一种用于高温燃烧炉的大视场超长镜筒监控镜头的制作方法

[0001]
本发明属于光学技术领域，具体的是一种用于高温燃烧炉的大视场超长镜筒监控镜头。


背景技术：

[0002]
工业高温燃烧炉在工作时要经过送料、燃烧和清渣等工序，炉内燃烧温度一般能达到800℃左右，采取添加催化剂和加压充氧等技术措施来完成充分燃烧。专利cn208418798u公开了一种方便观察的观火孔，安装在燃烧炉预留的观火孔处，通过观火孔观察炉内燃烧情况，该结构方便快捷，可以保证炉内热量不会流失，但需要观察人员靠近火炉进行观察，观察环境温度高且观察效率低，因此采用监控镜头代替观察人员实时观察炉内燃烧情况是解决上述问题的好方法。本申请采取的监控技术方案是：工业高温燃烧炉内壁贴置耐火砖并呈圆柱形状，其直径和高度尺寸分别为10米，炉壁厚度为180毫米，炉外壳用钢板焊接成圆筒状。在炉四周半高度5米处，将炉壁对称钻穿4个同样大小的圆洞，再把已采取温度控制措施的4只广角监控镜头安装在圆洞内，使镜头中最前面的耐高温保护玻璃表面与炉内壁表面齐平，镜筒尾部穿过炉壁厚度与工业相机连接。监控镜头物距设计为5米，全视场观察炉内高度为10米，在炉壁圆洞中对称安装4只广角为90
°
的镜头，从而实现在燃烧高温状态下炉内区域全覆盖监控。
[0003]
现有技术表明，镜头视场角越大焦距就越短，焦距的缩短有利于整个光学结构的缩短，大视场镜头所产生的轴外宽光束像差就会变大，平衡和校正广角镜头所产生的轴上和轴外象差本身就是一件非常艰难的工作。在上述燃烧炉内监控技术方案中，若监控镜头安装在炉壁圆洞内，必须使得镜筒纵向尺寸大于炉壁180毫米的厚度，穿过炉壁的镜筒尾部才能与工业成像相机连接，因此光学结构总长确定为250毫米是最基本的安装要求。将镜头焦距确定为5毫米能满足全区域监控的视场要求，那么光学结构总长至少是镜头焦距的50倍，所以此广角监控镜头具有短焦、大视场与超长镜筒的明显特征。面对炉内燃烧的高温，将镜头密封在循环水套管内装入炉壁圆洞内，通过冷冻水来降低镜头的工作温度。根据广角监控镜头大视场超长镜筒和性能方面的特殊要求，在镜头结构设计、整体像差的平衡和优化以及加工工艺方面都面临着新的挑战与创新。为此设计一种用于高温燃烧炉的大视场超长镜筒监控镜头，也是该领域亟待解决的技术难题。


技术实现要素：

[0004]
本发明提供一种用于高温燃烧炉的大视场超长镜筒监控镜头，在确定镜头视场，焦距和孔径的条件下，将监控镜头光学结构总长设置为258毫米，光学结构总长定义为光学石英玻璃平板朝向物方的平面至像面的距离。在镜头中最前端设置耐高温光学石英玻璃平板，镜筒前部密封在循环水套管内仅露出光学石英玻璃平板表面安装在炉壁圆洞内，并且保证光学石英玻璃平板朝向物方的平面与炉壁内表面齐平，镜头尾部穿过炉壁后与工业成像相机连接。监控镜头前部通过水冷的方式，将工作温度限制在250℃以下。镜头结构充分
体现了大视场超长镜筒和耐高温的明显特点，并且成像质量优秀，易于加工生产，具有监控高温燃烧炉的良好性能。
[0005]
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种用于高温燃烧炉的大视场超长镜筒监控镜头，包括镜头本体，所述镜头本体沿光线入射方向依次设置有光学石英玻璃平板、负弯月型透镜、负弯月型透镜、双凹透镜、正弯月型透镜、固定光栏a、双凹透镜、双凸透镜及平凸透镜；其中，双凹透镜和双凸透镜组成双胶合镜组，双凹透镜曲率绝对值小的面朝向像面，双凸透镜曲率绝对值大的面朝向像面；光学石英玻璃平板双面设置成平面，负弯月型透镜凹面朝向像面；负弯月型透镜凹面朝向像面；双凹透镜曲率绝对值小的面朝向像面；正弯月型透镜凸面朝向像面；平凸透镜平面朝向像面。
