苗健宇，張立平，翟 巖，梅 貴

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春130033)

1 引言

變焦相機(jī)是指光學(xué)鏡頭的焦距在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，而像面位置保持不變的相機(jī)。隨著圖像處理、數(shù)字控制，以及精密加工技術(shù)的不斷發(fā)展和提高，變焦相機(jī)在各種領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)外專家都致力于設(shè)計(jì)與研究體積小、控制靈活、精度高的變焦距光學(xué)系統(tǒng)［1-4］。

連續(xù)變焦距光學(xué)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、加工、裝調(diào)上比定焦光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜、難度大，但其可實(shí)現(xiàn)對近距離目標(biāo)的快速捕獲，以及對遠(yuǎn)距離目標(biāo)的精確跟蹤與測量［5-6］。本文介紹了一種可用于導(dǎo)引頭的連續(xù)五倍變焦相機(jī)，由于相機(jī)安裝空間有限，相機(jī)必須實(shí)現(xiàn)小型化和輕量化的設(shè)計(jì)目標(biāo)，即必須嚴(yán)格控制相機(jī)的體積和重量。

2 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)變焦相機(jī)的實(shí)際應(yīng)用要求，鏡頭的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如下:

(1)焦距f':30～150 mm，五倍連續(xù)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(jī)整體尺寸要求:安裝在Φ 60 mm×200 mm的空間內(nèi);

(5)相機(jī)質(zhì)量:≤1 000 g。

變焦相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示。此光學(xué)系統(tǒng)采用機(jī)械補(bǔ)償法，為四組元件連續(xù)變焦系統(tǒng)，包括前固定透鏡組、變倍透鏡組、補(bǔ)償透鏡組和后固定透鏡組4個(gè)光學(xué)透鏡組。機(jī)械補(bǔ)償法是變倍透鏡組做線性移動(dòng)以改變焦距，補(bǔ)償透鏡組作少量移動(dòng)以補(bǔ)償像面位移。補(bǔ)償透鏡組的移動(dòng)與變倍透鏡組的移動(dòng)方向不同且不等速，但它們的相對運(yùn)動(dòng)卻有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，變倍組和補(bǔ)償組之間通過一個(gè)復(fù)雜的凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)相對運(yùn)動(dòng)，此類變焦相機(jī)的焦距在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變［7-8］。

圖1 變焦相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)Fig.1 Optical system diagram of zoom camera

光學(xué)系統(tǒng)采用正組補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式，保證相機(jī)的質(zhì)心位于中心位置;盡量縮短變倍透鏡組和補(bǔ)償透鏡組的焦距，減小了導(dǎo)程和補(bǔ)償量，降低了后固定組的入射光線高度。同時(shí)，后工作距離縮短到34 mm，實(shí)現(xiàn)了變焦相機(jī)的小型化設(shè)計(jì)。

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(jī)結(jié)構(gòu)

變焦相機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由前固定組、變倍組、補(bǔ)償組、后固定組、主體、凸輪、CMOS傳感器、電機(jī)和相機(jī)安裝過渡件等部分組成。

變倍透鏡組和補(bǔ)償透鏡組通過各自的滑架部件在主體內(nèi)做滑動(dòng)，電機(jī)上的齒輪帶動(dòng)凸輪在主體上轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)釘連接的滑架沿凸輪上的曲線槽做直線運(yùn)動(dòng)［9-11］?；芤暂S孔配合方式的軸向往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，孔與軸間隙配合，限制4個(gè)方向的自由度;導(dǎo)釘也在主體直槽內(nèi)滑動(dòng)，限制周向的一個(gè)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(dāng)變倍透鏡組隨滑架直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑架距前固定組物鏡越近相機(jī)的放大倍數(shù)越小，反之，滑架距前固定組物鏡越遠(yuǎn)相機(jī)的放大倍數(shù)越大。補(bǔ)償透鏡組隨滑架是把不同焦距的每一個(gè)像點(diǎn)都補(bǔ)償?shù)胶蠊潭ㄍ哥R組上;后固定透鏡組只為拉長光學(xué)系統(tǒng)的后節(jié)距，以使像點(diǎn)落在CCD像面上。相機(jī)由長焦到短焦的變換時(shí)間設(shè)計(jì)為3 s;相機(jī)的外輪廓尺寸為195 mm×60 mm×55 mm，滿足相機(jī)安裝空間的要求。

