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CN117270176A - 一种双视场连续变焦镜头及探测器 - Google Patents

一种双视场连续变焦镜头及探测器 Download PDF

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CN117270176A
CN117270176A CN202311016861.4A CN202311016861A CN117270176A CN 117270176 A CN117270176 A CN 117270176A CN 202311016861 A CN202311016861 A CN 202311016861A CN 117270176 A CN117270176 A CN 117270176A
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CN
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lens
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dual
light
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Application number
CN202311016861.4A
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李轲禹
张俊峰
侯志超
辜仕豪
韩志刚
焦鹏
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Hubei Huazhong Changjiang Photoelectric Technology Co ltd
Original Assignee
Hubei Huazhong Changjiang Photoelectric Technology Co ltd
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Abstract

本发明公开了一种双视场连续变焦镜头及探测器，属于光学镜头技术领域，双视场连续变焦镜头包括沿光线入射方向依次同轴设置的光焦度为正的物镜组、光焦度为负的变倍组、光焦度为负的补偿组、光焦度为正的前固定组、光焦度为负的温度补偿组、滤光转换组、反射镜和光焦度为正的后固定组。探测器采用大靶面CMOS，包括如上所述的双视场连续变焦镜头，用于对物体进行探测。本发明的双视场连续变焦镜头及探测器，镜头采用负组补偿的结构形式，通过大小视场设计实现可见光近红外摄照一体，整体变焦形式简单且结构紧凑。能够满足对连续变焦光学设备体积小、重量轻、成像质量高、功能丰富、摄照一体的需求，具有较好的应用前景。

Description

一种双视场连续变焦镜头及探测器
技术领域
本发明属于光学镜头技术领域，具体涉及一种双视场连续变焦镜头及探测器。
背景技术
连续变焦光学系统是指能够实现大视场目标搜索以及小视场跟踪或识别功能，并且在变焦过程中目标图像始终保持清晰的光学设备，其在许多领域中有着重要的应用。
其中，搭载连续变焦光学系统的摄像机能够实现清晰图像可降低图像应用复杂程度，提高图像应用的工作效率和设备的可靠性，因此，在机载吊舱会使用搭载连续变焦光学系统的摄像机，如此能够大幅度提高机载吊舱的集成度。
而机载吊舱摄像机往往需要进行远程监控，并且具备大视场搜索目标功能，在不同环境下如野外作业的情况下，不仅需要长时间不间断地观察目标，而且在亮度相差较大或温度相差较大的环境中需要频繁使用镜头，因此对该镜头要求较高，目前用于机载吊舱的镜头难以实现上述全部功能。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的一种或者多种，本发明提供了一种双视场连续变焦镜头及探测器，实现长时间不间断对目标进行监测与大视场搜索图像功能，具有适应环境强、靶面大、宽光谱、高分辨率、宽温度共焦的特点。
为实现上述目的，本发明一方面提供一种双视场连续变焦镜头，包括沿光线入射方向依次同轴设置的物镜组、变倍组、补偿组、前固定组、温度补偿组、滤光转换组、反射镜和后固定组；
