一种新型调焦机构设计

　　在现代光学镜头设计中，变焦距镜头是一个不可缺少的部分，为了实现对目标的连续跟踪捕获，镜头焦距必须实时进行调整，而实现变焦的关键在于调焦机构，同时变焦精度也取决于调焦机构的精度。由于对镜头的要求不断提高，目标也复杂化，因此对变焦镜头的调焦精度也提出了越来越高的要求[1]。本文介绍了一套数字化调焦机构，由直线电机、直线导轨、直线位移传感器等组成，从根本上改变了传统的调焦机械结构，提高了调焦精度。

　　1 调焦方案的确定

　　变焦距镜头已问世多年，调焦机构的种类也有多种，但主要都采用凸轮机构的变焦方式。凸轮种类多种多样，按照凸轮形状分为盘式凸轮、移动凸轮、圆柱凸轮三类[2]。在镜头运动机构中，主要采用圆柱型凸轮。在凸轮圆周上开有两组曲线槽，两组槽按照光学性能曲线加工，使变倍组移动时，补偿组做相应的移动以做补偿用。在凸轮机构中，主要有旋转电机、凸轮、导向销、移动镜组和带有直线槽的外镜筒等。通过旋转电机输出扭矩，通过齿轮传动将扭矩传递给凸轮，凸轮通过导向销将动能传递给移动镜组。因外镜筒上的直线槽限制了导向销的运动轨迹，故凸轮正反转动时，会带动移动镜组做往复直线运动。但该变焦机构存在以下主要问题。

　　(1)采用凸轮精度要求很高，机械加工难度大，需要高精度的机床和镗床，提高了成本。

　　(2)变倍滑架和补偿滑架易磨损，长时间使用会导致调焦精度降低。

　　(3)由于采用了齿轮传动装置，以及导向销和凸轮之间存在间隙，造成空回较大，所以整个机构存在体积大、效率低、精度差等问题。

　　因此现在国外很多变焦镜头都不采用凸轮结构，而采用直线驱动的方式。直线驱动需要以下关键元件：直线电机、直线导轨、直线位移传感器，这些元件目前都有很好的发展和应用。直线电机可以将电能直接转换为直线运动机械能而不需要中间转换结构的传动装置，从而较传统方式有明显优势，如结构简单、速度快、精度高等特点。

　　2 调焦机构的工作原理和组成

　　如图 1 所示。由单片机构成的调焦系统，调整放置在望远镜光路中的镜组，移动镜组改变空间的光程。镜组的移动量，是根据机下计算机发出的距离信息，由DSP模块控制。自动调焦系统利用直线位移传感器作为检测元件，直线位移传感器将直线的位移变化转换成脉冲信号，脉冲信号的数量对应移动的距离。根据牛顿公式，计算镜组位置误差，如果误差不等于零，DSP控制直线电机带动镜组移动，同时也带动直线位移传感器向减小误差方向运动，直至误差趋近于零，系统处于平衡状态。