2017, Vol. 39
Issue (1): 6-10
目前, 大多数视频监控变焦摄像镜头通常采用两种设计方式:1) 采用前组调焦, 第二、三组元变倍、补偿; 2) 采用第二、四组元变倍、补偿, 第二、四组元联动调焦。前者在观察1 m内的景物且位于长焦端时很难获得好的像质, 而且物距越短, 前组的口径越大; 后者则需要用事先设定的不同近摄距离的第二、四组元联动移动数据, 在较近距离时也较难获得好的像质[1]。
在核电核废料处理等高辐射监控区域, 为提高摄像机靶面抗中子流辐射的要求, 需设计较大的后组空气间隔供光束偏折, 并克服普通变焦镜头近摄距长、前端口径大的不足, 实现整机小型化, 从而在极近距离条件下, 获得较好的成像质量。为适应核电监控等特殊情况, 本方案采用与上述两种变焦形式完全不同的新型后组调焦结构, 近摄时获得的成像质量比用前组调焦方法更好。该方案的最大特点是物距为0.50 m、焦距为最长焦距时成像质量较好, 焦距小于50 mm时, 近摄距可达0.35 m, 不需要额外增加近摄镜 (前组调焦需要加近摄镜), 可以兼顾远近距离的高清成像要求, 而且镜头前端体积小, 可适应镜头物像转折, 光学系统后组空气间隔较长, 能满足监控区间的特殊要求[2-5]。
由于后组调焦变焦镜头的后截距位移在不同焦距段与不同近摄距时特征曲线的变化有很大不同, 因此, 调焦组元的移动方式成为镜头焦距检出的重要因素, 也是设计难点之一。
1 设计原理与分析图 1为后组调焦视频摄像高清变焦镜头原理示意图, 它与前组调焦变焦系统的不同之处在于前组为固定组, 通过第二、三组元变倍、补偿以实现变焦。由于前组是固定的, 当物距变化时, 在不同的焦距段后截距会随着物距的变化而变化, 为此, 需将系统中的第四组元拆分为第四、五组元, 第四组元为固定组, 第五组元为活动组, 通过对第五组元的移动实现调焦。
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图 1 后组调焦多焦点联动变焦光学原理 Figure 1 Principle of rear group focusing multi-focus linkage optical lens |
计算表明, 第五组元的位移量随前几组的焦距和主面位置不同而变化, 调焦过程中, 镜头前组的口径不变、镜头总长不变, 镜头的合焦距基本不变, 因调焦移动量比前组调焦小很多, 调焦过程中镜头的重心位置基本不变, 这对镜头的小型化及结构的可靠性是十分有利的。
如图 1所示, 后组调焦多焦点联动变焦近摄时调焦组元的位置关系满足
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(1) |
式中:d∞为物距为无穷远时后组 (第五组元) 至反射镜的距离; l′f为物距为无穷远时后组 (第五组元) 至成像面的距离; d′为物距为近距离时后组 (第五组元) 至反射镜的距离; l′为物距为近距离时后组 (第五组元) 至成像面的距离[6-9]。
由于物距与后截距之间不是线性关系, 后组元的移动在不同近摄距与不同焦距段时对应不同的特征曲线, 如图 2所示。图中横坐标为变焦镜头从短焦至长焦端的焦距值, 纵坐标为后调焦组的位移量, 单位均为mm, 曲线A、B、C、D、E、F、G分别为物距等于0.35、0.50、0.65、0.70、1.00、1.50、2.00 m时的特征曲线。
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图 2 后截距位移与不同焦距段、不同近摄距的关系曲线 Figure 2 Variation in rear cut-off distance displacement with focal length and photographic distance |
由图 2后截距位移量与不同焦距段、不同近摄距之间的关系曲线可以看出:远距离、短焦段时, 曲线变化平缓; 近距离、长焦段时, 曲线变化陡峭。如果简单地按照普通镜头的调焦机构设计为线性驱动, 则在远距离、短焦段时, 由于调焦量计算角偏小, 焦距检出困难[10-11]。为此, 后组调焦位移不能简单地设计成线性运动, 需设计一条能覆盖这些特征曲线的非线性凸轮, 使调焦组元按非线性驱动。
图 3、图 4分别为调焦凸轮机构及凸轮展开图, 设凸轮外半径为R, 凸轮转角为Φ, 导钉半径为r, x轴为展开凸轮圆周方向, y轴为导钉移动方向, 则
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图 3 凸轮机构 Figure 3 Cam structure |
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图 4 凸轮展开图 Figure 4 Cam expansion diagram |
实际曲线可表示为[12]
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将式 (2)、(3) 微分可得
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将式 (2)、(3)、(6)、(7) 分别代入式 (4)、(5), 可得到圆柱外半径为R时的凸轮曲线方程为
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式 (8) 中第一组加减号为外包络线, 式 (9) 中第二组减加号为内包络线。
式 (8)、(9) 为实际曲线方程, 若选定运动规律f(Φ), 给定转角, 可分别计算得到凸轮圆周上的实际曲线坐标, 计算出足够多的点并分别连接这些点形成样条曲线, 通过三维设计软件的XYZ构造曲线方法生成凸轮曲线。
由于整机外形尺寸及电机限制, 调焦凸轮外径不能大于47 mm, 现有电机齿轮外径不能小于10 mm, 由此, 调焦凸轮最大传动比为
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(10) |
式中:i为调焦齿轮与电机齿轮传动比; z2为调焦凸轮同步齿轮齿数; z1为电机齿轮齿数。
电机最小转角灵敏度大于等于27°, 按式 (10) 传动比计算, 调焦凸轮同步齿轮最小转角灵敏度大于等于5.3°, 也就是说, 要使焦距易于检出, 调焦凸轮计算角至少应大于其同步齿轮最小转角灵敏度。为了保证凸轮机构运转平稳、顺滑, 凸轮曲线上的最大许用压力角不能大于30°, 实际设计为3.7°, 远远小于最大许用压力角[13-15]。最后得到的凸轮曲线数据如表 1所示, 表中α为凸轮转角, Δ为凸轮轴向位移。图 5为调焦凸轮外形图。
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表 1 调焦凸轮曲线数据 Table 1 Parameters of focusing cam curves |
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图 5 调焦凸轮 Figure 5 Focusing cam |
后组调焦变焦镜头调焦移动的设计牵涉到调焦灵敏度, 直接关系到焦距检出问题。由于曲线采用非线性凸轮设计, 基本满足了后截距与不同焦段、不同近摄距之间的关系, 达到了较好的实际使用效果。后组调焦变焦镜头的不足之处在于变倍组和补偿组联动的同时, 后调焦组需随之移动, 但因用户使用的特殊性, 能满足其主要使用要求, 用户最终还是选择了此方案。经小批试制及用户使用后, 该方案受到用户的肯定, 并将进入批量生产。由于采用防中子穿透设计, 该方案也可用于农业核辐照育种及国防核设施等领域。
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