圖2 變焦相機(jī)結(jié)構(gòu)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(xué)設(shè)計(jì)理論計(jì)算出變倍透鏡組凸輪槽曲線與補(bǔ)償透鏡組凸輪槽曲線的對應(yīng)關(guān)系，由加工中心仿形加工出曲線槽;相機(jī)由長焦變到短焦，變倍透鏡組運(yùn)動(dòng)的軸線距離，即最大導(dǎo)程為20.39 mm，相應(yīng)的補(bǔ)償透鏡組運(yùn)動(dòng)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(zhì)量的因素有變倍透鏡組和補(bǔ)償透鏡組在連續(xù)變焦過程中直線度晃動(dòng)精度，和各透鏡組的像在理論上的點(diǎn)(稱等效節(jié)點(diǎn)J)沿光軸方向移動(dòng)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(dòng)ΔY(像點(diǎn)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(diǎn)的位移量ΔY，一般為直線度誤差，也就是結(jié)構(gòu)裝配后的動(dòng)態(tài)變焦檢測，即晃動(dòng)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(jī)連續(xù)變焦過程中為保證像面的穩(wěn)定性，變倍透鏡組和補(bǔ)償透鏡組的相互滑動(dòng)必須滿足式(1)的函數(shù)關(guān)系。

式中:f'b為變倍透鏡組的焦距，f'c為補(bǔ)償透鏡組的焦距，βb為變倍透鏡組的初始倍率，βc為補(bǔ)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(bǔ)償透鏡組的倍率，c為常量。

本文結(jié)合變焦相機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對鏡頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工，以及后期裝調(diào)過程中需要控制的精度問題進(jìn)行闡述，對于影響變焦相機(jī)最終成像質(zhì)量的各種復(fù)雜因素的精度分析請參閱其它文獻(xiàn)資料。

4.1 凸輪曲線槽與滾子的配合間隙

對于像質(zhì)要求高的鏡頭應(yīng)盡可能提高齒輪精度以減小電機(jī)齒輪與凸輪上齒輪間的傳動(dòng)誤差。目前齒輪加工制造水平較高，齒輪傳動(dòng)引起的空回誤差對變焦鏡頭焦距的影響可以忽略不計(jì)，因此只需要選擇合適的齒輪配合精度。隨著數(shù)控機(jī)床的蓬勃發(fā)展，凸輪曲線槽的加工誤差幾乎為零，也可忽略不計(jì)，但凸輪曲線槽寬與導(dǎo)釘?shù)呐浜暇缺仨殗?yán)格控制，其引起的誤差可使變倍透鏡組和補(bǔ)償透鏡組在主體內(nèi)的滑動(dòng)不按照設(shè)計(jì)要求軌跡沿光軸方向運(yùn)動(dòng)，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(yīng)修整凸輪槽的等寬，就數(shù)控機(jī)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(huì)在凸輪槽內(nèi)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(nèi)壁進(jìn)行修整，進(jìn)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(dǎo)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(yùn)動(dòng)才會(huì)平穩(wěn)。二硫化鉬作為一種新型材料已被廣泛應(yīng)用到有類似需求的結(jié)構(gòu)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(jìn)行配做，二者的配合間隙決定了系統(tǒng)光軸在長短焦變換過程中的重復(fù)精度和焦深的大小，因此二者的間隙一般選取為6～9 μm;導(dǎo)釘與滾子之間的配合一般選取過盈配合，即滾子不繞導(dǎo)釘轉(zhuǎn)動(dòng);配合間隙的選取因相機(jī)使用環(huán)境或是精度需求不同而不同，當(dāng)間隙過大時(shí)，相機(jī)長短焦變換過程中系統(tǒng)的像面將沿光軸竄動(dòng)，造成像面不一致;當(dāng)間隙過小時(shí)，若相機(jī)使用環(huán)境溫度過低，會(huì)出現(xiàn)卡滯或抱死現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(huì)造成加工過程中加工應(yīng)力釋放，裝卡時(shí)變形，以及加工過程中抖動(dòng)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(qiáng)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(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

