本发明涉及一种具有主动温度聚焦功能的高清连续变焦镜头及其调焦方法，属于光电技术领域。
背景技术
国际科技对抗水平的提升，对机载、车载探测系统提出了更高的要求，尤其体现在不仅需要高清晰度图像输出，还需要对目标既能作大区域小倍率的全景搜索，又能作小区域大倍率的放大观察；由于应用环境多样，还需要能够快速应答外界环境变化，补偿温度效应的影响。传统的常规变焦距镜头依靠电动聚焦，补偿温度效应的影响，反应迟缓，在聚焦清晰前无法对目标持续观测、监控，甚至会丢失目标。因此必须在传统变焦距镜头的基础上，改变设计思路，改进设计方法，使之适应日益严酷的环境变化，提升科技对抗能力。
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具有主动温度聚焦功能的高清连续变焦镜头及其调焦方法。
本发明的技术方案是，一种具有主动温度聚焦功能的高清连续变焦镜头，所述镜头的光学系统沿光线自左向右方向依次设有光焦度为正的前固定组a、光焦度为负的变倍组b、光焦度为正的补偿组c、可变光阑d、光焦度为正的后固定组e；所述前固定组a依次设有双凸透镜a1、正弯月透镜a2、负弯月透镜a3和正弯月透镜a4密接的第一胶合组；所述变倍组b依次设有正弯月透镜b1和双凹透镜b2密接的第二胶合组、双凹透镜b3；所述补偿组c依次设有双凸透镜c1、负弯月透镜c2和双凸透镜c3密接的第三胶合组、正弯月透镜c4；所述后固定组e依次设有负弯月透镜e1、正弯月透镜e2、平凸透镜e3、负弯月透镜e4、双凸透镜e5。
进一步的，所述前固定组a与变倍组b之间的空气间隔是4～82.01mm，变倍组b和补偿组c之间的空气间隔是114.66～2.2mm，补偿组c和后固定组e之间的空气间隔是2.005～36.45mm。
进一步的，所述前固定组a中双凸透镜a1与正弯月透镜a2的空气间隔是0.2mm，正弯月透镜a2和第一胶合组的空气间隔是1.7mm；所述变倍组b中第二胶合组和双凹透镜b3的空气间隔是4.44mm；所述补偿组c中双凸透镜c1和第三胶合组的空气间隔是0.2mm，第三胶合组和正弯月透镜c4的空气间隔是0.1mm；所述后固定组e中负弯月透镜e1和正弯月透镜e2的空气间隔是0.1mm，正弯月透镜e2和平凸透镜e3的空气间隔是27.5mm，平凸透镜e3和负弯月透镜e4的空气间隔是3.75mm，负弯月透镜e4和双凸透镜e5的空气间隔是18.4mm。
进一步的，所述镜头的机械结构依次包括调焦组件、变倍组件、补偿组件、凸轮组件、可变光阑组件、后固定组件、摄像机组件；所述前固定组a设于调焦组件内，所述变倍组b设于变倍组件内，所述补偿组c设于补偿组件内，所述后固定组e设于可变光阑组件和后固定组件内，所述可变光阑组件内置可变光阑，镜头外壁包括密封结构。
进一步的，所述调焦组件是用a1片压圈将双凸透镜a1、正弯月透镜a2、第一胶合组分别安置于前组镜筒内，双凸透镜a1与正弯月透镜a2之间设有a1和a2隔圈，正弯月透镜a2与第一胶合组之间设有a2和第一胶合组隔圈，所述前组镜筒安装于调焦主镜筒内；所述调焦主镜筒上均布三个120º的直槽，调焦凸轮安装于调焦主镜筒外侧，调焦凸轮通过三个120º均布的线性斜槽，用调焦导钉组件安置于调焦主镜筒上；调焦电机、调焦电位器、调焦主镜筒、调焦凸轮、微动开关组成电动调焦机构，所述调焦电机、调焦电位器通过调焦电机架安置在调焦主镜筒上，所述微动开关通过调焦限位支架安置在调焦主镜筒上，电机齿轮与调焦凸轮上的齿轮啮合，当调焦电机通电转动，通过电机齿轮带动调焦凸轮旋转，通过调焦主镜筒上的直槽限制，前组镜筒的旋转被限制从而只做直槽内的直线运动，从而实现对远近目标的聚焦功能；当调焦凸轮做旋转运动时，同步的与调焦电位器齿轮发生相对的旋转，使电位器的阻值发生变化，通过适当的取样电路可以求出电位器的变化值，并传给控制中心，从而实现调焦值的显示；反之，通过控制中心给出相应阻值命令，可实现调焦的实时控制；调焦限位钉安置于调焦凸轮上，跟随调焦凸轮的转动，通过微动开关与调焦限位钉的共同作用对调焦凸轮到转角的限位和保护作用。
