变焦距镜头的凸轮优化设计

    1 引 言

    光学设计与制造技术、精密机械制造技术、CCD制造技术和电子技术的飞速发展,与变焦距镜头的视场(焦距)可变性相结合,使变焦距镜头得到越来越广泛的应用。目前,变焦距镜头普遍采用机械补偿型光学结构,其可变组元数大多为二组或更多。变焦距镜头的光学设计和变焦运动机构的结构设计均具有较大难度,而变焦凸轮的优化是实现光学设计目标,进而最终实现变焦距镜头的关键所在。军用变焦距镜头的设计还必须考虑变焦运动的平滑性和变焦过程的快速性。文中主要讨论二可变组元机械补偿型变焦距镜头凸轮优化方法。

    2 主要技术要求

    根据实际应用需求,变焦距镜头的主要设计指标如下:

    (1) 质量:m[1500g;

    (2) 焦距24~120mm,全程变焦时间6s?1s;

    (3) 最大等效相对孔径1B4.0;

    (4) 光学传递函数:

 0视场:MTF.6(21 lp/mm)

 0.71视场:MTF.5(15 lp/mm);

    (5) 变焦过程中像面位移不大于?0.1mm;

    (6) 变焦过程中光轴位移不大于?0.12mm。

    3 变焦凸轮的优化

    图1为变焦距镜头的光学结构,该镜头采用负组变倍正组补偿的二可变组元机械补偿方案。单-双结构变倍组和单-单结构补偿组的移动位置一一对应,必须用一组复杂的凸轮机构来控制,理论上可实现所有焦距的像面都能保持一致。

    变焦距镜头的光学参数经光学设计优化确定后,必须计算一一对应的一系列凸轮数据点。凸轮数据的计算是精确加工机械凸轮的前提,其数据量需通过尝试确定。为保证凸轮的精确性和变焦运动的平滑性、快速性,要求凸轮线步长在0.02~0.05mm,同时,两组凸轮曲线的升角应尽量小而且平衡。

    凸轮计算有多种方式,但在CODE VoR光学设计软件中都要求进行Macro-PLUS宏语言编程。下面给出凸轮优化过程中所编制的部分宏程序。利用该程序即可用CODE V光学设计软件实现二可变组元连续变焦距镜头的凸轮优化。

    ! Record the original parameters to be kept

    ^eflmin==(efl z1);^eflmax==(efl z^nz);

    ^oala==(oal s1..i z1)

    for ^i 1 ^numpoint

    ^efls(^i)==(^i-1)*(^eflmax-^eflmin)/

    (^numpoint-1)+^eflmin

    end for

    ! Dezoom lens to the desired position,

    and Freeze all the variables

    dez 1;

    frz sa