[0006]
进一步地，所述负弯月型透镜、负弯月型透镜、双凹透镜、正弯月型透镜、双胶合镜组及平凸透镜的光焦度绝对值比为：1：0.85：0.81：1.152：2.264：0.4。
[0007]
进一步地，所述光栏a前各镜组产生的光焦度之和为负值，光栏a后各镜组产生的光焦度之和为正值，光栏前后光焦度之和的比的绝对值为2.297:1。
[0008]
进一步地，所述光学石英玻璃平板采用耐高温石英材质；负弯月型透镜和平凸透镜均采用斓冕系光学玻璃材质；负弯月型透镜、正弯月型透镜和双凹透镜均采用重火石系光学玻璃材质；双凹透镜和双凸透镜采用钡冕系光学玻璃材质。
[0009]
进一步地，所述镜头本体中，镜头结构的光学性能参数范围为：全视场2w≥90
°
,焦距f ＇=4.5mm～5.5mm；相对孔径d/ f ＇=1/4.5～1/5.6,其中d 为入瞳直径；物距l=4900 mm～5100mm,后工作距为26mm～28mm,光学结构总长即镜筒长与后工作距之和大于250 mm。
[0010]
进一步地，所述镜头本体中，以镜头焦距为1mm时的空气间隔值来表示，光学石英玻璃平板与负弯月型透镜空气间隔为0.625，负弯月型透镜与负弯月型透镜空气间隔为4.064，负弯月型透镜和双凹透镜空气间隔为2.5，双凹透镜与正弯月型透镜空气间隔为6.563，正弯月型透镜与双凹透镜空气间隔为27.52，双凸透镜与平凸透镜空气间隔为0.208，固定光栏a与双凹透镜空气间隔为3.479。
[0011]
进一步地，所述镜头本体中，镜头结构按比例进行焦距缩放，可适用于cmos或ccd芯片规格为1/2英寸～1英寸工业成像相机。
[0012]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：1、本申请的镜头结构，全视场2w达到了90
°
。根据监控方案的技术要求，在炉壁半高度5米处圆洞内安装的广角镜头物距为5米，若半视场45
°
观察炉内壁高度也为5米，则全视场90
°
就能观察到整个炉内壁10米的高度。在炉壁四周同一高度的圆洞内对称安装4只广角镜头，显然实现了炉内全部区域的监控。为此镜头焦距确定在f ＇=5mm。由于观察对象为高亮度的燃烧物，相对孔径选取d/ f ＇=1/5，监控影像亮度不会降低，这对于缩小镜头的口径，减小镜头的体积，降低生产成本是非常有利的。其后工作距确定为27mm，使全视场像高完全能够匹配规格为2/3英寸cmos或ccd芯片。
[0013]
2、本申请的镜头结构，在镜头中最前面设置了耐高温1000℃以上的光学石英玻璃平板，其与炉壁内表面能承受800℃左右燃烧高温，镜筒前部密封在循环水套管内，并制成一个整体安装在炉壁的圆洞内，通过循环的冷冻水降温和控温，把镜头前部的工作温度始终控制在250℃以下，镜筒尾部穿过炉壁厚度与工业成像相机连接，实现在常温条件下工
作。因此在满足镜头光学结构总长258 mm前提下，通过计算机辅助优化设计，将镜头中所有透镜的间隔及后工作距进行了合理的设置，同时完美地解决了具有短焦与超长镜筒特征的镜头所产生各种像差校正和平衡的技术难题，最大限度地提高了镜头加工的工艺性，降低了生产成本。
[0014]
3、本申请的镜头结构，在全视场2w为 90
°
和12mm像高时，各视场在50线对/mm频率处的传递函数mtf值都能达到0.7以上，镜头监控影像清晰。
附图说明
[0015]
图1是示出第一实施方式的本发明的镜头结构的结构示意图。
[0016]
图2是示出第一实施方式的本发明的镜头结构的光线追迹图。
具体实施方式
[0017]