进一步的，变倍镜筒通过连接螺钉安置在变倍滑架上组成变倍组件；补偿镜筒通过连接螺钉安置在补偿滑架上组成补偿组件；所述变倍滑架与补偿滑架通过与主镜筒研磨配合安置在主镜筒内，变倍凸轮通过钢珠置于主镜筒组成滚动轴承，由变倍凸轮压圈锁紧；所述变倍凸轮按光学变焦运动方程的要求加工变倍、补偿曲线槽，分别用变倍导钉组件和补偿导钉组件把变倍凸轮与变倍滑架、补偿滑架连接在一起；变倍电机、变倍电位器、微动开关组成电动变焦机构，变倍电机通过变倍电机支架安置在主镜筒上，变倍电位器通过变倍电位器支架安置在主镜筒上，微动开关通过变倍限位开关架安置于主镜筒上；变倍齿轮与变倍凸轮啮合，当变倍电机转子做正负旋转运动时，带动变倍凸轮做相应的转动，通过变倍、补偿曲线槽及变倍导钉组件、补偿导钉组件带动变倍滑架、补偿滑架按变倍、补偿曲线槽的方式运动，主镜筒上的两条直槽起到限制变倍导钉组件、补偿导钉组件的作用，并使变倍滑架、补偿滑架的旋转运动变为直线运动；严格控制变倍导钉组件和补偿导钉组件与变倍凸轮的曲线槽和主镜筒上的直线槽之间的配合间隙，保证变倍组件和补偿组件滑动平稳、无卡带；通过电机旋转实现变倍组件和补偿组件按变焦运动方程要求做来回的直线运动，从而实现系统焦距的连续变化功能，当系统的焦距发生变化时，变倍齿轮与变倍凸轮啮合，同步的与变倍电位器齿轮发生相对的旋转，使电位器的阻值发生变化，通过适当的取样电路可以求出电位器的变化值，并传给控制中心，从而实现变焦值的显示；反之，通过控制中心给出相应阻值命令，可实现焦距的实时控制；微动开关通过变倍限位钉配合工作，起到对变焦过程中系统的限位和保护作用；温度控制板通过螺纹连接固定于主镜筒上，可以实时监控温度变化。
进一步的，所述后固定组e设于可变光阑组件和后固定组件内，所述可变光阑组件内置可变光阑，所述可变光阑组件包括光阑电机和用于控制光阑开口大小位置的微动开关组成，所示微动开关通过光阑限位支架安置在光阑座上，所述光阑片通过铆钉连接安置在光阑动环与光阑座上，所述光阑电机通过光阑电机架安置在光阑座上，所述光阑电机上装有光阑电机齿轮，通过光阑过轮与光阑调节环齿轮啮合后带动光阑调节环转动，所述光阑调节环由光阑调节环压圈锁紧在光阑座上，所述光阑调节环通过安置在光阑动环上的光阑拨钉带动光阑动环转动，所述光阑动环由光阑动环压圈锁紧在光阑座内，所述光阑动环带动光阑片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变化；所述光阑电机齿轮通过光阑过轮与光阑调节环啮合，光阑电位器利用光阑电位器支架固定于光阑座上，光阑电位器通过光阑电位器齿轮与光阑调节环齿轮啮合，当光阑电机转动时，光阑电机齿轮通过光阑过轮带动光栏调节环产生相应的转动，从而实现光圈孔径大小的显示，同步的与光阑电位器齿轮发生相对的旋转，使电位器的阻值发生变化，通过适当的取样电路可以求出电位器的变化值，并传给控制中心，从而实现对光圈开口大小的显示；反之，通过控制中心给出相应阻值命令，可实现焦距的实时控制；辅助支撑板通过螺纹连接固定于密封组件内。
进一步的，所述密封结构由镜盖、前保护片、前罩筒、中罩筒、法兰盘、后罩筒组成，前保护片通过前保护片压圈固定于前罩筒中，前罩筒由内六角圆柱头螺钉锁紧在中罩筒上，法兰盘由内六角圆柱头螺钉锁紧在中罩筒上，后罩筒由内六角圆柱头螺钉锁紧在法兰盘上。
