具有超长焦距的宽光谱大靶面高清变焦镜头的制作方法

本实用新型涉及光电技术领域，尤其是具有超长焦距的宽光谱大靶面高清变焦镜头。

背景技术：

随着科学技术的发展，图像传感器像元尺寸不断减小，其特征频率不断提高，用户对光学系统的成像质量也由原来对目标的简单观看发展为对目标细节的识别和认知；同时观测环境的复杂化，用户观测需求的增多等都促使光学成像系统不断向宽光谱、大靶面、高分辨率、小型化、焦距可调等方向发展。

目前变焦镜头应用于宽光谱区域时，轴上色差尤其是二级光谱校正困难；同时垂轴像差大尤其是垂轴色差、畸变等限制了镜头在大靶面系统中的应用，使得变焦镜头分辨率低，难与高清晰度摄像机适配；并且变焦镜头长焦距与系统长度、体积限制的矛盾，使得长焦距宽光谱高清变焦镜头的设计存在困难。

解决上述问题是本实用新型的目的。

技术实现要素：

本实用新型提出具有超长焦距的宽光谱大靶面高清变焦镜头，能以小体积实现超长焦距及大靶面高分辨率成像，且像差校正能力强。

本实用新型采用以下技术方案。

具有超长焦距的宽光谱大靶面高清变焦镜头，所述镜头光路沿光线入射方向设有光焦度为正的第一固定透镜组、光焦度为负的变倍透镜组、光焦度为正的补偿透镜组、可变光阑，光焦度为正的第二固定透镜组和滤色镜片。

所述第一固定透镜组在光线入射方向上依次设有第一组第一正月牙透镜、第一组负月牙透镜、第一组平凸透镜、第一组双凹透镜、第一组第二正月牙透镜；所述第一组第一正月牙透镜、第一组第二正月牙透镜均以超低色散材料制成。

所述变倍透镜组在光线入射方向上依次设有变倍组负月牙透镜、由变倍组双凹透镜和变倍组双凸透镜密接的胶合组。

所述补偿透镜组在光线入射方向上依次设有补偿组双凸透镜、由补偿组负月牙透镜和补偿组双凸透镜密接的胶合组。

所述第二固定透镜组在光线入射方向上依次设有由第二组正月牙透镜和第二组第一负月牙透镜密接的胶合组、第二组第二负月牙透镜、由第二组双凸透镜和第二组第三负月牙透镜密接的胶合组。

沿光线入射方向，所述第一固定透镜组和变倍透镜组之间的空气间隔是182.16～209.63mm，变倍透镜组与补偿透镜组之间的空气间隔是3.85～64.78mm，补偿透镜组与第二固定透镜组之间的空气间隔是2.80～36.27mm。

所述第一固定透镜组中，第一组第一正月牙透镜与第一组负月牙透镜之间的空气间隔是116.17mm，第一组负月牙透镜与第一组平凸透镜之间的空气间隔是1.77mm，第一组平凸透镜与第一组双凹透镜之间的空气间隔是1.02mm，第一组双凹透镜与第一组第二正月牙透镜之间的空气间隔是0.65mm。

所述变倍透镜组中，变倍组负月牙透镜与由变倍组双凹透镜和变倍组双凸透镜密接成的胶合组之间的空气间隔是3.39mm。

所述补偿透镜组中，补偿组双凸透镜与由补偿组负月牙透镜和补偿组双凸透镜密接成的胶合组之间的空气间隔是0.21mm。

所述第二固定透镜组中，由第二组正月牙透镜和第二组第一负月牙透镜密接的胶合组与第二组第二负月牙透镜之间的空气间隔是78.49mm，第二组第二负月牙透镜与由第二组双凸透镜和第二组第三负月牙透镜密接成的胶合组之间的空气间隔是27.74mm。

所述第一组第一正月牙透镜、第一组第二正月牙透镜均以牌号为H-FK61的超低色散光学玻璃成型。

所述滤色镜片的透光波长范围是500～750nm 。

当变倍透镜组在光路方向上前后移动时，补偿透镜组同时向变倍透镜组的运动方向移动，以实现在镜头变焦的同时像面不变。

沿光线入射方向，所述镜头的装配结构依次包括聚焦组件、连接筒、变倍组件、凸轮组件、补偿组件、可变光阑组件、后固定组件、摄像机组件；所述第一固定透镜组设于聚焦组件内，所述变倍透镜组设于变倍组件内，所述补偿透镜组设于补偿组件内，所述第二固定透镜组和滤色镜片设于后固定组件内，所述可变光阑组件内置可变光阑，镜头外壁包括气密结构。

