光学被动式消热差连续变焦高分辨率镜头的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种光学被动式消热差连续变焦高分辨率镜头，沿光线入射方向依次设有前固定镜组、变倍镜组、补偿镜组、可变光栏、后固定镜组及分光组件，所述前固定镜组依次设有双凸透镜、由平凸透镜与双凸透镜密接的胶合组、正月牙型透镜及正月牙型透镜，所述变倍镜组依次设有双凹透镜、由双凸透镜与双凹透镜密接的胶合组及正月牙型透镜，所述补偿镜组设有由正月牙型透镜与双凹透镜密接的胶合组，所述后固定镜组依次设有双凸透镜、平凸透镜、由双凸透镜与双凹透镜密接的胶合组、由双凸透镜与平凹透镜密接的胶合组、正月牙型透镜及双凸透镜，所述分光组件依次设有分光棱镜和反射镜。该镜头不需要主动补偿机构，在-30℃到+60℃环境温度范围内稳定成像。
【专利说明】光学被动式消热差连续变焦高分辨率镜头
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光学被动式消热差连续变焦高分辨率镜头，属于光电【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 环境温度的改变将导致光学元件的折射率、曲率、厚度、间隔发生改变，从而改变 系统像差及焦距，最佳像面发生偏移，图像质量恶化，对成像系统尤其是高分辨率成像系统 具有不可忽视的影响。因此在军用光学或空间光学镜头的设计过程中应充分考虑温度变化 对成像质量的影响。
[0003] 目前，国内外采用的消热差技术可分为三类：机械被动式消热差技术、机电主动消 热差技术和光学被动式消热差技术。其中光学被动式消热差技术是利用光学材料热特性的 差异，通过不同特性材料的合理组合来消除温度的影响。由于这种方式不需要主动补偿机 构，因此具有结构简单、体积小、焦距值变化量小、系统光轴稳定、可靠性高等优点，但同时 这种消热差技术的难度也是最大的，一般只在定焦、双视场、双波段或变倍比比较小的简单 系统中应用。对于长焦距、高分辨率、变倍比比较大的镜头，随着变焦过程中各组元位置的 改变，组元之间温度补偿的效果也随之改变，在变焦全过程中维持稳定成像的难度更大。因 此，高分辨率的连续变焦镜头一般以机电主动消热差技术来满足不同环境温度下的应用要 求，未见关于光学被动式消热差连续变焦高分辨率镜头的报道。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种的光学被动式消热差连续 变焦高分辨率镜头，该镜头分辨率能达到与高清摄像机适配的需求，在工作温度范围内不 需要主动补偿机构，在变焦全程均能提供稳定、高清的成像质量。
[0005] 为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种光学被动式消热差连续变焦高分 辨率镜头，所述镜头的光学系统沿光线入射方向依次设有光焦度为正的前固定镜组A、光焦 度为负的变倍镜组B、光焦度为负的补偿镜组C、可变光栏D、光焦度为正的后固定镜组E以 及分光组件F，所述前固定镜组A依次设有双凸透镜A-1、由平凸透镜A-2与双凸透镜A-3 密接的第一胶合组、正月牙型透镜A-4以及正月牙型透镜A-5,所述变倍镜组B依次设有双 凹透镜B-1、由双凸透镜B-2与双凹透镜B-3密接的第二胶合组以及正月牙型透镜B-4,所 述补偿镜组C设有由正月牙型透镜C-1与双凹透镜C-2密接的第三胶合组，所述后固定镜 组E依次设有双凸透镜E-1、平凸透镜E-2、由双凸透镜E-3与双凹透镜E-4密接的第四胶 合组、由双凸透镜E-5与平凹透镜E-6密接的第五胶合组、正月牙型透镜E-7以及双凸透镜 E-8,所述分光组件F依次设有分光棱镜F1和反射镜F2。