一种具有主动温度聚焦功能的高清连续变焦镜头的调焦方法，按以下步骤进行：镜头采用前固定组（﹢）、变倍组（﹣）、补偿组（﹢）、后固定组（﹢）四个组元的结构，变倍组前后移动时，补偿组同时移动以保证像面不变，这个过程实现了镜头焦距的变化；通过合理分配四个组元的光焦度，使镜头在较小的长度尺寸下有较长的焦距。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明具有连续变焦距闭环控制功能，调焦闭环控制功能、焦距反馈功能及图像输出功能；同时能够探测外界环境温度变化，并快速做出主动应答，补偿温度对像质的影响。
附图说明
下面结合附图对本发明专利进一步说明。
图1为本发明的光路结构示意图。
图2为长焦时mtf。
图3为短焦时mtf。
图4为机械结构总示意图；
图5为调焦组件的结构示意图一；
图6为调焦组件的结构示意图二；
图7为变倍组件和补偿组件的结构示意图一；
图8为变倍组件和补偿组件的结构示意图二；
图9为可变光阑组件的结构示意图一；
图10为可变光阑组件的结构示意图二；
图11为密封结构的结构示意图；
图中：a-前固定组a；b-变倍组b；c-补偿组c；d-可变光阑d；e-后固定组e；a1-双凸透镜a1；a2-正弯月透镜a2；a3-负弯月透镜a3；a4-正弯月透镜a4；b1-正弯月透镜b1；b2-双凹透镜b2；b3-双凹透镜b3；c1-双凸透镜c1；c2-负弯月透镜c2；c3-双凸透镜c3；c4-正弯月透镜c4；e1-负弯月透镜e1；e2-正弯月透镜e2；e3-平凸透镜e3；e4-负弯月透镜e4；e5-双凸透镜e5。
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1～11所示，一种具有主动温度聚焦功能的高清连续变焦镜头，所述镜头的光学系统沿光线自左向右方向依次设有光焦度为正的前固定组a、光焦度为负的变倍组b、光焦度为正的补偿组c、可变光阑d、光焦度为正的后固定组e；所述前固定组a依次设有双凸透镜a1、正弯月透镜a2、负弯月透镜a3和正弯月透镜a4密接的第一胶合组；所述变倍组b依次设有正弯月透镜b1和双凹透镜b2密接的第二胶合组、双凹透镜b3；所述补偿组c依次设有双凸透镜c1、负弯月透镜c2和双凸透镜c3密接的第三胶合组、正弯月透镜c4；所述后固定组e依次设有负弯月透镜e1、正弯月透镜e2、平凸透镜e3、负弯月透镜e4、双凸透镜e5。
在本实施例中，所述前固定组a与变倍组b之间的空气间隔是4～82.01mm，变倍组b和补偿组c之间的空气间隔是114.66～2.2mm，补偿组c和后固定组e之间的空气间隔是2.005～36.45mm。
在本实施例中，所述前固定组a中双凸透镜a1与正弯月透镜a2的空气间隔是0.2mm，正弯月透镜a2和第一胶合组的空气间隔是1.7mm；所述变倍组b中第二胶合组和双凹透镜b3的空气间隔是4.44mm；所述补偿组c中双凸透镜c1和第三胶合组的空气间隔是0.2mm，第三胶合组和正弯月透镜c4的空气间隔是0.1mm；所述后固定组e中负弯月透镜e1和正弯月透镜e2的空气间隔是0.1mm，正弯月透镜e2和平凸透镜e3的空气间隔是27.5mm，平凸透镜e3和负弯月透镜e4的空气间隔是3.75mm，负弯月透镜e4和双凸透镜e5的空气间隔是18.4mm。
在本实施例中，所述镜头的机械结构依次包括调焦组件41、变倍组件42、补偿组件43、凸轮组件44、可变光阑组件45、后固定组件46、摄像机组件47；所述前固定组a设于调焦组件41内，所述变倍组b设于变倍组件42内，所述补偿组c设于补偿组件43内，所述后固定组e设于可变光阑组件45和后固定组件46内，所述可变光阑组件45内置可变光阑，镜头外壁包括密封结构48。
