Diseño óptimo de cámara para lentes con zoom

El rápido desarrollo de la tecnología de fabricación y diseño óptico, la tecnología de fabricación de maquinaria de precisión, la tecnología de fabricación CCD y la tecnología electrónica, combinados con la variabilidad del campo de visión (distancia focal) de la lente con zoom, hace que la lente con zoom se utilice cada vez más. .

En la actualidad, la lente de zoom generalmente adopta una estructura óptica de compensación mecánica y el número de componentes variables es principalmente de dos grupos o más. El diseño óptico de la lente de zoom y el diseño estructural del mecanismo de movimiento del zoom son ambos difíciles.

La optimización de la cámara con zoom es la clave para lograr el objetivo del diseño óptico y, finalmente, la realización de la lente con zoom. El diseño del objetivo zoom militar también debe considerar la suavidad del movimiento del zoom y la velocidad del proceso del zoom. Este artículo analiza principalmente el método de optimización de la cámara de lente con zoom del tipo de compensación mecánica de dos elementos variables.

Principales requisitos técnicos

Según los requisitos de la aplicación real, los principales indicadores de diseño del objetivo zoom son los siguientes:

(1) Masa: m≤1500g;

(2) La distancia focal es de 24～120ram, el tiempo total de zoom es de 6s±1s;

(3) La apertura relativa máxima equivalente es 1:4,0;

(4) Función de transferencia óptica:

0 Campo de visión: MTF≥0,6 (21 lp/mm)

campo de visión de 0,71: MTF≥0,5 (15 lp/mm);

(5) El desplazamiento del plano de la imagen durante el zoom no es superior a ±0,1 mm;

(6) El desplazamiento del eje óptico durante el zoom no es superior a ±0,12 mm.

Optimización de la cámara de zoom.

La Figura 1 muestra la estructura óptica de una lente de zoom. La lente adopta un esquema de compensación mecánica de dos componentes variables con aumento variable de grupo negativo y compensación de grupo positivo.

El grupo de zoom de estructura simple y doble y el grupo de compensación de estructura simple y simple tienen una correspondencia uno a uno entre las posiciones móviles y deben controlarse mediante un complejo mecanismo de leva. En teoría, los planos de imagen de todas las distancias focales pueden mantenerse consistentes.

Una vez optimizados y determinados por el diseño óptico los parámetros ópticos de la lente de zoom, se debe calcular una serie de puntos de datos de leva correspondientes entre sí. El cálculo de los datos de las levas es la condición previa para el mecanizado preciso de levas mecánicas. La cantidad de datos debe determinarse mediante prueba.

Para garantizar la precisión de la leva y la suavidad y rapidez del movimiento del zoom, se requiere que la longitud del paso de la línea de la leva esté entre 002 y 0,05 mm. Al mismo tiempo, el ángulo de elevación de los dos conjuntos de curvas de leva debe ser lo más pequeño posible y equilibrado.

Hay muchas formas de cálculo de levas, pero se requiere programación en lenguaje de macros Macro-PIUS en el software de diseño óptico CODE V. La parte del programa macro compilada durante el proceso de optimización de la cámara se detalla a continuación. Con este programa, el software de diseño óptico CODE V se puede utilizar para realizar la optimización de la cámara de una lente de zoom continuo de dos elementos variables.

Utilizando el cuerpo principal del programa, los tres tipos de cámaras se optimizan y comparan para la lente de zoom continuo desarrollada.

(1) El ángulo de la leva tiene una relación lineal con la distancia focal.

La Figura 2 es un diagrama esquemático del resultado de optimizar la curva de la leva en una relación lineal entre el ángulo de rotación de la leva y el cambio de distancia focal. La leva diseñada tiene un ángulo de elevación pequeño en las distancias focales media y larga, pero el ángulo de elevación local en el rango de 15 mm en el extremo de la distancia focal corta es grande, hasta 67°, la leva es difícil de manejar y el par de conducción está desequilibrado, por lo que este método de optimización no es factible.

(2) El ángulo de la leva tiene una relación lineal con el intervalo variable.

La figura 3 es un diagrama esquemático del resultado de optimizar la curva de leva en una relación lineal entre el ángulo de rotación de la leva y el intervalo de aire variable. La leva diseñada tiene ángulos de elevación aceptables en las distancias focales media y corta, pero el ángulo de elevación local en el rango de 20 mm de la distancia focal larga es mayor, hasta 56°, lo que no favorece el accionamiento de la leva ni el equilibrio dinámico del par. Este método no es aconsejable.

(3) Cámara de zoom híbrida optimizada

Combinando las ventajas de los dos métodos de optimización de levas lineales que se muestran en la Figura 2 y la Figura 3 en el diseño, la leva se usa para procesamiento híbrido, la distancia focal corta y la distancia focal media se usan para procesamiento de cambio lineal de intervalo variable, y la longitud focal larga La distancia focal se utiliza para el procesamiento de cambios lineales de distancia focal.

Después de intentarlo, se obtuvo una leva híbrida como se muestra en la Figura 4. El ángulo de elevación total de la leva pasiva es inferior a 38° y el ángulo de elevación máximo local de la leva de acción es de 39°. Los ángulos de elevación de las dos levas coinciden bien, el movimiento de las levas es suave en todo momento y el par motor está equilibrado, por lo que se adopta este método de optimización.

En el proceso de optimización de los tres tipos de levas anteriores, las dos curvas de leva se basan en una superficie común específica y su dibujo se realiza automáticamente ejecutando el programa macro Macro-PLUS de fabricación propia a través de la función de opción UGR de CODEV.

La longitud de rotación está determinada por el diámetro esperado y el ángulo de rotación esperado de la leva. Dado que la longitud axial del grupo de zoom y del grupo de compensación del sistema es muy corta, la estructura mecánica del grupo de zoom y del grupo de compensación tiene un diámetro relativamente grande.

Para garantizar la suavidad del movimiento del zoom, la leva adopta el método de "doble accionamiento de diámetro" para impulsar el movimiento del grupo de zoom y el grupo de compensación. Por lo tanto, después de considerar la resistencia de los componentes mecánicos de la leva, se adopta un ángulo de rotación de la leva previsto de 160°.

El resultado de la cámara híbrida optimizada de la Fig. 4 se ha aplicado prácticamente en los dos conjuntos de lentes con zoom que se han desarrollado. Pruebas como inspección óptica, vibración, temperatura alta y baja y uso real muestran que el diseño óptico y la optimización de la cámara de la lente zoom son exitosos.

La ejecución de prueba del programa macro Macro-PLUS compilado por mí mismo para diferentes puntos de datos de levas y diferentes diseños ópticos de dos componentes muestra que el procedimiento y el método de control del programa son completamente adecuados para el diseño de optimización de levas de otros dos componentes compensados mecánicamente. lentes de zoom.

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Autores: Junhe Meng, Zhen Zhang, Xingwen Sun (Instituto de Física Técnica de Tianjin, Tianjin 300192)

Fuente de la revista: vol. 31 No.1, Ingeniería láser e infrarroja, febrero de 2002

Fecha de recepción: 2001-05-23 Fecha de revisión: 2001-10-12

Sobre el autor: Junhe Meng (1963-), hombre, nativo de Tianjin, investigador, tutor de maestría, se dedica principalmente a la investigación de diseño óptico y ha publicado más de 10 artículos.

Referencias:

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