长波红外大靶面双视场变焦距镜头及其变焦方法与流程

本发明涉及一种长波红外大靶面双视场变焦距镜头及其变焦方法，涉及光学技术领域。

背景技术：

红外镜头具有抗干扰能力强、可全天候全天时工作、穿透烟尘及雾霾能力强等优点。随着红外成像技术的快速发展，安防监控等领域对红外变焦距光学系统有着迫切的应用需求。但是现有的红外变焦距镜头尺寸偏大、携带不方便，靶面小、长短焦距选择不合理，图像质量不佳，对红外目标的搜索和识别能力有限，限制了其应用范围。

技术实现要素：

本发明的目的是针对以上不足之处，提供了一种结构简单的长波红外大靶面双视场变焦距镜头及其变焦方法。

本发明的技术方案是，一种长波红外大靶面双视场变焦距镜头，所述镜头的光学系统中沿光线从左向右入射方向依次设有前固定组A、变倍组B、后固定组C，所述前固定组A包括第一正弯月透镜A-1；所述变倍组B包括双凹负透镜B-1；所述后固定组C包括从左向右依次设置的双凸正透镜C-1、第二正弯月透镜C-2、第三正弯月透镜C-3。

进一步的，所述前固定组A与变倍组B之间短焦的空气间隔为18.01mm，长焦的空气间隔为43.88mm，所述变倍组B与后固定组C之间短焦的空气间隔为43.23mm，长焦的空气间隔为17.36mm。

进一步的，所述双凸正透镜C-1和第二正弯月透镜C-2之间的空气间隔为22.71mm，所述第二正弯月透镜C-2和第三正弯月透镜C-3之间的空气间隔为42.32mm。

进一步的，所述镜头的机械结构包括沿光线的入射方向从左向右依次设置的变倍组件、调焦组件、光栏组件、校正组件，所述变倍组B设于变倍组件内。

进一步的，所述镜头的机械结构还包括主镜筒，所述变倍组件包括位于主镜筒内部的变倍滑架，所述变倍滑架的内部固设有变倍镜筒；所述变倍滑架通过与主镜筒研磨配合安装在主镜筒上，所述主镜筒的外部中后段设有变倍凸轮，所述变倍凸轮通过钢珠置于主镜筒上，用以组成滚动轴承，并经凸轮压圈锁紧；所述变倍凸轮上开设有按光学变焦运动方程的要求加工的变倍曲线槽，所述变倍凸轮与变倍滑架经变倍导钉组件连接在一起；所述主镜筒的外部设有变倍电机组件，所述变倍电机组件包括变倍电机与微动开关组件、微动开关拨钉，所述变倍电机通过变倍电机支架和变倍电机立柱安装在主镜筒上；所述变倍电机的输出轴上连接有变倍电机齿轮，所述变倍凸轮的后端面上螺接有环形的变倍凸轮齿轮，所述变倍电机齿轮与变倍凸轮齿轮啮合，所述主镜筒上设有用以限制变倍导钉组件的直槽A，所述主镜筒的内部前端螺接有前组镜筒，所述前固定组A安装在前组镜筒内，所述第一正弯月透镜A-1的前端设有前组压圈，所述变倍组B安装在变倍镜筒内，所述双凹负透镜B-1的前端设有变倍压圈，所述变倍滑架上开设有两个排气孔，所述变倍滑架前端的内部空气经排气孔与后端的内部空气相连通。

进一步的，所述变倍凸轮的前端与主镜筒的外表面之间设有用于确保焦距定位准确与稳定的焦距定位机构，所述焦距定位机构包括定位座，所述定位座上沿着变倍凸轮的旋转方向开设有直槽口，所述定位座经插入直槽口的螺钉螺接在主镜筒的外表面，所述定位座上开设有末端贯穿定位座的径向轴孔，所述径向轴孔的末端嵌设有一个钢珠，所述钢珠与径向轴孔间隙配合，所述钢珠的顶部设有嵌设于径向轴孔内的压板，所述压板经压板顶部的弹簧压紧于钢珠的上方，所述变倍凸轮前端的外圆周表面边缘上开设有若干个定位槽，所述钢珠嵌设于定位槽或压紧于外圆周表面上，所述弹簧的中部插设有弹簧定位轴，所述径向轴孔的顶部设有弹簧压圈。

