8、调焦电机组9、变倍电机组10、销钉11、调焦齿轮12、可见光滤光片13、近红外光滤光片14、后固定座15以及设置在镜管和变倍镜管上的若干曲线槽、直线槽。物镜组3、变倍组4、前补偿组5、后补偿组6由前往后依次封装在镜管1内部，变倍镜管2套装在镜管1上(两者之间设置有钢球)，变倍电机组10安装在镜管1上，变倍电机组10的输出轴与变倍镜管2端部的齿轮啮合传递动力。在变倍镜管2表面设置有3对共计六条凸轮曲线槽，分别为变倍曲线槽23、前补偿曲线槽24、后补偿曲线槽25，在镜管1表面也设置有对应的3对共计六条凸轮直线槽，分别为变倍直线槽20、前补偿直线槽21、后补偿直线槽22，另外在镜管前端还单独设置有若干组调焦直线槽19。销钉穿过变倍镜管2上的变倍曲线槽23、前补偿曲线槽24、后补偿曲线槽25以及镜管1上的变倍直线槽20、前补偿直线槽21、后补偿直线槽22后，分别与变倍组4、前补偿组5、后补偿组6固定连接。变倍电机组10通电启动后带动变倍镜管2旋转，销钉沿变倍曲线槽23、前补偿曲线槽24、后补偿曲线槽25运动，带动变倍组4、前补偿组5、后补偿组6沿镜管上的变倍直线槽20、前补偿直线槽21、后补偿直线槽22前后直线运动实现调焦。

物镜组3安装在镜管1前端内部，调焦齿轮12套装在镜管1前端，销钉11穿过调焦齿轮上的调焦曲线槽26以及镜管端部的调焦直线槽19后与镜管内部的物镜组3固定连接。固定在镜管1上的调焦电机组9转动，带动与之啮合的调焦齿轮12旋转，销钉11沿调焦曲线槽运动，进而带动物镜组3在镜管内沿调焦直线槽前后移动实现微调焦，提供稳定的图像。

在镜管1尾部还固定连接有滤光片切换组7，后固定组8通过后固定座与滤光片切换组、镜管固定相连。后固定组8位于镜管1尾部，主要用于对连续变焦镜头***合成焦距微调，保证了***成像落于像面。滤光片切换组7包括可见光滤光片13和近红外滤光片14、滤光片安装座16、连杆17，可见光滤光片13、近红外滤光片14固定在同一块滤光片安装座16上，在两个滤光片之间设置有滑槽18，连杆17一端卡接在滑槽中另一端与电机相连。电机转动时带动连杆在滑槽内移动，进而带动滤光片安装座左右摆动，实现滤光片的切换。可见光滤光片13工作波段为0.4um-0.6um，当切入可见光滤光片13电视成像模组为可见光彩色工作模式；近红外滤光片14工作波段为0.7um-0.9um，为近红外波段，当切入近红外滤光片14电视成像模组为近红外黑白模式具有透雾功能。

考虑到该连续变焦镜头的变倍角度达到170°，为保证变倍镜管2的强度，对其进行了模拟仿真分析，使设计达到最优。为避免曲线槽突变导致变倍镜管转动力矩加大，在设计时对各个曲线槽进行了优化。

Claims (10)

1.一种基于双组补偿的高变倍比大视场连续变焦镜头，其特征在于：该镜头主要包括镜管(1)、变倍镜管(2)、物镜组(3)、变倍组(4)、前补偿组(5)、后补偿组(6)；其中物镜组(3)、变倍组(4)、前补偿组(5)、后补偿组(6)依次安装在镜管(1)内部，变倍镜管(2)套装在镜管(1)上；在变倍镜管(2)上设置有变倍曲线槽(23)、前补偿曲线槽(24)、后补偿曲线槽(25)，在镜管(1)上设置有变倍直线槽(20)、前补偿直线槽(21)、后补偿直线槽(22)；销钉(11)穿过变倍镜管(2)上的曲线槽以及镜管(1)上的直线槽后，分别固定在变倍组(4)、前补偿组(5)、后补偿组(6)上；变倍镜管(2)旋转时带动各个销钉(11)沿相应的曲线槽运动，销钉(11)带动变倍组(4)、前补偿组(5)、后补偿组(6)沿相应的直线槽在镜管(1)中轴向移动，实现焦距的连续调节。