其中，所述物镜组、所述前固定组和所述后固定组光焦度为正，所述变倍组、所述补偿组和所述温度补偿组光焦度为负；
所述后固定组包括沿光线入射方向依次同轴设置的正光焦度的第一双凸透镜、负光焦度的第一双凹透镜、正光焦度的第一弯月透镜、负光焦度的第二双凹透镜、正光焦度的第二弯月透镜、正光焦度的第三弯月透镜和正光焦度的第四弯月透镜；
对应所述物镜组、所述变倍组、所述补偿组和所述温度补偿组设置有调节组件，使得所述物镜组、所述变倍组、所述补偿组和所述温度补偿组可在所述调节组件的带动下沿光轴相对运动；
所述前固定组、所述温度补偿组、所述滤光转换组和所述后固定组固定不动，所述物镜组、所述变倍组和所述补偿组沿光轴相对移动时，实现长焦连续调节；所述物镜组、所述前固定组、所述滤光转换组和所述后固定组固定不动，所述变倍组、所述补偿组和所述温度补偿组相对移动时，实现短焦连续调节。
作为本发明的进一步改进，所述滤光转换组包括白光滤光镜和近红外滤光镜；所述白光滤光镜实现0.425μm～0.675μm波段的可见光调焦调节，所述近红外滤光镜实现0.76μm～0.9μm波段的近红外光调焦调节。
作为本发明的进一步改进，所述物镜组包括沿光线入射方向依次同轴设置的正光焦度的第一双胶合透镜、负光焦度的第二双胶合透镜和正光焦度的第五弯月透镜。
作为本发明的进一步改进，所述物镜组中各透镜均使用超低色散材料。
作为本发明的进一步改进，所述变倍组包括沿光线入射方向依次同轴设置的负光焦度的第三双凹透镜和负光焦度的第三双胶合透镜，所述第三双胶合透镜由两片弯月形透镜组成。
作为本发明的进一步改进，所述补偿组包括沿光线入射方向依次同轴设置的负光焦度的第四双胶合透镜和负光焦度的第四双凹透镜。
作为本发明的进一步改进，所述温度补偿组包括负光焦度的第六弯月透镜，根据环境温度沿光轴移动实现短焦温度补偿。
作为本发明的进一步改进，所述前固定组包括沿光线入射方向依次同轴设置的正光焦度的第五双胶合透镜、正光焦度的第二双凸透镜、正光焦度的第七弯月透镜和负光焦度的第六双胶合透镜。
作为本发明的进一步改进，所述反射镜与入射光路的夹角为45°。
本发明另一方面提供一种探测器，所述探测器采用大靶面CMOS，包括如上所述的双视场连续变焦镜头，用于对物体进行探测。
上述改进技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有的有益效果包括：
(1)本发明的双视场连续变焦镜头，其采用负组补偿结构，有利于降低系统长度，保证长焦时的成像质量，实现大视场到小视场的连续快速变焦。且后固定组的设计能够降低长焦、短焦的图像畸变同时降低短焦二级光谱像差，并减小运动组元的导程，使光学系统总长缩短。
(2)本发明的双视场连续变焦镜头，其通过调节物镜组与温度补偿组的轴向位置进行调节，整个变焦过程中在宽温度范围(-40℃～70℃)内保持良好的焦面一致性，从而能够在变焦过程中保持图像的清晰稳定，大大提高镜头的稳定性、环境适应性，减小目标在跟踪、监视过程中的丢失概率，并提高了在低照度、低能见度环境下目标的探测灵敏度。
(3)本发明的双视场连续变焦镜头，其通过可以切换白光滤光镜和近红外滤光镜的滤光转换组使得在昼间彩色模式下切换到白光滤光镜实现在白天可见光条件下的探测功能；在夜间黑白模式下切换到近红外滤光镜实现在黄昏、大雾、黑夜等能见度低情况下的探测功能。
(4)本发明的双视场连续变焦镜头及探测器，镜头能够满足探测器接收，探测器使用大靶面CMOS，通过镜头焦距的变化对远、近物体观测，并且所产生的图像画质清晰，在输出高清视频的同时，可根据指令在短焦实现全分辨率数码拍照。
(5)本发明的双视场连续变焦镜头及探测器，镜头采用负组补偿的结构形式，通过大小视场设计实现可见光近红外摄照一体，整体变焦形式简单且结构紧凑。并且，镜头集双视场、昼夜观测物体等多用途、多功能于一体，能够满足对连续变焦光学设备体积小、重量轻、成像质量高、功能丰富、摄照一体的需求，具有较好的应用前景。进一步地，探测器采用大靶面CMOS，全焦输出高清视频的同时，可根据指令在短焦时完成全分辨率数码拍照，实现可见光近红外摄照一体。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中双视场连续变焦镜头的整体结构及光路示意图；