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更加全面的描述，附图中给出了本发明的若干实施例，但是本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于文本所描述的实施例，相反的，提供这些实施例是为了使对本发明公开的内容更加透彻全面。
[0018]
实施例，请参照附图1，一种用于高温燃烧炉的大视场超长镜筒监控镜头，包括镜头本体，其特征在于，所述镜头本体沿光线入射方向依次设置有光学石英玻璃平板1、负弯月型透镜2、负弯月型透镜3、双凹透镜4、正弯月型透镜5、固定光栏a、双凹透镜6-1、双凸透镜6-2及平凸透镜7；其中，双凹透镜6-1和双凸透镜6-2组成双胶合镜组6，双凹透镜6-1曲率绝对值小的面朝向像面，双凸透镜6-2曲率绝对值大的面朝向像面；光学石英玻璃平板1双面设置成平面，负弯月型透镜2凹面朝向像面；负弯月型透镜3凹面朝向像面；双凹透镜4曲率绝对值小的面朝向像面；正弯月型透镜5凸面朝向像面；平凸透镜7平面朝向像面。
[0019]
在镜头中最前面设置光学石英玻璃平板1, 石英玻璃平板具有耐1000℃以上高温和可见光透过率高的优良特性，在镜头安装时将其朝向物方的平面与炉壁内表面齐平，就不会遮档观察的监控范围，还能与炉内壁一起长期承受800℃左右高温燃烧环境；在光学石英玻璃平板1后面依次设置负弯月型透镜2、负弯月型透镜3和双凹透镜4，利用负透镜出射光线的发散性质逐次将大角度入射光线的高度降低，从而减小后置透镜的口径。用三只负透镜逐级分担入射光线和出射光线的偏角，通过每只负透镜光学结构参数的组合与优化，创造出后置透镜补偿和减小大视场轴外像差的条件。紧随其后设置的正弯月型透镜5具有光线会聚的特性，设置它的作用就是尽量将前组透镜发出的轴外出射光线向光轴方向偏折，使得出射光束的直径缩小一半，显然后置透镜口径也缩小一半。另一个作用是通过控制正弯月型透镜5的出射光线向光轴方向偏折的角度，使正弯月型透镜5与双凹透镜6-1间隔按照安装要求尽量拉长，使固定光栏a与后组透镜尽量设置在炉壁的外面，保证镜头尾部与工业成像相机在炉壁外常温下连接和工作，从而提高光学镜头在高温环境下的监控性能。上述各镜组的设置有效地满足了镜头监控的视场和性能要求，增加了整个镜头长度便于安装，同时也减小了镜头的口径，解决了大视场、短焦与超长镜筒光学结构的设计难题。
[0020]
在确定了超长镜筒光学结构的设计基础上，利用光学设计软件进一步分配各透镜的光焦度绝对值比，即负弯月型透镜2、负弯月型透镜3、双凹透镜4、正弯月型透镜5、双胶合镜组6、平凸透镜7的光焦度绝对值比依次分配为：1：0.85：0.81：1.152：2.264：0.4；固定光
栏a前各镜组产生的光焦度之和为负值,光栏a后各镜组产生的光焦度之和为正值,光栏前后光焦度之和的比的绝对值为2.297:1。在镜头中每只透镜光学参数设置及光焦度的分配，除了满足镜头超长外形尺寸的要求外，其主要作用是平衡和校正固定光栏a前、后镜组在大视场条件下产生的轴外和轴上像差。在满足短焦、光学结构总长及像高的情况下，用光学设计软件优化整个镜头的像差和参数。
[0021]
在本实施例中，光学玻璃平板1采用石英材质，采用国产hs牌号；负弯月型透镜2和平凸透镜7均采用斓冕系光学玻璃材质，采用国产h-lak51a牌号；负弯月型透镜3、正弯月型透镜5和双凹透镜6-1均采用重火石系光学玻璃材质, 负弯月型透镜3和正弯月型透镜5均采用国产zf7l牌号, 双凹透镜6-1采用国产zf4牌号；双凹透镜4和双凸透镜6-2均采用钡冕系光学玻璃材质,采用国产h-bak7牌号。在其他实施例中，也可采用同一系列的其他国内外牌号的光学玻璃材质，都可以达到本申请的技术效果。
[0022]