进一步的，所述调焦组件包括后组镜筒，所述后组镜筒螺接于主镜筒的后端面上，所述后组镜筒的前端沿主镜筒的后端伸入主镜筒内部，所述双凸正透镜C-1经压圈A安装在后组镜筒的前端，所述第二正弯月透镜C-2经压圈B安装在后组镜筒的中部，所述后组镜筒的内后端设有调焦镜筒，所述第三正弯月透镜C-3安装在调焦镜筒上，所述调焦镜筒通过与后组镜筒研磨配合安装在后组镜筒上，所述后组镜筒的外部中后段设有调焦凸轮，所述调焦凸轮同轴套设于后组镜筒上，并经调焦凸轮压圈锁紧；所述调焦凸轮上开设有按光学变焦运动方程的要求加工的调焦曲线槽，所述调焦凸轮与调焦镜筒经调焦凸轮导钉连接在一起；所述调焦镜筒的外部设有调焦电机组件，所述调焦电机组件包括调焦电机与微动开关组件二，所述调焦电机通过调焦电机支架和调焦电机立柱安装在调焦镜筒上；所述调焦电机的输出轴上连接有调焦电机齿轮，所述调焦凸轮的外周设有环形的调焦凸轮齿轮，所述调焦电机齿轮与调焦凸轮齿轮啮合，所述调焦镜筒上设有用以限制调焦凸轮导钉的直槽B。

进一步的，所述校正组件包括经沉头螺钉与后组镜筒的后端面螺接的校正舱，所述校正舱的内部铰接有一校正板，所述校正板的形状为扇形，所述校正板的圆心处铰接在校正舱的内底部，所述校正组件还包括校正电机，所述校正电机的输出轴上连接有位于校正舱内部的校正电机齿轮，所述校正电机齿轮啮合有一中间齿轮，所述中间齿轮与校正板的圆弧周部上的轮齿啮合，驱动校正板绕圆心转动，所述校正板的中心线的一侧开设有通光孔，所述校正电机通过校正电机支架和校正电机立柱安装在校正舱上，所述校正舱的内部还设有限位微动开关组件，所述校正舱经校正舱盖板进行密封，校正舱的内底部也设有通光孔。

进一步的，所述校正舱盖板的后端部设有探测器组件。

一种长波红外大靶面双视场变焦距镜头的变焦方法，包括以下步骤：

（1）变倍电机的转子做正负旋转运动，带动变倍凸轮做相应的转动；

（2）变倍曲线槽及变倍导钉组件带动变倍滑架按变倍曲线槽的方式运动，在直槽限制下，变倍滑架的旋转运动变为直线运动进行变焦。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：（1）该长波红外大靶面双视场变焦距镜头的光学系统结构简单，镜头结构装配紧凑、长度短、体积小携带方便，具有结构紧凑、大靶面、高分辨率等优点。（2）该镜头焦距为40mm-120mm，可匹配像元数为640*512、像元大小为17um的大靶面探测器。

附图说明

下面结合附图对本发明专利进一步说明。

图1为该发明实施例短焦时的光学系统示意图；

图2为该发明实施例长焦时的光学系统示意图；

图3为该发明实施例的机械结构示意图；

图4为该发明实施例的变倍组件的结构示意图一；

图5为该发明实施例的变倍组件的结构示意图二；

图6为焦距定位机构的结构示意图一；

图7为焦距定位机构的结构示意图二；

图8为焦距定位机构的结构示意图三；

图9为焦距定位机构的工作状态示意图；

图10为该发明实施例的调焦组件的结构示意图一；

图11为该发明实施例的调焦组件的结构示意图二；

图12为该发明实施例的校正组件的结构示意图一；

图13为该发明实施例的校正组件的结构示意图二；

图14为该发明实施例的外形结构示意图一；

图15为该发明实施例的外形结构示意图二；

图16为该发明实施例的外形结构示意图三；

图17为该发明实施例的外形结构示意图四；

图中：

A-前固定组A；B-变倍组B；C-后固定组C；A-1第一正弯月透镜A-1；B-1双凹负透镜B-1；C-1双凸正透镜C-1；C-2第二正弯月透镜C-2；C-3第三正弯月透镜C-3； 1-变倍组件；2-调焦组件；3-光栏组件；4-校正组件；5-主镜筒；6-变倍滑架；7-变倍镜筒；8-变倍凸轮；9-钢珠；10-凸轮压圈；11-变倍导钉组件；12-变倍电机；13-微动开关组件；14-微动开关拨钉；15-变倍电机支架；16-变倍电机立柱；17-变倍电机齿轮；18-变倍凸轮齿轮；19-直槽A；20-前组镜筒；21-前组压圈；22-变倍压圈；23-排气孔；24-焦距定位机构；25-定位座；26-直槽口；27-径向轴孔；28-钢珠；29-压板；30-弹簧；31-定位槽；32-弹簧定位轴；33-弹簧压圈；34-后组镜筒；35-压圈A；36-压圈B；37-调焦镜筒；38-调焦凸轮；39-调焦凸轮压圈；40-调焦凸轮导钉；41-调焦电机；42-微动开关组件二；43-调焦电机支架；44-调焦电机立柱；45-调焦电机齿轮；46-调焦凸轮齿轮；47-直槽B；48-校正舱；49-校正板；50-校正电机；51-校正电机齿轮；52-中间齿轮；53-轮齿；54-通光孔；55-校正电机支架；56-校正电机立柱；57-限位微动开关组件；58-校正舱盖板；59-探测器组件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1～17所示，一种长波红外大靶面双视场变焦距镜头，所述镜头的光学系统中沿光线从左向右入射方向依次设有前固定组A、变倍组B、后固定组C，所述前固定组A包括第一正弯月透镜A-1；所述变倍组B包括双凹负透镜B-1；所述后固定组C包括从左向右依次设置的双凸正透镜C-1、第二正弯月透镜C-2、第三正弯月透镜C-3，第二正弯月透镜C-2的材料为ZnSe，第一正弯月透镜A-1、双凹负透镜B-1、双凸正透镜C-1、第三正弯月透镜C-3的材料均为锗。

