沉筒式数码相机变焦镜头结构仿真分析

   200万像素以上的数码相机变焦镜头大多具有3倍光学变焦功能.多款相机是建立在相同的变焦镜头平台开发的,其变焦镜头的光学系统与机械结构是完全相同的,对开发成功的变焦镜头重复使用,可以缩短产品的开发周期,减少成本.

    作者对6.35 mm((1/4)″)CCD、200万像素、3倍光学变焦数码相机的非球面光学系统、沉筒式镜筒结构进行了仿真设计,建立了筒型凸轮的压力角公式.

    1　光学系统设计

    由于数码相机物镜比传统的照相机物镜体积小,成像质量高,因此很多数码相机物镜都采用了非球面技术.

    光学系统采用上反摄远型.由于反摄远型系统的特点是其后工作距离比一般系统的物镜大得多,可以满足较长工作距离的要求,同时它的轴外光线通过前组负透镜发散后,可以减小后面透镜的视场角,因此容易在较大的视场内获得良好的成像质量.

    本设计的前固定组焦距14.92 mm,变倍组的焦距-13.48 mm,后固定组的焦距12.53 mm,系统焦距14.92～5. 56mm(光学系统仿真见图1所示).在变焦的过程中,相对孔径不变,F 1∶4,CCD尺寸6.35 mm.

    系统中采用了3个非球面,分别位于第2,第7和第12面处,利用光学设计软件ZEMAX进行了像差优化设计.在设计中,利用多重结构的功能实现变焦,分别控制前固定组、变倍组、后固定组的焦距及在每个结构下的最佳像面位置,对每个结构寻找最佳像面,使各结构下的最佳像面保持一致.像差优化时,对每个结构设置评价函数和边界条件,同时对每个结构进行像差优化,直到达到最优极小值. CCD像素大小为0.008 mm,保证其特征频率为62.5 lp/mm.

    2　基本结构设计

    2.1　变焦镜头的基本结构

    根据光学系统设计,变焦镜头的基本结构是由变焦单元、补偿单元和微距单元组成,变焦结构采用沉筒式结构.变焦单元筒凸轮和补偿单元筒凸轮按设计规律作伸缩运动,完成变焦功能.微距单元筒凸轮用作相机拍摄微距景物时的附加单元,其调节运动同时兼作对焦时的微量移动.这些运动单元筒凸轮的运动均利用数码相机的嵌入式软件,由控制微型伺服电机和齿轮传动机构驱动.其中变焦单元和补偿单元的运动互相关联,通常用同一个微型伺服电机带动;而微距单元(兼作对焦)的运动是独立的,用另外一个微型伺服电机带动.

    为了使相机在不工作时尺寸最小,镜头将收缩到最短位置.根据变倍范围不同,镜头的镜筒分为2～3节可伸缩的镜筒凸轮.这些伸缩镜筒除了带动镜组沿光轴运动而收缩外,镜筒自身还要绕光轴作旋转运动.