图2是本发明实施例中双视场连续变焦镜头的短焦调节示意图；
图3是本发明实施例中双视场连续变焦镜头的长焦调节示意图；
图4是本发明实施例中双视场连续变焦镜头在常温可见光、短焦状态下的光学传递函数。
图5是本发明实施例中双视场连续变焦镜头在常温可见光、长焦状态下的光学传递函数。
图6是本发明实施例中双视场连续变焦镜头在常温近红外、短焦状态下的光学传递函数。
图7是本发明实施例中双视场连续变焦镜头在常温近红外下、长焦状态下的光学传递函数。
图8是本发明实施例中双视场连续变焦镜头变焦移动量示意图，其横坐标为角度值，总共180.558°，纵坐标为数值大小。
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：
1、物镜组；2、变倍组；3、补偿组；4、前固定组；5、温度补偿组；6、滤光转换组；7、反射镜；8、后固定组；
101、第一双胶合透镜；102、第二双胶合透镜；103、第五弯月透镜；
201、第三双凹透镜；202、第三双胶合透镜；
301、第四双胶合透镜；302、第四双凹透镜；
401、第五双胶合透镜；402、第二双凸透镜；403、第七弯月透镜；404、第六双胶合透镜；
501、第六弯月透镜；
801、第一双凸透镜；802、第一双凹透镜；803、第一弯月透镜；804、第二双凹透镜；805、第二弯月透镜；806、第三弯月透镜；807、第四弯月透镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例：
请参阅图1～图8，本发明优选实施例中的双视场连续变焦镜头及探测器一方面包括一种双视场连续变焦镜头，其包括沿光线入射方向依次同轴设置的光焦度为正的物镜组1、光焦度为负的变倍组2、光焦度为负的补偿组3、光焦度为正的前固定组4、光焦度为负的温度补偿组5、滤光转换组6、反射镜7和光焦度为正的后固定组8。
可以理解的是，如图3所示，对应物镜组1、变倍组2、补偿组3和温度补偿组5设置有调节组件，使得物镜组1、变倍组2、补偿组3和温度补偿组5可在调节组件的带动下沿光轴相对移动。具体实施时调节组件可为电机滑块，能够带动物镜组1、变倍组2、补偿组3和温度补偿组5相对运动，在此不做过多的限制。
当物镜组1、变倍组2和补偿组3在一定范围内沿光轴方向以一定规律、不同方向相对运动，此时前固定组4、温度补偿组5、滤光转换组6和后固定组8不移动，如此能够实现长焦连续调节。如图2所示，当变倍组2、补偿组3和温度补偿组5、在一定范围内沿光轴方向以一定规律、不同方向相对运动，此时物镜组1、前固定组4、滤光转换组6和后固定组8不移动，如此能够实现短焦连续调节。
优选地，优选实施例中滤光转换组6包括白光滤光镜和近红外滤光镜。在白昼环境下，滤光转换组6可切换成白光滤光镜，其能够实现0.425μm～0.675μm波段的可见光调焦调节。在黑夜环境下，滤光转换组6切换至近红外滤光镜，其能够实现0.76μm～0.9μm波段的近红外光调焦调节。如此，能够实现镜头在白昼和夜晚条件下均能使用。
其中，在白天工作环境下，滤光转换组6切换成白光滤光镜，增加可见光透过，并在探测器上形成彩色图像。在黑夜工作环境下，滤光转换组6切换成近红外滤光镜，其具体采用红外透射可见光吸收玻璃HB760，在探测器上形成黑白图像。从而使镜头能够寻求到最佳光亮在探测器上形成彩色图像。增加近红外光透过，从而使镜头在黄昏、大雾、黑夜等能见度低的情况下能在探测器上形成黑白图像。
具体地，优选实施例中物镜组1包括沿光线入射方向依次同轴设置的正光焦度的第一双胶合透镜101、负光焦度的第二双胶合透镜102和正光焦度的第五弯月透镜103。物镜组1实现光线汇聚，并且物镜组1整组可根据环境温度沿光轴移动，实现长焦温度补偿。
其中，优选实施例中物镜组1采用五片透镜结构，各透镜均使用超低色散材料，如H-FK61材料，能够进一步降低系统的二级光谱像差，提高分辨率水平。
进一步地，优选实施例中变倍组2包括沿光线入射方向依次同轴设置的负光焦度的第三双凹透镜201和负光焦度的第三双胶合透镜202，第三双胶合透镜202由两片弯月形透镜组成。变倍组2沿光轴相对移动以改变它们的组合焦距实现变焦。
更进一步地，优选实施例中补偿组3包括沿光线入射方向依次同轴设置的负光焦度的第四双胶合透镜301和负光焦度的第四双凹透镜302。镜头通过改变变倍组2和补偿组3的位置实现变焦和调焦功能。变倍组2整体沿光轴移动实现变焦，补偿组3整体沿光轴移动实现补偿，使变倍组2引起的像面变动为零，从而变焦过程像面稳定。
