小型連續變焦相機的結構實現

苗健宇，張立平，翟 巖，梅 貴

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033)

1 引言

變焦相機是指光學鏡頭的焦距在一定范圍內連續可調，而像面位置保持不變的相機。隨著圖像處理、數字控制，以及精密加工技術的不斷發展和提高，變焦相機在各種領域得到了廣泛的應用，國內外專家都致力于設計與研究體積小、控制靈活、精度高的變焦距光學系統［1-4］。

連續變焦距光學系統在設計、加工、裝調上比定焦光學系統復雜、難度大，但其可實現對近距離目標的快速捕獲，以及對遠距離目標的精確跟蹤與測量［5-6］。本文介紹了一種可用于導引頭的連續五倍變焦相機，由于相機安裝空間有限，相機必須實現小型化和輕量化的設計目標，即必須嚴格控制相機的體積和重量。

2 主要技術參數

根據變焦相機的實際應用要求，鏡頭的主要設計指標如下:

(1)焦距f':30～150 mm，五倍連續變焦;

(2)相對孔距D/f':1/4;

(3)光譜范圍:0.486 1 ～0.656 3 μm，中心波長 0.587 96 μm;

(4)相機整體尺寸要求:安裝在Φ 60 mm×200 mm的空間內;

(5)相機質量:≤1 000 g。

變焦相機的光學系統如圖1所示。此光學系統采用機械補償法，為四組元件連續變焦系統，包括前固定透鏡組、變倍透鏡組、補償透鏡組和后固定透鏡組4個光學透鏡組。機械補償法是變倍透鏡組做線性移動以改變焦距，補償透鏡組作少量移動以補償像面位移。補償透鏡組的移動與變倍透鏡組的移動方向不同且不等速，但它們的相對運動卻有嚴格的對應關系，變倍組和補償組之間通過一個復雜的凸輪機構實現相對運動，此類變焦相機的焦距在一定范圍內連續改變［7-8］。

圖1 變焦相機光學系統Fig.1 Optical system diagram of zoom camera

光學系統采用正組補償的結構形式，保證相機的質心位于中心位置;盡量縮短變倍透鏡組和補償透鏡組的焦距，減小了導程和補償量，降低了后固定組的入射光線高度。同時，后工作距離縮短到34 mm，實現了變焦相機的小型化設計。

When the mode passes through the IECF, neff will be different between the two orthogonal modes because of the birefringence effect. The difference can be expressed as

3 相機結構

變焦相機的結構如圖2所示，由前固定組、變倍組、補償組、后固定組、主體、凸輪、CMOS傳感器、電機和相機安裝過渡件等部分組成。

變倍透鏡組和補償透鏡組通過各自的滑架部件在主體內做滑動，電機上的齒輪帶動凸輪在主體上轉動，導釘連接的滑架沿凸輪上的曲線槽做直線運動［9-11］。滑架以軸孔配合方式的軸向往復直線運動，孔與軸間隙配合，限制4個方向的自由度;導釘也在主體直槽內滑動，限制周向的一個方向的自由度。主體前端連接前固定組，后端連接后固定組。當變倍透鏡組隨滑架直線運動時，滑架距前固定組物鏡越近相機的放大倍數越小，反之，滑架距前固定組物鏡越遠相機的放大倍數越大。補償透鏡組隨滑架是把不同焦距的每一個像點都補償到后固定透鏡組上;后固定透鏡組只為拉長光學系統的后節距，以使像點落在CCD像面上。相機由長焦到短焦的變換時間設計為3 s;相機的外輪廓尺寸為195 mm×60 mm×55 mm，滿足相機安裝空間的要求。

圖2 變焦相機結構Fig.2 Structure diagram of zoom camera

凸輪展開圖如圖3所示。凸輪的外徑為40 mm，壁厚為3 mm，材料為硬鋁合金，光學設計理論計算出變倍透鏡組凸輪槽曲線與補償透鏡組凸輪槽曲線的對應關系，由加工中心仿形加工出曲線槽;相機由長焦變到短焦，變倍透鏡組運動的軸線距離，即最大導程為20.39 mm，相應的補償透鏡組運動的軸線距離為13.1 mm。