[0006] 在进一步的技术方案中，所述前固定镜组A与变倍镜组B之间的空气间隔是 94. 45?3. 85mm，所述变倍镜组B与补偿镜组C之间的空气间隔是4. 06?82. 88mm，所述补 偿镜组C与后固定镜组E之间的空气间隔是10. 57?22. 35mm，所述后固定镜组E与分光组 件F之间的空气间隔是2. 50mm。
[0007] 在进一步的技术方案中，所述前固定镜组A的双凸透镜A-1与第一胶合组之间的 空气间隔是〇. 16mm，所述第一胶合组与正月牙型透镜A-4之间的空气间隔是0. 15mm，所述 正月牙型透镜A-4与正月牙型透镜A-5之间的空气间隔是1. 87mm ;所述变倍镜组B的双凹 透镜B-1与第二胶合组之间的空气间隔是2. 17mm，所述第二胶合组与正月牙型透镜B-4之 间的空气间隔是0. 15mm ;所述后固定镜组E的双凸透镜E-1与平凸透镜E-2之间的空气间 隔是0. 15mm，所述平凸透镜E-2与第三胶合组之间的空气间隔是7. 91mm，所述第三胶合组 与第四胶合组之间的空气间隔是1. 83mm，所述第四胶合组与正月牙型E-7之间的空气间隔 是19. 97_，所述正月牙型透镜E-7与双凸透镜E-8之间的空气间隔是0. 15_ ;所述分光组 件F的分光棱镜F1与反射镜F2之间的空气间隔是15. 50mm。
[0008] 在进一步的技术方案中，所述双凸透镜A-3采用超低色散的FK61型号氟冕玻璃。
[0009] 在进一步的技术方案中，所述镜头的机械结构包括用于固定光学系统的镜框、连 续电动变焦机构、摄像机组件、照相机组件以及连接底板。
[0010] 在进一步的技术方案中，所述镜框包括主镜座和后镜座，所述主镜座前段内壁与 内部装配有前固定镜组A的前组镜座连接，所述主镜座中段内壁分别与内部装配有变倍镜 组B的变倍镜座、内部装配有补偿镜组C的补偿镜座连接；所述后镜座前段内壁与L-Q镜座 连接，所述L-Q镜座内装配有后固定镜组E的双凸透镜E-1、平凸透镜E-2、第四胶合组和第 五胶合组，所述后镜座中段内壁装配有后固定镜组E的正月牙型透镜E-7和双凸透镜E-8， 所述后镜座后段内壁装配有分光组件F。
[0011] 在进一步的技术方案中，所述连续电动变焦机构包括电机架，所述电机架上装配 有电机、电机齿轮、电位器和电位器齿轮，所述电机齿轮分别与电位器齿轮、凸轮啮合，所述 凸轮上装配有导钉，所述凸轮与钢珠固定于主镜座上并用凸轮压圈锁紧，所述主镜座内设 有与导杆滑动连接的变倍移动座和补偿移动座，所述变倍移动座内壁与变倍镜座连接，所 述补偿移动座内壁与补偿镜座连接。
[0012] 在进一步的技术方案中，所述摄像机组件包括摄像机和摄像机架，所述摄像机安 装在摄像机架上，所述摄像机架与后镜座连接。
[0013] 在进一步的技术方案中，所述照相机组件包括照相机和照相机架，所述照相机安 装在照相机架上，所述照相机架与后镜座连接。
[0014] 在进一步的技术方案中，所述连接底板分别与主镜座、后镜座连接。
[0015] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：使用ED(超低色散)材料，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，达到百万像素，可与高清晰度的摄像机 适配；同时合理选择不同温度特性的玻璃材料，实现宽温度范围即-30°C ~+60°C内光学系 统的消热差；由于实现了光学被动式消热差，省去了系统中的主动补偿机构，因此具有系统 结构简单、体积小、焦距值变化量小、系统光轴稳定，可靠性高等优点；使用分光棱镜F1及 反射镜F2,对光路进行折叠，在保证足够大后焦距的同时实现了系统的紧凑化。
