变焦距镜头凸轮结构优化设计

　　1　引　言

　　变焦距镜头是指焦距在一定范围内连续改变而像面位置保持不变的光学系统。随着图像处理技术及精密加工技术的日益发展,变焦距镜头测量系统在精密跟踪测量领域得到了广泛的应用。该测量系统利用其短焦距、大视场实施对目标的捕获,然后通过连续变倍,在长焦距实施对目标的高精度跟踪。

　　根据变焦补偿方式的不同,变焦距镜头可分为机械补偿法变焦镜头和光学补偿法变焦镜头。机械补偿法,就是一组透镜做线性移动(通称变倍组)以改变焦距,另一组透镜(通称补偿组)作少量移动以补偿像面位移。补偿透镜组的移动与变倍透镜组的移动方向不同且不等速,但它们的相对运动却有严格的对应关系,各透镜组通过一个复杂的凸轮机构实现相对运动。这类变焦距镜头的焦距在一定范围内连续改变。光学补偿法用几组透镜做变倍和补偿时,各透镜组的移动同向并等速,只需用简单的机构把各透镜组连在一起即可。采用光学补偿法的变焦距镜头各透镜组必须移动到某些特殊位置才能得到稳定清晰的像面,其焦距不能连续地变化,仅是几个离散值,因而在使用中受到了诸多限制。机械补偿法变焦距镜头的焦距能够连续地改变,因此得到了迅速的发展和广泛的应用。现在,变焦距镜头普遍采用机械补偿法来改变焦距,这种光学系统变焦凸轮的结构优化和加工是实现镜头光学设计像质目标和连续变焦过程的关键,尤其军用变焦距镜头更应保证变焦过程的平滑性和快速性[1-4]。

　　目前,随着变焦距镜头向小型化、轻量化方向发展,对变焦距镜头体积和重量要求越来越严格,这就对变焦镜距头的设计提出了很高的要求。本文对某一指标变焦距镜头凸轮进行了仿真分析,目的是在保证变焦凸轮刚度的前提下通过优化减小变焦凸轮的尺寸和重量,以满足设计指标要求,并通过试验验证了仿真分析的有效性。

　　2　主要技术指标

　　根据实际应用要求,变焦距镜头的主要设计指标如下:

　　(1)焦距:80~320 mm,四倍变焦;

　　(2)F数:5.6;

　　(3)光谱范围:可见光486~656 nm;

　　(4)系统整体尺寸要求:220 mm×70 mm×120 mm;

　　(5)质量≤1 500 g。

　　图1为变焦距镜头光学系统仿真示意图,该系统采用机械补偿法四组元变焦系统,即包括前固定组、变焦组、补偿组和后固定组4部分,并采用“正-负-正-正”的结构形式。

　　3　凸轮结构优化设计

　　在进行凸轮结构仿真分析前,凸轮曲线要先优化,优化凸轮曲线时,要保证变焦过程均匀、平稳,同时为了便于加工,凸轮曲线升角不能太大,最大不能超过45°[5]。