2.如权利要求1所述的高变倍比大视场连续变焦镜头，其特征在于：变倍组(4)、前补偿组(5)、后补偿组(6)在镜管(1)内按照各自曲线槽规定的路径运动，其中变倍组(4)做线性运动，前补偿组(5)、后补偿组(6)做非线性运动，变倍组(4)与前补偿组(5)、后补偿组(6)运动方向相反。

3.如权利要求1所述的高变倍比大视场连续变焦镜头，其特征在于：变倍直线槽(20)、前补偿直线槽(21)、后补偿直线槽(22)的数量均为两组共计六条，其中变倍直线槽(20)与后补偿直线槽(22)在一条直线上并且中间间隔一定距离，前补偿直线槽(21)与变倍直线槽(20)或后补偿直线槽(23)间隔一定距离平行设置。

4.如权利要求1所述的高变倍比大视场连续变焦镜头，其特征在于：在变倍镜管(2)两端的锥面与镜管(1)的圆柱面之间垫有钢球。

5.如权利要求1所述的高变倍比大视场连续变焦镜头，其特征在于：该连续变焦镜头还包括变倍电机组(10)，所述变倍电机组(10)固定在镜管(1)上，在变倍镜管(2)端部设置有齿轮，变倍电机组(10)的输出轴与变倍镜管(2)端部的齿轮啮合传动，由此驱动变倍镜管(2)旋转。

6.如权利要求1所述的高变倍比大视场连续变焦镜头，其特征在于：该连续变焦镜头还包括调焦电机组(9)、调焦齿轮(12)，所述调焦电机组(9)固定在镜管(1)端部，调焦齿轮(12)套装在镜管(1)上；在镜管(1)端部设置有调焦直线槽(19)，在调焦齿轮(12)上设置有调焦曲线槽(26)，调焦电机组(9)的输出轴与调焦齿轮(12)啮合；销钉穿过调焦齿轮(12)上的调焦曲线槽(26)、镜管(1)上的调焦直线槽(19)后与物镜组(3)固定连接；调焦电机组(9)驱动调焦齿轮(12)旋转，带动销钉(11)沿调焦曲线槽(26)运动，销钉(11)带动物镜组(3)沿镜管的调焦直线槽(19)前后移动实现微调焦。

7.如权利要求6所述的高变倍比大视场连续变焦镜头，其特征在于：在调焦齿轮(12)上设置有2条调焦曲线槽(26)。

8.如权利要求1所述的高变倍比大视场连续变焦镜头，其特征在于：该连续变焦镜头还包括滤光片切换组(7)、后固定组(8)、后固定座(15)；所述滤光片切换组(7)位于镜管(1)与后固定座(15)之间，后固定座(15)压紧滤光片切换组(7)后与镜管(1)固定连接，后固定组(8)与后固定座(15)端面固定连接并封装在一起。

9.如权利要求8所述的高变倍比大视场连续变焦镜头，其特征在于：所述滤光片切换组(7)包括可见光滤光片(13)和近红外滤光片(14)、滤光片安装座(16)、连杆(17)；在滤光片安装座(16)上固定有可见光滤光片(13)、近红外滤光片(14)，在两个滤光片之间设置有滑槽(18)，连杆(17)一端卡接在滑槽(18)中另一端与电机相连；电机转动带动连杆在滑槽内移动，进而带动滤光片安装座左右摆动，实现滤光片的切换。

10.如权利要求8或9所述的高变倍比大视场连续变焦镜头，其特征在于：可见光滤光片(13)的工作波段为0.4um-0.6um，近红外滤光片(14)工作波段为0.7um-0.9um。

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