[0016] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1为本发明实施例的光学系统图。
[0018] 图2为本发明实施例的机械结构图。
[0019] 图1中：A-前固定镜组A，A-1-双凸透镜A-l，A-2-平凸透镜A-2，A-3-双凸透镜 A-3, A-4-正月牙型透镜A-4, A-5-正月牙型透镜A-5, B-变倍镜组B，B-1-双凹透镜B-1， B-2-双凸透镜B-2, B-3-双凹透镜B-3, B-4-正月牙型透镜B-4, C-补偿镜组C，D-可变光 栏D，E-后固定镜组E，E-1-双凸透镜E-1，E-2-平凸透镜E-2, E-3-双凸透镜E-3, E-4-双 凹透镜E-4, E-5-双凸透镜E-5, E-6-平凹透镜E-6, E-7-正月牙型透镜E-7, E-8-双凸透 镜E-8, F-分光组件F，F1-分光棱镜Fl，F2-反射镜F2, 01-摄像靶面，02-照相靶面；1-主 筒，2-BC隔圈，3-CD隔圈，4-后压圈，5-负月牙型透镜A-1，6-双凹透镜A-2, 7-双凸透镜 B-1，8-双凸透镜B-2,9-双凹透镜B-3。
[0020] 图2中：1_第一隔圈，2-第二隔圈，3-第三隔圈，4-正月牙型透镜A-5,5-正月牙 型透镜A-4,6-第一胶合组，7-双凸透镜A-1，8-第一压圈，9-前组镜座，10-主镜座，11-电 机齿轮，12-电位器齿轮，13-电位器，14-电机架，15-电机，16-导杆，17-导套，18-补偿移 动座，19-导钉，20-凸轮，21-钢珠，22-凸轮压圈，23-后镜座，24-L-Q镜座，25-第四胶合 组，26-第八隔圈，27-第五|父合组，28-第四压圈，29-摄像机，30-摄像机架，31-第五压圈， 32-第九隔圈，33-正月牙型透镜E-7, 34-双凸透镜E-8, 35-分光棱镜F1，36-反射镜F2， 37-照相机，38-照相机架，39-第七隔圈，40-平凸透镜E_2,41-第六隔圈，42-双凸透镜 E-1，43-第三压圈，44-第三胶合组，45-补偿镜座，46-正月牙型透镜B-4,47-第五隔圈， 48-变倍移动座，49-第二胶合组，50-变倍镜座，51-第四隔圈，52-双凹透镜B-1，53-第二 压圈，54-连接底板。
【具体实施方式】
[0021] 如图1所示，一种光学被动式消热差连续变焦高分辨率镜头，所述镜头的光学系 统沿光线自左向右入射方向依次设有光焦度为正的前固定镜组A、光焦度为负的变倍镜组 B、光焦度为负的补偿镜组C、可变光栏D、光焦度为正的后固定镜组E以及分光组件F，所述 前固定镜组A依次设有双凸透镜A-1、由平凸透镜A-2与双凸透镜A-3密接的第一胶合组、 正月牙型透镜A-4以及正月牙型透镜A-5,所述变倍镜组B依次设有双凹透镜B-1、由双凸 透镜B-2与双凹透镜B-3密接的第二胶合组以及正月牙型透镜B-4,所述补偿镜组C设有由 正月牙型透镜C-1与双凹透镜C-2密接的第三胶合组，所述后固定镜组E依次设有双凸透 镜E-1、平凸透镜E-2、由双凸透镜E-3与双凹透镜E-4密接的第四胶合组、由双凸透镜E-5 与平凹透镜E-6密接的第五胶合组、正月牙型透镜E-7以及双凸透镜E-8,所述分光组件F 依次设有分光棱镜F1和反射镜F2。
[0022] 在本实施例中，所述前固定镜组A与变倍镜组B之间的空气间隔是94. 45? 3. 85mm，所述变倍镜组B与补偿镜组C之间的空气间隔是4. 06?82. 88mm，所述补偿镜组C 与后固定镜组E之间的空气间隔是10. 57?22. 35_，所述后固定镜组E与分光组件F之间 的空气间隔是2. 50mm。