圖3 凸輪展開圖Fig.3 Diagram of cam

4 精度保證措施

變焦距鏡頭的檢測裝置如圖4所示。

變焦距鏡頭裝配后，影響鏡頭質量的因素有變倍透鏡組和補償透鏡組在連續變焦過程中直線度晃動精度，和各透鏡組的像在理論上的點(稱等效節點J)沿光軸方向移動ΔX(物鏡允許沿光軸方向的安裝誤差)，以及垂直光軸方向移動ΔY(像點的位移量)。在鏡頭變焦過程中，沿光軸安裝誤差ΔX，一般為返向誤差;像點的位移量ΔY，一般為直線度誤差，也就是結構裝配后的動態變焦檢測，即晃動精度［12-13］。

圖4 變焦距鏡頭檢測示意圖Fig.4 Testing sketch map of zoom lens

在相機連續變焦過程中為保證像面的穩定性，變倍透鏡組和補償透鏡組的相互滑動必須滿足式(1)的函數關系。

式中:f'b為變倍透鏡組的焦距，f'c為補償透鏡組的焦距，βb為變倍透鏡組的初始倍率，βc為補償透鏡組的初始倍率，βbi為變焦過程中任一位置變倍透鏡組的倍率，βci為變焦過程中任一位置補償透鏡組的倍率，c為常量。

本文結合變焦相機的結構特點，對鏡頭結構設計、加工，以及后期裝調過程中需要控制的精度問題進行闡述，對于影響變焦相機最終成像質量的各種復雜因素的精度分析請參閱其它文獻資料。

4.1 凸輪曲線槽與滾子的配合間隙

對于像質要求高的鏡頭應盡可能提高齒輪精度以減小電機齒輪與凸輪上齒輪間的傳動誤差。目前齒輪加工制造水平較高，齒輪傳動引起的空回誤差對變焦鏡頭焦距的影響可以忽略不計，因此只需要選擇合適的齒輪配合精度。隨著數控機床的蓬勃發展，凸輪曲線槽的加工誤差幾乎為零，也可忽略不計，但凸輪曲線槽寬與導釘的配合精度必須嚴格控制，其引起的誤差可使變倍透鏡組和補償透鏡組在主體內的滑動不按照設計要求軌跡沿光軸方向運動，造成一定的位移，從而影響變焦距鏡頭像面的一致性［2，14］。首先，凸輪加工完成后應修整凸輪槽的等寬，就數控機床加工能力而言，已能夠保證等寬要求;但在利用金屬刀具銑削凸輪曲線過程中，會在凸輪槽內壁留下刀痕，主要措施是利用油石或是小型號砂紙對凸輪槽內壁進行修整，進一步提高光潔度，使凸輪槽更接近等寬;對凸輪槽寬度一致性要求一般為小于0.01 mm，表面粗糙度小于0.4 μm。其次，導釘上滾子材料的選擇尤為重要，既要耐磨，還需有一定的潤滑性，這樣變焦過程中運動才會平穩。二硫化鉬作為一種新型材料已被廣泛應用到有類似需求的結構件上，本文采用了二硫化鉬作為變焦距鏡頭滾子的材料。再次，凸輪槽等寬修整好后與二硫化鉬滾子進行配做，二者的配合間隙決定了系統光軸在長短焦變換過程中的重復精度和焦深的大小，因此二者的間隙一般選取為6～9 μm;導釘與滾子之間的配合一般選取過盈配合，即滾子不繞導釘轉動;配合間隙的選取因相機使用環境或是精度需求不同而不同，當間隙過大時，相機長短焦變換過程中系統的像面將沿光軸竄動，造成像面不一致;當間隙過小時，若相機使用環境溫度過低，會出現卡滯或抱死現象，因此最好在二硫化鉬滾子與凸輪槽之間留有合適的間隙。

