一种高精度调焦机构设计

    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，调焦机构组件主要用于在目标的距离或者环境温度发生变化时，调整目标的像面位置，保证变焦距镜头的图像清晰。否则离焦会降低目标的清晰度，影响跟踪和测量的效果［1］。本文介绍了一套高精度调焦机构，由步进电机、直线导轨、电位计等组成，由距离信息与温度传感器测量得到的温度信息，通过接口电路送入调焦控制器并计算出调焦量。摄像机由步进电机驱动，通过齿轮变速和精密丝杠速比变换机构，带动摄像机前后移动来进行距离调焦和温度调焦。通过调焦控制电路驱动步进电运行，从而实现自动调焦，保证在像面上始终得到清晰的目标图像。

    1 调焦机构的原理和组成

    如图 1 所示。调焦系统调整放置在望远镜光路中的摄像机，移动摄像机改变镜头的像面位置。摄像机的移动量，是根据机下计算机发出的距离信息，由DSP模块控制。自动调焦系统利用电位计作为检测元件，电位计将位移变化转换成电压信号，电压信号的大小对应移动的距离。根据牛顿公式，计算像面位置误差，如果误差不等于零，DSP控制步进电机带动摄象机移动，同时也带动电位计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［2，3］。

    调焦组件采用丝杠导轨机构，主要由精密丝杠螺母副、THK导轨、滑板、减速箱、电位计、步进电机等组成，如图 2 所示。

    由步进电机通过减速箱驱动精密丝杠螺母副转动，带动滑板前后移动，滑板依靠 THK 高精度导轨保证前后移动的直线性，摄像机和滑板连接在一起移动，通过电位计的转动反馈摄像机的移动量，从而保证系统的调焦精度。

    2 调焦机构的计算

    2.1 调焦机构的像面移动分辨力计算

    步进电机转一圈所走的步数为 360/0.9=400步，螺旋传动螺距选用 0.5mm，因此步进电机每转一步，镜头移动 0.5mm/400 步=0.00125mm；

    步进电机与螺旋丝杆之间用齿轮传动，选用的齿轮模数为 0.5，齿轮的厚度为 3mm，由步进电机到螺旋丝杆的速比为 36 : 1。

    像面移动分辨力为：0.00125/36=0.035 m。

    由于受机构爬行等因素的影响，实际分辨力要略大于 0.035 m，能满足像面的调整要求。

    2.2 调焦机构的电位计分辨力计算

    由于螺旋丝杠的螺距选用 0.5mm，所以 2mm的传动范围内丝杠也将转动 4 圈。