[0023] 在本实施例中，所述前固定镜组A的双凸透镜A-1与第一胶合组之间的空气间隔 是0. 16mm，所述第一胶合组与正月牙型透镜A-4之间的空气间隔是0. 15mm，所述正月牙型 透镜A-4与正月牙型透镜A-5之间的空气间隔是1. 87mm ;所述变倍镜组B的双凹透镜B-1 与第二胶合组之间的空气间隔是2. 17mm，所述第二胶合组与正月牙型透镜B-4之间的空 气间隔是〇. 15mm;所述后固定镜组E的双凸透镜E-1与平凸透镜E-2之间的空气间隔是 0. 15mm，所述平凸透镜E-2与第三胶合组之间的空气间隔是7. 91mm，所述第三胶合组与第 四胶合组之间的空气间隔是1.83mm，所述第四胶合组与正月牙型E-7之间的空气间隔是 19. 97臟，所述正月牙型透镜E-7与双凸透镜E-8之间的空气间隔是0· 15mm ;所述分光组件 F的分光棱镜F1与反射镜F2之间的空气间隔是15. 50mm。
[0024] 在本实施例中，由上述透镜组构成的光学系统达到了如下的光学指标：（1)焦距： ^=28?230謹 ；（2)相对孔径：0/^=1/5(3)视场角：2(〇=3.02°?24.8°;(4)分辨 率：与三百万像素高分辨率C⑶或CMOS摄像机适配；（5)光路总长Σ < 285mm，光学后截距 L' > 76mm ; (6)变倍行程：< 90. 6mm ; (7)高低温时最佳像面最大偏移量：0. 0128mm，小于 1/4 焦深（0· 014mm)。
[0025] 在本实施例中，所述双凸透镜A-3采用超低色散的FK61型号氟冕玻璃，即超低色 散材料H-FK61。在光学设计过程中，在前固定镜组A中使用一片ED (超低色散)光学材料， 有效地降低了光学镜头长焦时的二级光谱等像差，使镜头在长焦焦距段的分辨率得到显著 提高，可与高清晰度的摄像机适配。
[0026] 考虑到ED材料的折射率温度系数为负值且绝对值较大，在长焦时对温度效应起 主导作用，必须控制其光焦度并使得其他镜片的温度效应与之互相平衡；在短焦时，后固定 镜组E的温度效应起主导作用，也应合理选择材料，消除其温度效应；变倍镜组B和补偿镜 组C则用来平衡中间焦距段的温度效应，最终达到在变焦全过程实现光学被动式消热差的 目的。考虑到软件模拟与实际之间必然存在的差异，将最佳像面偏移量设计要求由常规的 小于1/2焦深提高到小于1/4焦深。
[0027] 由于本光学系统中成像靶面较大，且畸变要求很高，因此对后固定镜组E进行了 复杂化，并使用了阿贝数较大的材料，校正轴外像差。使用分光棱镜F1、反射镜F2对光路进 行分光、折叠，满足两路探测器同时工作的需求，并在保证足够大后焦距的同时实现了系统 的紧凑化。
[0028] 如图2所示，所述镜头的机械结构包括用于固定光学系统的镜框、连续电动 变焦机构、摄像机组件、照相机组件以及连接底板54。所述镜头的工作环境温度范围 为-30°C ~+60°C，不需要主动温度补偿机构。
[0029] 在本实施例中，所述镜框包括主镜座10和后镜座23,所述主镜座10前段内壁与 内部装配有前固定镜组A的前组镜座9连接，采用螺纹及主正面配合，能够有效保证同心度 需求；所述主镜座10中段内壁分别与内部装配有变倍镜组B的变倍镜座50、内部装配有补 偿镜组C的补偿镜座45连接，采用螺纹及主正面配合，能够有效保证同心度需求；所述后镜 座23前段内壁与L-Q镜座24连接，采用螺纹及主正面配合，能够有效保证同心度需求；所 述L-Q镜座24内装配有后固定镜组E的双凸透镜E-1、平凸透镜E-2、第四胶合组25和第 五胶合组27,所述后镜座23中段内壁装配有后固定镜组E的正月牙型透镜E-7和双凸透 镜E-8,所述后镜座23后段内壁装配有分光组件F，并通过4个M2. 5螺钉用棱镜压板固定 于后镜座23上。