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(nèi)滑動(dòng)過程中的角晃動(dòng)精度的返回空回誤差。所謂返回空回誤差就是在滑架運(yùn)動(dòng)到任意位置時(shí)，凸輪反向轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)釘帶動(dòng)滑架反向運(yùn)動(dòng)，滑架在運(yùn)動(dòng)前后，滑架上的基準(zhǔn)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(diào)來說是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其綜合體現(xiàn)了變倍組和補(bǔ)償組連續(xù)滑動(dòng)的精度信息，一般要求變倍滑架和補(bǔ)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(xù)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(yīng)在0.001～0.005 mm，以保證滑架彈性變形，并在主體內(nèi)自如滑動(dòng);當(dāng)滑架過盈裝入主體時(shí)，滑架支撐主體內(nèi)壁，增加主體內(nèi)壁的壓力，從而增大了摩擦，當(dāng)相機(jī)在低溫環(huán)境工作時(shí)容易抱死，因此應(yīng)該盡可能提高滑架外圓和主體內(nèi)壁光潔度，減小摩擦力，防止抱死現(xiàn)象;當(dāng)滑架在主體內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)且自身的剛度較小時(shí)，由于摩擦力的作用會(huì)使其產(chǎn)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(yīng)該小于1，即滑架的長度最少應(yīng)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(diào)時(shí)順利消除返回空回誤差。

5 相機(jī)檢測

圖5 變焦相機(jī)定像面Fig.5 Fixing CCD on the zoom lens

圖6 隨機(jī)振動(dòng)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(jī)裝調(diào)CMOS器件，定像面現(xiàn)場照片，相機(jī)整機(jī)質(zhì)量為0.71 kg。相機(jī)裝調(diào)結(jié)束后進(jìn)行3個(gè)方向的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，隨機(jī)振動(dòng)曲線如圖6所示，試驗(yàn)前、后相機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)穩(wěn)定，工作正常。試驗(yàn)后檢測相機(jī)的傳遞函數(shù)，在頻率為50 lp/mm時(shí)，取各焦距下相機(jī)光學(xué)傳遞函數(shù)的平均值大于0.2。變焦相機(jī)外場拍攝的照片，如圖7所示，圖像清晰，層次豐富。

6 結(jié)論

變焦相機(jī)采用五倍連續(xù)變焦距光學(xué)系統(tǒng)，由4個(gè)透鏡組構(gòu)成，外輪廓尺寸為195 mm×60 mm×55 mm。通過機(jī)械補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ赐馆?齒輪運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)變焦。前、后固定組安裝在主體的兩端，變倍和補(bǔ)償透鏡組通過滑架在主體內(nèi)滑動(dòng)，導(dǎo)釘安裝在凸輪曲線槽內(nèi)，導(dǎo)釘帶動(dòng)變倍和補(bǔ)償透鏡組滑架沿軸向運(yùn)動(dòng)，變倍和補(bǔ)償透鏡組按照理論設(shè)計(jì)軌跡運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)相機(jī)連續(xù)變焦。在加工和裝調(diào)過程中相機(jī)凸輪曲線槽與滾子的配合間隙應(yīng)控制在6～9 μm，注意主體的剛度和圓柱度，結(jié)構(gòu)裝調(diào)時(shí)應(yīng)保證變倍滑架和補(bǔ)償滑架的返回空回誤差小于2″，再轉(zhuǎn)入光學(xué)裝調(diào)?；苤睆紻與滑架長度L之間的比例值應(yīng)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(jī)質(zhì)量為0.71 kg，高、低溫，以及振動(dòng)試驗(yàn)后，相機(jī)的光學(xué)傳遞函數(shù)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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