4.2 主體的精度

主體是鏡頭的核心結構件，主要問題集中在主體的剛度和圓柱度。主體的剛度不好會造成加工過程中加工應力釋放，裝卡時變形，以及加工過程中抖動等問題;為提高主體的圓柱度必須重視車削過程中的切削量分配，并加強熱處理工藝，如果主體與滑架配合處圓柱度不好，變焦距鏡頭很難達到設計指標。

4.3 返回空回誤差

主體與滑架的配合間隙決定滑架在主體內滑動過程中的角晃動精度的返回空回誤差。所謂返回空回誤差就是在滑架運動到任意位置時，凸輪反向轉動，導釘帶動滑架反向運動，滑架在運動前后，滑架上的基準平面鏡的反射像的角度變化值。返回空回誤差的檢測對于變焦鏡頭裝調來說是非常重要的一個環節，其綜合體現了變倍組和補償組連續滑動的精度信息，一般要求變倍滑架和補償滑架的返回空回誤差小于2″，否則將直接影響鏡頭在連續變焦過程中像面的不一致性。

4.4 滑架直徑D與滑架長度L的比例

常溫下，滑架能夠直接裝入主體，兩者之間就是間隙配合，但間隙過大往往很難消除返回空回誤差的影響，因此一般選擇兩者之間為過盈配合，但過盈量要盡可能地小，一般應在0.001～0.005 mm，以保證滑架彈性變形，并在主體內自如滑動;當滑架過盈裝入主體時，滑架支撐主體內壁，增加主體內壁的壓力，從而增大了摩擦，當相機在低溫環境工作時容易抱死，因此應該盡可能提高滑架外圓和主體內壁光潔度，減小摩擦力，防止抱死現象;當滑架在主體內往復運動且自身的剛度較小時，由于摩擦力的作用會使其產生變形，而變形對返回空回誤差的影響非常大，因此建議滑架直徑D與滑架長度L之間的比值應該小于1，即滑架的長度最少應該與滑架的直徑相等，以提高滑架自身的剛度，保證鏡頭裝調時順利消除返回空回誤差。

5 相機檢測

圖5 變焦相機定像面Fig.5 Fixing CCD on the zoom lens

圖6 隨機振動曲線Fig.6 Curve of stochastic vibration

圖7 外場圖像Fig.7 Location images of camera

圖5為變焦相機裝調CMOS器件，定像面現場照片，相機整機質量為0.71 kg。相機裝調結束后進行3個方向的隨機振動試驗，隨機振動曲線如圖6所示，試驗前、后相機各項指標參數穩定，工作正常。試驗后檢測相機的傳遞函數，在頻率為50 lp/mm時，取各焦距下相機光學傳遞函數的平均值大于0.2。變焦相機外場拍攝的照片，如圖7所示，圖像清晰，層次豐富。

6 結論

變焦相機采用五倍連續變焦距光學系統，由4個透鏡組構成，外輪廓尺寸為195 mm×60 mm×55 mm。通過機械補償的方法，即凸輪-齒輪運動實現連續變焦。前、后固定組安裝在主體的兩端，變倍和補償透鏡組通過滑架在主體內滑動，導釘安裝在凸輪曲線槽內，導釘帶動變倍和補償透鏡組滑架沿軸向運動，變倍和補償透鏡組按照理論設計軌跡運動，實現相機連續變焦。在加工和裝調過程中相機凸輪曲線槽與滾子的配合間隙應控制在6～9 μm，注意主體的剛度和圓柱度，結構裝調時應保證變倍滑架和補償滑架的返回空回誤差小于2″，再轉入光學裝調。滑架直徑D與滑架長度L之間的比例值應該小于1，使滑架具有足夠的剛度，從而保證鏡頭像面的一致性。相機質量為0.71 kg，高、低溫，以及振動試驗后，相機的光學傳遞函數在50 lp/mm空間頻率下大于0.2，外景成像圖像清晰，層次分明。

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