[0030] 在本实施例中，本发明通过压圈和隔圈来保证各镜组的装配稳定性以及各透镜之 间的空气间隔和通光性，具体如下：所述前固定镜组A由前端的第一压圈8锁紧于前组镜座 9内，所述双凸透镜A-1与第一胶合组6之间设有第一隔圈1，所述第一胶合组6与正月牙 型透镜A-4之间设有第二隔圈2,所述正月牙型透镜A-4与正月牙型透镜A-5之间设有第三 隔圈3 ;所述前变倍镜组B由前端的第二压圈53锁紧于变倍镜座50内，所述双凹透镜B-l 与第二胶合组49之间设有第四隔圈51，所述第二胶合组49与正月牙型透镜B-4之间第五 隔圈47 ;所述补偿镜组C由后端的第三压圈43锁紧于补偿镜座45内；所述后固定镜组E 的双凸透镜E-1、平凸透镜E-2、第三胶合组44以及第四胶合组25由后端的第四压圈28锁 紧于L-Q镜座24内，所述双凸透镜E-1与平凸透镜E-2之间设有第六隔圈41，所述平凸透 镜E-2与第三胶合组44之间设有第七隔圈39,所述第三胶合组44与第四胶合组25之间设 有第八隔圈26,所述后固定镜组E的正月牙型透镜E-7和双凸透镜E-8由前端的第五压圈 31锁紧于后镜座23中段内壁，所述正月牙型透镜E-7与双凸透镜E-8之间第九隔圈32。
[0031] 在本实施例中，所述连续电动变焦机构包括电机架14,所述电机架14通过2个M3 螺钉固定于主镜座10上，所述电机架14上装配有电机15、电机齿轮11、电位器13和电位 器齿轮12,所述电机齿轮11分别与电位器齿轮12、凸轮20啮合，所述凸轮20上装配有导 钉19,所述凸轮20与高精度钢珠21锁紧于主镜座10上并用凸轮压圈22锁紧，所述主镜 座10内设有通过导套17与导杆16滑动连接的变倍移动座48和补偿移动座18,所述变倍 移动座48内壁与变倍镜座50连接，所述补偿移动座18内壁与补偿镜座45连接。通过电 机15的旋转带动凸轮20的转动，凸轮20的转动带动凸轮20上装配的导钉19的滑动，导 钉19的滑动带动变倍移动座48与补偿移动座18的前后移动，继而带动变倍镜组B与补偿 镜组C的前后移动，从而实现连续变焦。
[0032] 在本实施例中，所述摄像机组件包括摄像机29和摄像机架30,所述摄像机29通过 4个M3螺钉安装在摄像机架30上，所述摄像机架30通过6个M3螺钉与后镜座23连接。 所述照相机组件包括照相机37和照相机架38,所述照相机37通过4个M3螺钉安装在照相 机架38上，所述照相机架38通过6个M3螺钉与后镜座23连接。所述连接底板54分别通 过3个M3螺钉与主镜座10、后镜座23连接。
[0033] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与 修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
【权利要求】
1. 一种光学被动式消热差连续变焦高分辨率镜头，其特征在于：所述镜头的光学系统 沿光线入射方向依次设有光焦度为正的前固定镜组A、光焦度为负的变倍镜组B、光焦度为 负的补偿镜组C、可变光栏D、光焦度为正的后固定镜组E以及分光组件F，所述前固定镜组 A依次设有双凸透镜A-1、由平凸透镜A-2与双凸透镜A-3密接的第一胶合组、正月牙型透 镜A-4以及正月牙型透镜A-5,所述变倍镜组B依次设有双凹透镜B-1、由双凸透镜B-2与 双凹透镜B-3密接的第二胶合组以及正月牙型透镜B-4,所述补偿镜组C设有由正月牙型透 镜C-1与双凹透镜C-2密接的第三胶合组，所述后固定镜组E依次设有双凸透镜E-1、平凸 透镜E-2、由双凸透镜E-3与双凹透镜E-4密接的第四胶合组、由双凸透镜E-5与平凹透镜 E-6密接的第五胶合组、正月牙型透镜E-7以及双凸透镜E-8,所述分光组件F依次设有分 光棱镜F1和反射镜F2。