在本实施例中，所述调焦组件41是用a1片压圈51将双凸透镜a1、正弯月透镜a2、第一胶合组分别安置于前组镜筒52内，双凸透镜a1与正弯月透镜a2之间设有a1和a2隔圈510，正弯月透镜a2与第一胶合组之间设有a2和第一胶合组隔圈58，所述前组镜筒52安装于调焦主镜筒54内；所述调焦主镜筒54上均布三个120º的直槽，调焦凸轮55安装于调焦主镜筒54外侧，调焦凸轮55通过三个120º均布的线性斜槽，用调焦导钉组件53安置于调焦主镜筒54上；调焦电机515、调焦电位器517、调焦主镜筒54、调焦凸轮55、微动开关512组成电动调焦机构，所述调焦电机515、调焦电位器517通过调焦电机架514安置在调焦主镜筒54上，所述微动开关512通过调焦限位支架513安置在调焦主镜筒54上，电机齿轮516与调焦凸轮55上的齿轮啮合，当调焦电机515通电转动，通过电机齿轮516带动调焦凸轮55旋转，通过调焦主镜筒54上的直槽限制，前组镜筒52的旋转被限制从而只做直槽内的直线运动，从而实现对远近目标的聚焦功能；当调焦凸轮55做旋转运动时，同步的与调焦电位器齿轮518发生相对的旋转，使电位器的阻值发生变化，通过适当的取样电路可以求出电位器的变化值，并传给控制中心，从而实现调焦值的显示；反之，通过控制中心给出相应阻值命令，可实现调焦的实时控制；调焦限位钉安置于调焦凸轮55上，跟随调焦凸轮55的转动，通过微动开关512与调焦限位钉的共同作用对调焦凸轮55到转角的限位和保护作用。
在本实施例中，变倍镜筒62通过连接螺钉安置在变倍滑架63上组成变倍组件42；补偿镜筒69通过连接螺钉安置在补偿滑架611上组成补偿组件43；所述变倍滑架63与补偿滑架611通过与主镜筒66研磨配合安置在主镜筒66内，变倍凸轮65通过钢珠67置于主镜筒66组成滚动轴承，由变倍凸轮压圈68锁紧；所述变倍凸轮65按光学变焦运动方程的要求加工变倍、补偿曲线槽，分别用变倍导钉组件64和补偿导钉组件612把变倍凸轮65与变倍滑架63、补偿滑架611连接在一起；变倍电机618、变倍电位器616、微动开关615组成电动变焦机构，变倍电机618通过变倍电机支架620安置在主镜筒66上，变倍电位器616通过变倍电位器支架620安置在主镜筒66上，微动开关615通过变倍限位开关架614安置于主镜筒66上；变倍齿轮619与变倍凸轮65啮合，当变倍电机618转子做正负旋转运动时，带动变倍凸轮65做相应的转动，通过变倍、补偿曲线槽及变倍导钉组件64、补偿导钉组件612带动变倍滑架63、补偿滑架611按变倍、补偿曲线槽的方式运动，主镜筒66上的两条直槽起到限制变倍导钉组件64、补偿导钉组件612的作用，并使变倍滑架63、补偿滑架611的旋转运动变为直线运动；严格控制变倍导钉组件64和补偿导钉组件612与变倍凸轮65的曲线槽和主镜筒66上的直线槽之间的配合间隙，保证变倍组件43和补偿组件45滑动平稳、无卡带；通过电机旋转实现变倍组件43和补偿组件45按变焦运动方程要求做来回的直线运动，从而实现系统焦距的连续变化功能，当系统的焦距发生变化时，变倍齿轮619与变倍凸轮65啮合，同步的与变倍电位器齿轮617发生相对的旋转，使电位器的阻值发生变化，通过适当的取样电路可以求出电位器的变化值，并传给控制中心，从而实现变焦值的显示；反之，通过控制中心给出相应阻值命令，可实现焦距的实时控制；微动开关615通过变倍限位钉613配合工作，起到对变焦过程中系统的限位和保护作用；温度控制板621通过螺纹连接固定于主镜筒66上，可以实时监控温度变化。