本实用新型合理分配镜头各个组元的光焦度，实现镜头在较小的长度尺寸下有较长的焦距；镜头克服了大靶面成像系统固有的垂轴像差大的缺点，同时通过在光路起始端处的第一固定透镜组中采用超低色散材料H-FK61，有效地校正了镜头宽光谱成像时的二级光谱等像差，使镜头在具有大靶面的同时分辨率有了显著的提高。

本实用新型中，当变倍透镜组在光路方向上前后移动时，补偿透镜组同时向变倍透镜组的运动方向移动，以实现在镜头变焦的同时像面不变；该设计可以简化四个透镜组内的光焦度分配设计，易于在小尺寸镜头内实现较大的变焦比。

本实用新型中，所述滤色镜片的透光波长范围是500～750nm；该设计对特定波长的光透过率进行优化，能在减小像差的同时保证像面照度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步详细的说明：

附图1为本实用新型实施例光路结构示意图；

附图2为短焦时的MTF图；

附图3为长焦时的MTF图；

附图4为结构总示意图；

附图5为调焦组件的示意图；

附图51为调焦组件的立体示意图；

附图6为变倍组件和补偿组件处的示意图；

附图61为变倍组件和补偿组件处的另一方向上的示意图；

附图7为可变光阑组件处的示意图；

附图71为可变光阑组件处的另一方向上的示意图；

附图8为气密结构图；

图中：1-第一固定透镜组；2-变倍透镜组；3-补偿透镜组；4-可变光阑；5-第二固定透镜组；6-滤色镜片；

101-第一组第一正月牙透镜；102-第一组负月牙透镜；103-第一组平凸透镜；104-第一组双凹透镜；105-第一组第二正月牙透镜；201-变倍组负月牙透镜；202-变倍组双凹透镜；203-变倍组双凸透镜；301-补偿组双凸透镜；302-补偿组负月牙透镜；303-补偿组双凸透镜；401-第二组正月牙透镜；402-第二组第一负月牙透镜；403-第二组第二负月牙透镜；404-第二组双凸透镜；405-第二组第三负月牙透镜；

41-气密组件；42-调焦组件； 43-连接筒；44-变倍组件；45-凸轮组件；46-补偿组件；47-可变光阑组件；48 -后固定组件；49-摄像机组件；

51- A片压圈；52- A片镜筒；53-镜片A1；54-前组镜筒；55-镜片A2；56-调焦凸轮压圈；57-调焦凸轮导钉；58-调焦磙子1；59-调焦导环；510-调焦磙子2；511-B片压圈；

512-镜片A3；513-CD隔圈；51-调焦凸轮；515-焦电机齿轮；516-调焦电机支架；517-调焦主镜筒； 518-调焦电机；519-BE镜筒；520-DE隔圈、521-镜片A4；522-镜片A5；523-E片压圈；524-调焦限位支架；525-微动开关；526-调焦挡钉； 527-钢珠；

61-变倍电机架；62-主镜筒；63-变倍凸轮；64-变倍电机齿轮；65-变倍磙子1；66-变倍导环；67-变倍导钉；68-变倍电机；69-变倍磙子2；610-变倍滑架；611-镜片C1；612-补偿滑架；613-补偿垫片；614-补偿镜筒；615-轴承压环；616-变倍凸轮压圈；617-补偿压圈；618- 镜片C2；619-镜片C3；620- IJ隔圈；621-变倍导钉；622-变倍磙子1；623-变倍导环；624-变倍磙子2；625-变倍挡钉；626-钢珠；627-变倍压圈；628-镜片B1；629-镜片B2；630-镜片B3；631-变倍镜筒；632-变倍垫片；633-微动开关；634-变倍限位支架；635-变倍电位器支架；636-变倍电位器；637-变倍电位器齿轮；

71-光阑座；72-内六角圆柱头螺钉；73-光阑动环压圈；74-光阑调节环；75-光阑拨钉；76-光阑调节环压圈；77-光阑压圈；78-镜片E2；79-镜片E1；710-光阑动环；711-光阑片；712-辅助支撑板；713-光阑电位器；714-光阑电位器齿轮；715-光阑电机；716-光阑电机齿轮；717-光阑电机架；718-光阑限位支架；719-微动开关；720-光阑挡钉；

81-遮光罩；82-前保护片压圈；83-前保护片；84-密封圈；85-前罩筒；86-内六角圆柱头螺钉；87-密封圈；88-中罩筒；89-密封圈；810-内六角圆柱头螺钉；811-后罩筒；812-接插件；813-滤色片压圈；814-滤色片；815-密封圈；816-气嘴。