2. 根据权利要求1所述的光学被动式消热差连续变焦高分辨率镜头，其特征在于：所 述前固定镜组A与变倍镜组B之间的空气间隔是94. 45?3. 85mm，所述变倍镜组B与补偿 镜组C之间的空气间隔是4. 06?82. 88mm，所述补偿镜组C与后固定镜组E之间的空气间 隔是10. 57?22. 35_，所述后固定镜组E与分光组件F之间的空气间隔是2. 50_。
3. 根据权利要求1或2所述的光学被动式消热差连续变焦高分辨率镜头，其特征在 于：所述前固定镜组A的双凸透镜A-1与第一胶合组之间的空气间隔是0. 16mm，所述第一 胶合组与正月牙型透镜A-4之间的空气间隔是0. 15mm，所述正月牙型透镜A-4与正月牙型 透镜A-5之间的空气间隔是1. 87mm ;所述变倍镜组B的双凹透镜B-1与第二胶合组之间 的空气间隔是2. 17mm，所述第二胶合组与正月牙型透镜B-4之间的空气间隔是0. 15mm ;所 述后固定镜组E的双凸透镜E-1与平凸透镜E-2之间的空气间隔是0. 15mm，所述平凸透镜 E-2与第三胶合组之间的空气间隔是7. 91mm，所述第三胶合组与第四胶合组之间的空气间 隔是1. 83mm，所述第四胶合组与正月牙型E-7之间的空气间隔是19. 97mm，所述正月牙型透 镜E-7与双凸透镜E-8之间的空气间隔是0. 15mm ;所述分光组件F的分光棱镜F1与反射 镜F2之间的空气间隔是15. 50mm。
4. 根据权利要求1所述的光学被动式消热差连续变焦高分辨率镜头，其特征在于：所 述双凸透镜A-3采用超低色散的FK61型号氟冕玻璃。
5. 根据权利要求1所述的光学被动式消热差连续变焦高分辨率镜头，其特征在于：所 述镜头的机械结构包括用于固定光学系统的镜框、连续电动变焦机构、摄像机组件、照相机 组件以及连接底板。
6. 根据权利要求5所述的光学被动式消热差连续变焦高分辨率镜头，其特征在于：所 述镜框包括主镜座和后镜座，所述主镜座前段内壁与内部装配有前固定镜组A的前组镜座 连接，所述主镜座中段内壁分别与内部装配有变倍镜组B的变倍镜座、内部装配有补偿镜 组C的补偿镜座连接；所述后镜座前段内壁与L-Q镜座连接，所述L-Q镜座内装配有后固定 镜组E的双凸透镜E-1、平凸透镜E-2、第四胶合组和第五胶合组，所述后镜座中段内壁装配 有后固定镜组E的正月牙型透镜E-7和双凸透镜E-8,所述后镜座后段内壁装配有分光组件 F〇
7. 根据权利要求5或6所述的光学被动式消热差连续变焦高分辨率镜头，其特征在于： 所述连续电动变焦机构包括电机架，所述电机架上装配有电机、电机齿轮、电位器和电位器 齿轮，所述电机齿轮分别与电位器齿轮、凸轮啮合，所述凸轮上装配有导钉，所述凸轮与钢 珠固定于主镜座上并用凸轮压圈锁紧，所述主镜座内设有与导杆滑动连接的变倍移动座和 补偿移动座，所述变倍移动座内壁与变倍镜座连接，所述补偿移动座内壁与补偿镜座连接。
8. 根据权利要求5或6所述的光学被动式消热差连续变焦高分辨率镜头，其特征在于： 所述摄像机组件包括摄像机和摄像机架，所述摄像机安装在摄像机架上，所述摄像机架与 后镜座连接。
9. 根据权利要求5或6所述的光学被动式消热差连续变焦高分辨率镜头，其特征在于： 所述照相机组件包括照相机和照相机架，所述照相机安装在照相机架上，所述照相机架与 后镜座连接。
10. 根据权利要求5或6所述的光学被动式消热差连续变焦高分辨率镜头，其特征在 于：所述连接底板分别与主镜座、后镜座连接。
【文档编号】G02B15/17GK104090353SQ201410335308
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月15日 优先权日:2014年7月15日
【发明者】屈立辉, 张清苏, 肖维军, 林春生 申请人:福建福光数码科技有限公司