红外连续变焦镜头

红外连续变焦镜头

一、基本原理

利用光学系统中两个或两个以上透镜组的移动，改变光学系统的组合焦距，同时保持像面位置不动，且在变焦过程中像质始终保持良好。

二、光学系统

机械补偿变焦系统：各运动组元按不同的运动规律作相对复杂的对应移动，最终达到防止像面移动的目的。机械补偿法变焦镜头：一组透镜做线性移动(通称变倍组)以改变焦距，另一组透镜(通称补偿组)作少量非线性移动以补偿像面位移，来达到光学系统既变倍而像面位置又稳定的要求。变倍组一般是负透镜组,补偿组有取正透镜组,也有取负透镜组的。补偿透镜组的移动与变倍透镜组的移动方向不同且不等速，但它们的相对运动却有严格的对应关系，各透镜组通过一个复杂的凸轮机构实现相对运动。这类变焦距镜头的焦距在一定范围内连续改变。

三、光学结构

机械补偿变焦距镜头，其光学结构由前固定组，变倍组，补偿组，后固定组组成。

1、前固定组：其作用是给系统提供固定的像；

2、变倍组：担负着系统的变倍作用，做线性移动以改变焦距；

3、补偿组：按一定的曲线轨迹作非线性运动，以补偿变倍组在变倍过程中所产生的像面移动；

4、后固定组：用于将补偿组的像转化为系统的最后实像，并调整系统的合成焦距值、设备孔径光阑，保证在变焦运动中系统的相对孔径不变。

四、连续变焦机构

主要由电机、齿轮、变倍凸轮、限位装置、导向销、变倍组、补偿组、导向机构等组成，其中，导向机构和变倍凸轮设计是连续变焦机构的核心技术。工作原理为：当产品需要进行变焦时，由控制系统发给电机变倍信号，电机驱动齿轮，由齿轮带动变倍凸轮进行运动，此时，变倍组和补偿组通过导向销在满足函数关系的两条凸轮槽中进行运动，实现变倍组和补偿组直线运动，当变倍组和补偿组移动到两个极限位置时，通过压力开关来控制驱动电机的工作。精密电位计在齿轮的驱动下随变倍凸轮一起转动，电位计随着变倍凸轮转角的不同输出不同的电压，通过对电压值的换算可以得到系统的对应焦距。

1、变倍组导向机构

（1）一根光杠导轨和滚珠丝杠组合机构。这种结构精度较高，由于变倍和补偿同时移动的轨迹不同，需要两套导向驱动机构，占用较大空间，控制系统设计也有难度。

（2）两根圆柱导轨滑动机构。由于滑动部件为两根圆柱导轨，这种结构变倍精度高，承载的负荷也比第一种大。但是由于是超定位结构，光学通光口径太大，容易产生机构卡死现象，机构的径向尺寸也较大。一般适用通光口径30—80 mm的结构。

（3）三根圆柱导轨滑动机构。这种结构的优点是运动舒适、平

稳，不容易产生卡死现象，可以带动通光口径较大的光学组件。缺点是运动精度较前两种低，一般适用通光口径50—120mm 的结构。

2、变倍凸轮设计

凸轮机构功能：实现由电机旋转运动转化为变倍、补偿镜组沿光轴方向平移运动的执行机构。 在变倍凸轮设计时应注意导向销和凸轮槽的摩擦系数与自锁角密切相关，摩擦系数越大，自锁角越小，凸轮槽倾斜得也越平坦，对凸轮槽的曲线设计显得尤为重要。

为了在变倍过程中始终保持良好的像质，变倍组和补偿组的移动必须满足一定的函数关系。由几何光学理论可知两者必须符合如下方程式：

11110c c ci b b bi c ci b bi f f ββββββββ⎛⎫⎛⎫+--++--= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭

式中：b f 为变倍组元的焦距；c f 为补偿组元焦距；b c ββ、分别为初始位置时变倍组元、补偿组元的垂轴放大率(可以是任意初始位置，如长焦距状态或者短焦距位置)；bi ci ββ、分别为变倍过程中新位置变倍组元、补偿组元的垂轴放大率。

如果变倍组的位移量为x ，补偿组的位移量为y ，且规定向右移动为正值，向左移动为负值。其表达式为：

()()

1/1/b b bi c ci c x f y f ββββ⎧=-⎪⎨=-⎪⎩ 为保证凸轮的精确性和变焦运动的平滑性、快速性，要求凸轮线步长在0.02~0.05mm ，同时，两组凸轮曲线的升角应尽量小而且平衡。