作为优选的，镜头保护玻璃采用了耐高温1000℃以上、透可见光性能好的石英材质，玻璃透镜在镀膜工艺时一般都要耐受300℃高温烘烤，另外在靠近炉内高温的镜筒前部又设置了冷冻循环水的降温装置，镜头中的玻璃透镜在防护条件250℃温度下工作不会影响光学性能。
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需要说明的是，负弯月型透镜2和平凸透镜7均采用国产h-lak51a牌号、负弯月型透镜3和正弯月型透镜5均采用国产zf7l牌号，双凹透镜4和双凸透镜6-2均采用国产h-bak7牌号，透镜材料牌号选择越少，组织大批量生产越方便。在保持镜头广角特性和增加光学结构总长的前提下，采用了高折射率、低色散或低折射率、高色散玻璃材料的优化组合，在光学设计时进一步校正和优化了光学镜头产生的轴上与轴外像差以及色差，使镜头成像质量优异。
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在本实施例中，以镜头焦距为1mm时的空气间隔值来表示，以镜头焦距为1mm时的空气间隔值来表示，光学石英玻璃平板1与负弯月型透镜2空气间隔为0.625，负弯月型透镜2与负弯月型透镜3空气间隔为4.064，负弯月型透镜3和双凹透镜4空气间隔为2.5，双凹透镜4与正弯月型透镜5空气间隔为6.563，正弯月型透镜5与双凹透镜6-1空气间隔为27.52，双凸透镜6-2与平凸透镜7空气间隔为0.208，固定光栏a与双凹透镜6-1空气间隔为3.479。
[0025]
负弯月型透镜2与负弯月型透镜3以及双凹透镜4与正弯月型透镜5空气间隔都设置了较大的空气间隔，特别是正弯月型透镜5与双凹透镜6-1空气间隔的设置大于130mm，对光学结构总长大于250 mm做出了增长的贡献，通过计算机辅助优化设计，光学结构参数与镜片之间的间隔设置达到了完美的匹配，既平衡和校正了广角镜头产生的各种像差，也满足了光学结构总长的使用要求。
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实施方式1的镜头结构，全视场2w≥90
°
,焦距f ＇=5mm；相对孔径d/ f ＇=1/5,其中d 为入瞳直径；物距l=5000 mm,后工作距为27.4mm,光学系统总长为 258 mm。全视场像高完全能够匹配规格为2/3英寸ccd芯片的工业成像相机，各视场在50线对/mm频率处的传递函数mtf值都能达到0.7以上，镜头的分辨率优秀。
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根据市场需求对镜头焦距按比例进行缩放，本申请镜头结构的光学性能参数范围：全视场2w≥90
°
,焦距f ＇=4mm～6mm；相对孔径d/ f ＇=1/4.5～1/5.6,其中d 为入瞳直径；物距l=4500 mm～5500mm,后工作距为26mm～28mm, 光学结构总长超过250 mm。镜头完全适用于cmos或ccd芯片规格范围为1/2英寸～1英寸工业成像相机。
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图2给出了本申请实施方式1的镜头结构的光线追迹示意图，示出了实施方式1的镜头结构各个视场的特征光线走向，以及该特征光线在各个透镜表面的入射高度，该入射高度决定了镜头结构中各个透镜的通光孔径。
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上述实施例仅仅是较佳的实施例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。