在本实施例中，所述后固定组e设于可变光阑组件45和后固定组件46内，所述可变光阑组件45内置可变光阑，所述可变光阑组件45包括光阑电机722和用于控制光阑开口大小位置的微动开关719组成，所示微动开关719通过光阑限位支架718安置在光阑座71上，所述光阑片通过铆钉连接安置在光阑动环713与光阑座71上，所述光阑电机722通过光阑电机架721安置在光阑座71上，所述光阑电机722上装有光阑电机齿轮723，通过光阑过轮725与光阑调节环73齿轮啮合后带动光阑调节环73转动，所述光阑调节环73由光阑调节环压圈74锁紧在光阑座71上，所述光阑调节环73通过安置在光阑动环713上的光阑拨钉带动光阑动环713转动，所述光阑动环713由光阑动环压圈72锁紧在光阑座71内，所述光阑动环713带动光阑片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变化；所述光阑电机齿轮723通过光阑过轮与光阑调节环74啮合，光阑电位器726利用光阑电位器支架728固定于光阑座71上，光阑电位器726通过光阑电位器齿轮727与光阑调节环73齿轮啮合，当光阑电机722转动时，光阑电机齿轮723通过光阑过轮带动光栏调节环73产生相应的转动，从而实现光圈孔径大小的显示，同步的与光阑电位器齿轮727发生相对的旋转，使电位器的阻值发生变化，通过适当的取样电路可以求出电位器的变化值，并传给控制中心，从而实现对光圈开口大小的显示；反之，通过控制中心给出相应阻值命令，可实现焦距的实时控制；辅助支撑板720通过螺纹连接固定于密封组件内。
在本实施例中，所述密封结构48由镜盖81、前保护片83、前罩筒84、中罩筒85、法兰盘86、后罩筒87组成，前保护片83通过前保护片压圈82固定于前罩筒84中，前罩筒84由内六角圆柱头螺钉锁紧在中罩筒85上，法兰盘86由内六角圆柱头螺钉锁紧在中罩筒85上，后罩筒87由内六角圆柱头螺钉锁紧在法兰盘86上。
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：50mm～500mm；
2、视场角：1.4°～14°；
3、相对孔径：d/f′大于1/4.5；
4、光学传递函数：传递函数空间频率90lp/mm时，长焦、短焦时中心mtf≥0.6，在最大视场仍具有良好的成像质量，边缘视场mtf≥0.4；
5、光学总长小于335mm；
6、能量集中度：在全焦段，85%的能量集中在φ11μm光斑范围内。
在本实施例中，各镜片的参数如下表所示：
一种具有主动温度聚焦功能的高清连续变焦镜头的调焦方法，按以下步骤进行：镜头采用前固定组（﹢）、变倍组（﹣）、补偿组（﹢）、后固定组（﹢）四个组元的结构，变倍组前后移动时，补偿组同时移动以保证像面不变，这个过程实现了镜头焦距的变化；通过合理分配四个组元的光焦度，使镜头在较小的长度尺寸下有较长的焦距。
为追求更高的分辨率，光学设计时，使前组适当复杂化，采用四片结构，提高了光线高度最高的前固定组a的光焦度承担能力，并使用一片超低色散玻璃，有效地降低了光学镜头二级光谱等像差，使镜头的分辨率显著提高。
由于温度变化引起化学参数的微小变化，导致镜头的最佳焦面发生偏移，降低成像质量，在长焦距镜头中体现的尤其明显。因此增加了主动温度聚焦功能，使光学系统在较大的温度变化范围内保持性能稳定，这样可以保证光学系统的成像质量及持续的监控能力。
根据光学镜头的设计，在同等距离下，在一定的温度变化范围内，温度与聚焦补偿量的关系曲线是可以用函数表达式进行定量表达，所以我们根据光学镜头的设计参数，结合实际应用时的微调，得到曲线表达式，并将它转换为对照表，通过温度传感器测得的温度，通过查表，得到聚焦补偿量，并控制聚焦电机运动到相应的位置。
在镜头合适位置添加温度传感器，实时监控温度变化，快速对环境变化做出应答，极大的缩短了电动聚焦的时间。
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。