具体实施方式

如图1、2、3、4、5、51、6、61、7、71、8所示，具有超长焦距的宽光谱大靶面高清变焦镜头，所述镜头光路沿光线入射方向设有光焦度为正的第一固定透镜组1、光焦度为负的变倍透镜组2、光焦度为正的补偿透镜组3、可变光阑4，光焦度为正的第二固定透镜组5和滤色镜片6。

所述第一固定透镜组1在光线入射方向上依次设有第一组第一正月牙透镜101、第一组负月牙透镜102、第一组平凸透镜103、第一组双凹透镜104、第一组第二正月牙透镜105；所述第一组第一正月牙透镜101、第一组第二正月牙透镜105均以超低色散材料制成。

所述变倍透镜组2在光线入射方向上依次设有变倍组负月牙透镜201、由变倍组双凹透镜202和变倍组双凸透镜203密接的胶合组。

所述补偿透镜组3在光线入射方向上依次设有补偿组双凸透镜301、由补偿组负月牙透镜302和补偿组双凸透镜303密接的胶合组。

所述第二固定透镜组5在光线入射方向上依次设有由第二组正月牙透镜401和第二组第一负月牙透镜402密接的胶合组、第二组第二负月牙透镜403、由第二组双凸透镜404和第二组第三负月牙透镜405密接的胶合组。

沿光线入射方向，所述第一固定透镜组1和变倍透镜组2之间的空气间隔是182.16～209.63mm，变倍透镜组2与补偿透镜组3之间的空气间隔是3.85～64.78mm，补偿透镜组3与第二固定透镜组5之间的空气间隔是2.80～36.27mm。

所述第一固定透镜组1中，第一组第一正月牙透镜101与第一组负月牙透镜102之间的空气间隔是116.17mm，第一组负月牙透镜102与第一组平凸透镜103之间的空气间隔是1.77mm，第一组平凸透镜103与第一组双凹透镜104之间的空气间隔是1.02mm，第一组双凹透镜104与第一组第二正月牙透镜105之间的空气间隔是0.65mm。

所述变倍透镜组2中，变倍组负月牙透镜201与由变倍组双凹透镜202和变倍组双凸透镜203密接成的胶合组之间的空气间隔是3.39mm。

所述补偿透镜组3中，补偿组双凸透镜301与由补偿组负月牙透镜302和补偿组双凸透镜303密接成的胶合组之间的空气间隔是0.21mm。

所述第二固定透镜组5中，由第二组正月牙透镜401和第二组第一负月牙透镜402密接的胶合组与第二组第二负月牙透镜403之间的空气间隔是78.49mm，第二组第二负月牙透镜403与由第二组双凸透镜404和第二组第三负月牙透镜405密接成的胶合组之间的空气间隔是27.74mm。

所述第一组第一正月牙透镜101、第一组第二正月牙透镜105均以牌号为H-FK61的超低色散光学玻璃成型。

所述滤色镜片6的透光波长范围是500～750nm 。

当变倍透镜组2在光路方向上前后移动时，补偿透镜组3同时向变倍透镜组的运动方向移动，以实现在镜头变焦的同时像面不变。

沿光线入射方向，所述镜头的装配结构依次包括聚焦组件42、连接筒43、变倍组件44、凸轮组件45、补偿组件46、可变光阑组件47、后固定组件48、摄像机组件49；所述第一固定透镜组设于聚焦组件42内，所述变倍透镜组设于变倍组件44内，所述补偿透镜组设于补偿组件46内，所述第二固定透镜组和滤色镜片设于后固定组件48内，所述可变光阑组件47内置可变光阑4，镜头外壁包括气密结构41。

如图5、51所示，所述聚焦组件42是用A片压圈51将第一组第一正月牙透镜101安置于A片镜座52内，用B片压圈511将第一组负月牙透镜102安置于BE镜筒519内，用E片压圈523将第一组平凸透镜103、第一组双凹透镜104、第一组第二正月牙透镜105分别安置于BE镜筒519内，第一组平凸透镜103与第一组双凹透镜104之间设有CD隔圈513，第一组双凹透镜104与第一组第二正月牙透镜105之间设有DE隔圈520，A片镜座52与BE镜筒519通过螺纹连接安置于前组镜筒54内并通过三个120º均布的线性斜槽，用调焦导钉57和调焦磙子1 58、调焦导环59、调焦磙子2 510组成的调焦导钉组件安置于调焦主镜筒517上。图中调焦电机518、调焦主镜筒517、微动开关525组成电动聚焦机构，所述调焦电机518通过调焦电机架516安置在调焦主镜筒517上，所述微动开关525通过调焦限位支架524安置在调焦主镜筒517上，所述调焦凸轮514上开设有精密加工的三条120º均布的线性斜槽，用调焦导钉组件与调焦主镜筒517连接在一起，调焦齿轮515与调焦凸轮514上的齿轮啮合，当调焦电机518通电转动，通过调焦齿轮515带动调焦凸轮514旋转，通过调焦主镜筒517上的直槽限制，前组镜筒54的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。调焦导钉526安置于调焦凸轮514上，跟随调焦凸轮514的转动，通过微动开关525与调焦导钉526的共同作用对调焦凸轮514起到转角的限位和保护作用。