详细地，优选实施例中前固定组4包括沿光线入射方向依次同轴设置的正光焦度的第五双胶合透镜401、正光焦度的第二双凸透镜402、正光焦度的第七弯月透镜403和负光焦度的第六双胶合透镜404。前固定组4用于完成光阑匹配，降低长焦二级光谱像差。
更具体地，优选实施例中温度补偿组5包括负光焦度的第六弯月透镜501，根据环境温度沿光轴移动实现短焦温度补偿。
图4至图7是常温下，本发明实施例白光与近红外的短焦位置、长焦位置的光学传递函数。如图4～图7所示，当环境温度为-40℃、镜头处于短焦位置时，温度补偿组5沿光线入射反方向移动0.2mm后，镜头短焦端像质与常温下相同。当环境温度为-40℃、镜头处于长焦时，物镜组1沿光线入射方向移动0.27mm后，镜头长焦端像质与常温下相同。当环境温度为+70℃、镜头处于短焦位置时，温度补偿组5沿光线入射方向移动0.15mm，镜头短焦端像质与常温下相同。当环境温度为+70℃、镜头处于长焦时时，物镜组1沿光线入射反方向移动0.175mm后，镜头长焦端像质与常温下相同。
温度补偿包括物镜组1和温度补偿组5进行控温调控，物镜组1在长焦连续调节过程中沿光轴相对移动，以实现不同环境温度下的长焦温度补偿，达到像质要求。温度补偿组5在短焦连续调节过程中沿光轴相对移动，以实现不同环境温度下的短焦温度补偿，达到像质要求。通过控温调控实现整个变焦过程中在宽温度范围(-40℃～70℃)内保持良好的焦面一致性，从而能够在变焦过程中保持图像的清晰稳定，提高镜头的稳定性、环境适应性。
更详细地，优选实施例中反射镜7与入射光路的夹角为45°。反射镜7为平面反射镜。
更优选地，优选实施例中后固定组8包括沿光线入射方向依次同轴设置的正光焦度的第一双凸透镜801、负光焦度的第一双凹透镜802、正光焦度的第一弯月透镜803、负光焦度的第二双凹透镜804、正光焦度的第二弯月透镜805、正光焦度的第三弯月透镜806和正光焦度的第四弯月透镜807。后固定组8适当复杂化，降低长焦、短焦的图像畸变同时降低短焦二级光谱像差，并减小运动组元的导程，使光学系统总长缩短。
此外，物镜组1与变倍组2之间的空气间隔为35.035～2.96mm，变倍组2与补偿组3之间的空气间隔为3.5～57.866mm，补偿组3与前固定组4之间的空气间隔为55.61～51.785mm。镜头采用负组补偿的结构，这种结构有利于降低系统长度，保证长焦时的成像质量，实现大视场到小视场的连续快速变焦。其焦距范围为41mm～510mm，能够在白昼、黑夜环境下探测物体，且具有变焦形式简单、结构紧凑的特点。
可以理解的是，优选实施例中镜头的选用的各透镜均使用常见玻璃，全为球面玻璃，且各镜片的物理参数均符合透镜物理参数表的参数要求。通过选用高折射率﹑低色散的玻璃(如H-ZPK1A、H-ZPK5、H-ZLAF68B、H-ZLAF78B等)作为透镜的材料，保证可见光与近红外、长焦与短焦齐焦性，同时使折射面曲率减小，对校正轴上点和轴外点的高级球差有利。通过选用高折射率﹑高色散的玻璃(H-ZF73、H-ZF71)，消除轴外点的高级球差。
以上所有这些光学组件共轴并且间隔一定距离排列，其中变倍组2、补偿组3能够受控沿光轴左右移动进行连续长焦、短焦变倍调焦。在变倍组2、补偿组3左右平移调焦的过程中，物镜组1、温度补偿组透镜5也能受控沿光轴左右移动，实现长焦与短焦过程中温度补偿调节。该镜头的总长度为263mm，焦距41mm～510mm范围内连续变焦，最大口径83mm，具有透过率高、成本低、体积小、重量轻的特点。
本发明优选实施例中另一方面提供一种探测器，探测器采用大靶面CMOS，包括如上所述的双视场连续变焦镜头，用于对物体进行探测。该探测器具体为像元尺寸为3.45mmx3.45mm，通过命令可切换输出彩色/黑白图像，数码照相机像元数为5000×4000，摄像机像元数为1920×1080，探测器波段范围0.4um～0.9um。通过镜头焦距的变化对远、近物体观测，并且所产生的图像画质清晰，在输出高清视频的同时，可根据指令在短焦实现全分辨率数码拍照。其中，短焦采用大视场设计、长焦采用小视场设计，同时能够实现快速变焦，图像像质保持稳定。满足CMOS探测器接收，探测器采用最新一代国产大靶面CMOS，全焦输出高清视频的同时，可根据指令在短焦41mm～84mm进行全分辨率数码拍照，达到大视场搜索图像功能，实现可见光近红外摄照一体。