在本实施例中，所述前固定组A与变倍组B之间短焦（f=40mm）的空气间隔为18.01mm，长焦（f=120mm）的空气间隔为43.88mm，所述变倍组B与后固定组C之间短焦的空气间隔为43.23mm，长焦的空气间隔为17.36mm。

在本实施例中，所述双凸正透镜C-1和第二正弯月透镜C-2之间的空气间隔为22.71mm，所述第二正弯月透镜C-2和第三正弯月透镜C-3之间的空气间隔为42.32mm。

在本实施例中，所述镜头的机械结构包括沿光线的入射方向从左向右依次设置的变倍组件1、调焦组件2、光栏组件3、校正组件4，所述变倍组B设于变倍组件内。

在本实施例中，所述镜头的机械结构还包括主镜筒5，所述变倍组件包括位于主镜筒内部的变倍滑架6，所述变倍滑架的内部固设有变倍镜筒7；所述变倍滑架通过与主镜筒研磨配合安装在主镜筒上，所述主镜筒的外部中后段设有变倍凸轮8，所述变倍凸轮通过钢珠9置于主镜筒上，用以组成滚动轴承，并经凸轮压圈10锁紧；所述变倍凸轮上开设有按光学变焦运动方程的要求加工的变倍曲线槽，所述变倍凸轮与变倍滑架经变倍导钉组件11连接在一起；所述主镜筒的外部设有变倍电机组件，所述变倍电机组件包括变倍电机12与微动开关组件13、微动开关拨钉14，所述变倍电机通过变倍电机支架15和变倍电机立柱16安装在主镜筒上；所述变倍电机的输出轴上连接有变倍电机齿轮17，所述变倍凸轮的后端面上螺接有环形的变倍凸轮齿轮18，所述变倍电机齿轮与变倍凸轮齿轮啮合，所述主镜筒上设有用以限制变倍导钉组件的直槽A19，所述主镜筒的内部前端螺接有前组镜筒20，所述前固定组A安装在前组镜筒内，所述第一正弯月透镜A-1的前端设有前组压圈21，所述变倍组B安装在变倍镜筒内，所述双凹负透镜B-1的前端设有变倍压圈22，所述变倍滑架上开设有两个排气孔23，所述变倍滑架前端的内部空气经排气孔与后端的内部空气相连通，避免变倍滑架前后移动时内部空气挤压导致无法带动变倍组移动，变倍导钉组件采用上下两个滚子分别与主镜筒的直槽A和变倍曲线槽配合，提高配合精度，从而提高焦距切换精度和光轴稳定性。

在本实施例中，变倍凸轮齿轮通过沉头螺钉与变倍凸轮螺接，即变倍凸轮齿轮与变倍凸轮分体加工，可把变倍凸轮齿轮直径尽量做小，提高变倍电机齿轮与变倍凸轮齿轮的传动比，提高变倍凸轮传动速度，实现双视场快速切换。