如图6、61所示，所述变倍镜筒631通过连接螺钉安置在变倍滑架610上组成变倍组件44；补偿镜筒614通过连接螺钉安置在补偿滑架612上组成补偿组件46.所述变倍滑架610与补偿滑架614通过与主镜筒62研磨配合安置在主镜筒62上，变倍凸轮63通过钢珠626置于主镜筒62组成滚动轴承，由轴承压环615和变倍凸轮压圈616锁紧。所述变倍凸轮63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吧变倍凸轮63与变倍滑架610、补偿滑架614连接在一起。所述变倍导钉组件与补偿导钉组件由变倍磙子1 65和622、变倍导环66和623、变倍导钉67和621、变倍磙子2 68和624组成。所述变倍电机68、变倍电位器636、微动开关633组成电动变焦机构，所述变倍电机68通过变倍电机支架61安置在主镜筒62上，所述变倍电位器636通过变倍电位器支架635安置在主镜筒62上，所述微动开关633通过变倍限位开关架634安置于主镜筒62上。变倍电机齿轮64与变倍凸轮63啮合，当变倍电机68转子做正负旋转运动是，带动变倍凸轮63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610、补偿滑架614按变倍、补偿曲线槽的方式运动，主镜筒62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610、补偿滑架614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63的曲线槽和主镜筒62上的直线槽之间的配合间隙，保证变倍组件44和补偿组件46滑动平稳、无卡带。这样通过电机旋转实现变倍组件44和补偿组件46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，变倍电位器齿轮637与变倍凸轮63啮合，同步的与变倍凸轮63发生相对的旋转，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633通过变倍挡钉625配合工作，起到对变焦过程中系统的限位和保护作用。

如图7、71所示，所示可变光阑机构47包括光阑电机715、光阑电位器713、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安置在光阑座上，所述光阑片711通过铆钉连接安置在光阑动环710与光阑座71上，所述光阑电机715通过光阑电机架717安置在光阑座71上，所述光阑电机515上装有光阑电机齿轮716，通过与光阑调节环74齿轮啮合后带动光阑调节环74转动，所述光阑调节环74由光阑调节环压圈75锁紧在光阑座71上，所述光阑调节环74通过安置在光阑动环710上的光阑拨钉75带动光阑动环710转动，所述光阑动环710由光阑动环压圈73锁紧在光阑座71内，所述光阑动环710带动光阑片711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。所示光阑电位器齿轮714与光阑电机齿轮716啮合，当光圈变化时，使光阑电位器713随光阑电机715的转动产生相应的转动，电位器阻值发生相应的变化，通过适当的取样电路可以取出相应电位器的变化值，并传给控制中心，从而实现光圈孔径大小的显示；反之，通过控制中心给出相应的阻值命令，可实现光阑孔径的实时控制。

如图8所示，所述气密组件41由前罩筒85、中罩筒88、后罩筒811组成，镜头安装完成后通过气嘴816在内部冲入氮气，在大口径透镜与镜筒的配合处设有通气槽使气体能更全面的进入镜头内部。前罩筒85由内六角圆柱头螺钉86锁紧在中罩筒88上，于连接处中罩筒88上设有密封槽并置入密封圈87，后罩筒811由内六角圆柱头螺钉810锁紧在中罩筒88上，连接处设有密封槽并置入密封圈89，整个气密组件41前端由前保护片83安置于前罩筒内，并在两者间设有密封槽并置入密封圈84，前保护片83由前保护片压圈82锁紧在前罩筒85内，气密组件41后端设有滤色片814并在后罩筒811与滤色片814间设有密封槽，置入密封圈815由滤色片压圈814将后保护片815锁紧于后罩筒内，从而使整个气密组件41全方位密封，起到气密的效果。

本实施例的光学指标特征为：

焦距：f’_min=392mm，f’_max=1210mm；

相对孔径D/ f’：最短焦时优于1/7，最长焦时优于1/8；

水平视场角2ω=0.56°～11.212°；

光学结构长度∑L≤640mm；

变倍行程≤27.5mm；

镜头分辨率：f’≤800mm时，0°视场MTF≥0.39@100lp/mm；

f’≥800mm时，0°视场MTF≥0.4@100lp/mm；

滤色片的透过光谱：500~750nm。