并且，本发明优选实施例中采用齐焦镜头，变焦过程中图像也能保持稳定。通过长焦、短焦光程相匹配、可见光与近红外齐焦、共轭距相等实现。如图4～图7所示，在可见光波段，中心视场在空间频率130lp/mm处的传递函数均为0.3以上，在近红外波段，中心视场在空间频率130lp/mm处的传递函数均为0.2以上，具有较好的成像质量。
本发明中的双视场连续变焦镜头及探测器，镜头采用负组补偿的结构形式，通过大小视场设计实现可见光近红外摄照一体，整体变焦形式简单且结构紧凑。并且，镜头集双视场、昼夜观测物体等多用途、多功能于一体，能够满足对连续变焦光学设备体积小、重量轻、成像质量高、功能丰富、摄照一体的要求，具有较好的应用前景。进一步地，探测器采用大靶面CMOS，全焦输出高清视频的同时，可根据指令在短焦时完成全分辨率数码拍照，实现可见光近红外摄照一体。
本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双视场连续变焦镜头，其特征在于，包括沿光线入射方向依次同轴设置的物镜组、变倍组、补偿组、前固定组、温度补偿组、滤光转换组、反射镜和后固定组；
其中，所述物镜组、所述前固定组和所述后固定组光焦度为正，所述变倍组、所述补偿组和所述温度补偿组光焦度为负；
所述后固定组包括沿光线入射方向依次同轴设置的正光焦度的第一双凸透镜、负光焦度的第一双凹透镜、正光焦度的第一弯月透镜、负光焦度的第二双凹透镜、正光焦度的第二弯月透镜、正光焦度的第三弯月透镜和正光焦度的第四弯月透镜；
对应所述物镜组、所述变倍组、所述补偿组和所述温度补偿组设置有调节组件，使得所述物镜组、所述变倍组、所述补偿组和所述温度补偿组可在所述调节组件的带动下沿光轴相对运动；
所述前固定组、所述温度补偿组、所述滤光转换组和所述后固定组固定不动，所述物镜组、所述变倍组和所述补偿组沿光轴相对移动时，实现长焦连续调节；所述物镜组、所述前固定组、所述滤光转换组和所述后固定组固定不动，所述变倍组、所述补偿组和所述温度补偿组相对移动时，实现短焦连续调节。
2.根据权利要求1所述的双视场连续变焦镜头，其特征在于，所述滤光转换组包括白光滤光镜和近红外滤光镜；所述白光滤光镜实现0.425μm～0.675μm波段的可见光调焦调节，所述近红外滤光镜实现0.76μm～0.9μm波段的近红外光调焦调节。
3.根据权利要求1所述的双视场连续变焦镜头，其特征在于，所述物镜组包括沿光线入射方向依次同轴设置的正光焦度的第一双胶合透镜、负光焦度的第二双胶合透镜和正光焦度的第五弯月透镜。
4.根据权利要求3所述的双视场连续变焦镜头，其特征在于，所述物镜组中各透镜均使用超低色散材料。
5.根据权利要求1所述的双视场连续变焦镜头，其特征在于，所述变倍组包括沿光线入射方向依次同轴设置的负光焦度的第三双凹透镜和负光焦度的第三双胶合透镜，所述第三双胶合透镜由两片弯月形透镜组成。
6.根据权利要求1所述的双视场连续变焦镜头，其特征在于，所述补偿组包括沿光线入射方向依次同轴设置的负光焦度的第四双胶合透镜和负光焦度的第四双凹透镜。
7.根据权利要求6所述的双视场连续变焦镜头，其特征在于，所述温度补偿组包括负光焦度的第六弯月透镜，根据环境温度沿光轴移动实现短焦温度补偿。
8.根据权利要求1所述的双视场连续变焦镜头，其特征在于，所述前固定组包括沿光线入射方向依次同轴设置的正光焦度的第五双胶合透镜、正光焦度的第二双凸透镜、正光焦度的第七弯月透镜和负光焦度的第六双胶合透镜。
9.根据权利要求1所述的双视场连续变焦镜头，其特征在于，所述反射镜与入射光路的夹角为45°。
10.一种探测器，其特征在于，所述探测器采用大靶面CMOS，包括权利要求1～9中任一项所述的双视场连续变焦镜头，用于对物体进行探测。
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CN118818699A (zh) * 2024-08-21 2024-10-22 湖北华中长江光电科技有限公司 一种适应宽温度范围的连续变焦摄像机光学系统

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