滑动摩擦式变焦距镜头结构误差分析

    1 引言

    变焦镜头是利用系统中两个或者是两个以上透镜组的移动,改变系统的组合焦距,同时保持最后像面不变,使系统在变焦过程中获得连续清晰像的镜头[1]。连续变焦的变焦距镜头从性能和变焦运动性质上可分两大类,即滑动摩擦结构和滚动摩擦结构。表1为常用两种结构性能的对比。

    然而,我们不难发现滑动摩擦结构较滚动摩擦结构有更广阔的发展空间;而滑动摩擦式变焦距结构的误差成为日益关注的焦点。

    2 工作原理

    滑动摩擦结构在实践中逐渐成熟,加工工艺也日趋完善。若想尽量解决整个系统中所遇到的问题,首先要了解该结构对装配工艺对精度的影响。滑动摩擦变焦距镜头结构的变焦运动方式是,变倍、补偿滑架部件在主体内做滑动摩擦。导程方式为电机齿轮带动凸轮在主体上转动,导向钉连接的滑架沿凸轮曲线槽做直线运动。平直空间运动限制方式为滑架以轴孔配合方式的轴向往复直线运动,孔与轴间隙配合,限制四个方向的自由度,导向钉亦在主体直槽内滑动,限制周向的一个方向自由度。光学系统构成为主体前端连接前物镜组,后端连接后固定组件。当变倍滑架直线运动时,滑架距前物镜越近放大倍数越小;滑架距前物镜越远放大倍数越大。补偿滑架是把不同焦距的每一个像点都补偿到后镜组上。后镜组只为拉长后节距,使像点落在CCD上。

    通过图1的检测,变焦距在机械装配后的精度在理论上,变倍镜组和补偿镜组在变焦过程中直线度晃动精度、各镜组像理论上的点称等效节点J、沿光轴方向移动vX(物镜允许的沿轴安装误差)、垂直光轴方向移动vY(像点的位移量)[2]。在镜头变焦过程中,沿轴安装误差vX,一般为返向误差;像点的位移量vY,一般为直线度误差,也就是机械装配后的动态变焦检测即晃动精度等指标。

    在变倍过程中实现像面的稳定,变倍组和补偿组的移动必须满足公式(1)的函数关系:

    式中:f'b—变倍组元的焦距;

     f'c—补偿组元的焦距;

    Bb、Bc—变倍、补偿组元的初始倍率;

    Bbi、Bci—倍过程中任一位置变倍、补偿组元的倍率;

    c—常量。[3]

    3 实验过程及误差分析

    3.1 实验过程

     滑动摩擦变焦距镜头的技术要求:焦距: 15~300mm (即变倍比g= 20);鉴别率: 240 lp/mm;像方视角:1.5b~22b;相对孔径:

    通过表2的实验数据表明,光学系统鉴别率越高的变焦距镜头像质越好。