在本实施例中，所述前组镜筒材质选用合金钢，避免选用铝材膨胀系数与光学材料膨胀系数差别过大导致无法满足低温-40℃-+55℃工作温度要求。

在本实施例中，所述主镜筒上一体化设计有用于镜头连接的方形法兰。

在本实施例中，所述变倍凸轮的前端与主镜筒的外表面之间设有用于确保焦距定位准确与稳定的焦距定位机构24，实现双视场准确重复定位，所述焦距定位机构包括定位座25，所述定位座上沿着变倍凸轮的旋转方向开设有直槽口26，所述定位座经插入直槽口的螺钉螺接在主镜筒的外表面，所述定位座上开设有末端贯穿定位座的径向轴孔27，所述径向轴孔的末端嵌设有一个钢珠28，所述钢珠与径向轴孔间隙配合，所述钢珠的顶部设有嵌设于径向轴孔内的压板29，所述压板经压板顶部的弹簧30压紧于钢珠的上方，所述变倍凸轮前端的外圆周表面边缘上开设有若干个定位槽31，所述钢珠嵌设于定位槽或压紧于外圆周表面上，所述弹簧的中部插设有弹簧定位轴32，所述径向轴孔的顶部设有弹簧压圈33，通过松紧弹簧压圈可调节钢珠与变倍凸轮的定位槽的松紧，左右调节定位座可使钢珠落入定位槽时焦距正好满足要求，这样可以确保焦距定位的准确性和稳定性。

在本实施例中，所述调焦组件包括后组镜筒34，所述后组镜筒螺接于主镜筒的后端面上，所述后组镜筒的前端沿主镜筒的后端伸入主镜筒内部，所述双凸正透镜C-1经压圈A35安装在后组镜筒的前端，所述第二正弯月透镜C-2经压圈B36安装在后组镜筒的中部，所述后组镜筒的内后端设有调焦镜筒37，所述第三正弯月透镜C-3安装在调焦镜筒上，所述调焦镜筒通过与后组镜筒研磨配合安装在后组镜筒上，所述后组镜筒的外部中后段设有调焦凸轮38，所述调焦凸轮同轴套设于后组镜筒上，并经调焦凸轮压圈39锁紧；所述调焦凸轮上开设有按光学变焦运动方程的要求加工的调焦曲线槽，所述调焦凸轮与调焦镜筒经调焦凸轮导钉40连接在一起；所述调焦镜筒的外部设有调焦电机组件，所述调焦电机组件包括调焦电机41与微动开关组件二42，所述调焦电机通过调焦电机支架43和调焦电机立柱44安装在调焦镜筒上；所述调焦电机的输出轴上连接有调焦电机齿轮45，所述调焦凸轮的外周设有环形的调焦凸轮齿轮46，所述调焦电机齿轮与调焦凸轮齿轮啮合，所述调焦镜筒上设有用以限制调焦凸轮导钉的直槽B47。

在本实施例中，所述校正组件包括经沉头螺钉与后组镜筒的后端面螺接的校正舱48，所述校正舱的内部铰接有一校正板49，所述校正板的形状为扇形，所述校正板的圆心处铰接在校正舱的内底部，所述校正组件还包括校正电机50，所述校正电机的输出轴上连接有位于校正舱内部的校正电机齿轮51，所述校正电机齿轮啮合有一中间齿轮52，所述中间齿轮与校正板的圆弧周部上的轮齿53啮合，驱动校正板绕圆心转动，所述校正板的中心线的一侧开设有通光孔54，另一侧不打孔，所述校正电机通过校正电机支架55和校正电机立柱56安装在校正舱上，所述校正舱的内部还设有限位微动开关组件57，所述校正舱经校正舱盖板58进行密封，校正舱的内底部也设有通光孔，当镜头工作时校正板转到开孔位置，当红外探测器需要校正时校正板切换至不开孔位置，镜头不通光，实现探测器校正功能，限位微动开关组件当校正板全开、闭合时对校正板进行限位，保证定位准确，同时保护校正电机不堵转。

在本实施例中，所述校正舱盖板的后端部设有探测器组件59，减少结构件，有效提高镜头可靠性。

在本实施例中，通过第三正弯月透镜C-3的移动来实现高低温（-40℃~60℃）和远近距补偿，移动量为-1.2mm（低温）/+1.5mm（高温），靠近探测器组件为负，远离探测器组件为正，即该长波红外大靶面双视场变焦距镜头可同时实现变焦、调焦和温度补偿三种功能，适用于安防监控等领域，用以解决现有红外变焦系统尺寸偏大、分辨率低、长短焦选择不合理等问题，保证光学系统在不同的环境温度和长短焦切换的条件下，对远近目标都具有优良的成像质量。

一种长波红外大靶面双视场变焦距镜头的变焦方法，包括以下步骤：

（1）变倍电机的转子做正负旋转运动，带动变倍凸轮做相应的转动；

（2）变倍曲线槽及变倍导钉组件带动变倍滑架按变倍曲线槽的方式运动，在直槽限制下，变倍滑架的旋转运动变为直线运动进行变焦。

在本实施例中，由上述镜片组构成的光学系统达到了如下的光学指标：

（1）焦距：40mm~120mm；

（2）视场角：2ω=19.9°～6.7°；

（3）相对孔径：1：1.0；

（4）适用光谱范围：8um～12um；

（5）工作温度：-40℃～+60℃。

上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。