连续变焦镜头凸轮曲线压力升角优化设计是镜头性能的重要影响因素。结合镜头中凸轮驱动结构形式及力学理论，分析了凸轮曲线的压力升角对系统传动力矩的影响; 结合机械加工误差以及压力升角模型，提出凸轮曲线优化约束条件及优化原则; 同时借助Gauss函数的平滑特性，实现凸轮曲线沿垂直于光轴方向非均匀展宽的优化方法，抑制凸轮曲线的最大升角。结合Gauss函数寻优处理对某光学设计获得的变焦凸轮曲线进行优化，在约束条件限制下保证曲线平滑性，凸轮曲线压力升角的范围由0°~39.01°优化到15°~31.16°，最大升角降低了20.12%。结果表明,该方法能够有效地应用于凸轮变焦系统设计以提高系统的性能。
光学变焦系统 连续变焦镜头 凸轮曲线 Gauss函数 optic zoom system continuous zoom lens cam curve Gauss function
1 福建师范大学光电与信息工程学院福建省光子技术重点实验室, 福建 福州 350007
2 福建师范大学光电与信息工程学院医学光电科学与技术教育部重点实验室, 福建 福州 350007
为满足机器视觉系统对可变倍双远心系统的需求,设计了一款可实现连续变倍的双远心镜头。该系统的放大倍率为-0.50×至-0.20×,物方视场可观测的直径范围为22~55 mm,可满足低畸变(各倍率段均小于 0.1%)、高分辨率(77.5 lp/mm处均大于 0.30)、高远心度(各倍率段均小于 0.1°)等设计要求,在使用过程中同时具有对物面、像面位移不敏感和可连续变倍检测的优点。重点介绍两种求解变倍凸轮曲线的方法,并进行相互验证,验证结果表明了凸轮曲线数据的准确性,这对变倍系统的后期生产加工具有重要作用。
光学设计 机器视觉 变倍双远心系统 凸轮曲线 激光与光电子学进展
2020, 57(5): 052201
中国科学院西安光学精密机械研究所, 西安 710119
以某三十倍连续变焦镜头为例，研究了改变曲线压力角的方法。以压力角为目标函数，将凸轮曲线转角构造为分段函数对转角重新划分，压力角过大位置分配较大转角，压缩压力角较小处的转角，从而降低曲线整体压力角，并可有效抑制曲线中较大拐点.利用Matlab进行仿真计算，对比多种转角分配取值的优化结果，得到相对优化的凸轮曲线.优化结果使得曲线最大压力角值由原始的76.9°降低为41.9°.经试验验证，利用该方法优化完的变焦镜头成像质量良好，光轴跳动不大于3个像素，光轴稳定性不大于1个像素.
大变倍比 连续变焦系统 凸轮曲线 优化设计 压力角 Large zoom ratio Continuous zoom system Cam curve Optimal design Pressure angle 光子学报
2019, 48(12): 1222002
吉林省计量科学研究院吉林省计量测试仪器与技术重点实验室, 吉林 长春 130103
在动态跟瞄系统中, 获得大小适中、清晰稳定的目标图像是对目标进行跟踪、瞄准的前提条件。为使调焦系统能够在动态跟瞄系统中平滑、灵活、快速地进行调焦, 系统采用凸轮调焦, 应用 MATLAB软件对凸轮曲线进行优化, 使系统的 MTF曲线在 50 lp时数值全部大于 0.6, 像差基本达到平衡, 成像图像清晰, 可满足实际应用要求。通过伺服电机带动调焦凸轮的结构, 使整体结构满足紧凑、轻量的要求, 调节精度为 ±1.1 μm。最终实现了对动态目标的跟踪、瞄准。
调焦系统 调焦凸轮 凸轮曲线 focusing system focusing cam cam curve
1 昆明理工大学机电工程学院, 云南昆明 650500
2 云南北方驰宏光电有限公司, 云南昆明 650217
随着制造技术的发展, 机械补偿式变焦镜头的使用也越来越广泛。光学系统变焦的精确性、平滑性和驱动力均衡性主要取决于变焦凸轮, 而变焦凸轮的压力角与凸轮外径、凸轮转角范围以及变倍组的运动规律有关。本文以某款红外连续变焦镜头为例, 不改变凸轮外径和凸轮转角范围, 对变倍组的运动规律进行优化设计, 并通过 ADAMS对优化后的模型进行运动学仿真。仿真结果表明: 该优化方法可以降低变焦凸轮在短焦段和长焦段的压力角, 消除变倍组等速运动时的刚性冲击。
红外镜头 连续变焦 凸轮曲线优化 运动学仿真 infrared lens continuous zoom cam curve optimization kinematics simulation
长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
在一些环境比较恶劣的情况下,需要密封使用的变倍望远镜,经常会将转像及变焦集成到目镜上,这样更有利于整体进行密封设计。因此设计了一种在可见光波段具有实像面转像变焦目镜的方案。通过对目镜初始结构的分析,高斯光学的计算,运用Zemax软件对选定结构进行优化设计,得到三组元4倍变焦目镜。目镜在变焦时入瞳的位置保持不变,出瞳位置的变化在3 mm之内。传递函数曲线、畸变和倍率色差均符合目视光学系统的设计要求。根据动态光学理论,用Matlab软件设计了凸轮曲线,使得变焦的过程中像面比较稳定,调焦平滑。虽然目镜结构略显复杂,但光学镜片均采用球面,降低了整体目镜的成本,而且便于加工装配。
光学设计 变焦目镜 三组元 凸轮曲线 激光与光电子学进展
2018, 55(3): 032201
1 上海电机学院工业技术中心，上海 201306
2 上海大学精密机械工程系，上海 200072
变焦镜头设计过程中，为了实现变焦镜头更好的变焦效果，需要设计出优良的变焦凸轮，而变焦凸轮曲线的设计是设计出好的变焦凸轮的关键，变焦凸轮曲线设计的好坏直接影响最终成像质量。首先通过对投影灯镜头系统划分为五组元变焦结构，在CODE V 中将所得镜头材料转成SCHOOT 材料，并在CODE V 中把变焦过程设置成9 重结构的方式，然后运行五组元变焦宏程序后，得到五组元变焦镜头的变焦数据，最后利用AUTOCAD 软件的多线PL 命令最终作出变焦镜头凸轮曲线图。所得凸轮曲线既要保证凸轮有较小的压力角，还要有一定的锁紧力。
凸轮曲线 五组元 变焦镜头 cam curve five components zoom lens
1 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
2 中国科学院大学, 北京 100049
变焦距光学系统在校正像差的同时还必须满足像面稳定的要求, 补偿或消除由于光学系统中各组元的运动所造成的像相对接收器的偏移。利用动态光学稳像原理, 推导变焦距光学系统的稳像方程, 建立变焦距光学系统的数学模型, 设计光学系统的凸轮曲线。给出了变焦距物镜的动态分析过程, 利用光学设计软件CODE V最终得到了一个变倍倍率为8.15×, 焦距范围为27 mm~220 mm的变焦距物镜, 光学系统F#数为固定值4.2, 视场为4.12°~33.56°。给出了凸轮曲线的计算方法及CODE V成像质量分析结果和MTF等。
动态光学 稳像方程 凸轮曲线 变焦距物镜 dynamic optical system image stabilization equation cam curve zoom lenses
后组调焦高清变焦镜头适用于前端口径较小、近距离成像要求较高及光路需要偏折的场合。近摄时,后组调焦方式获得的成像质量比用前组调焦方法更好,焦距小于50 mm时,近摄距可达0.35 m,不需要加近摄镜(前组调焦要加近摄镜),可以兼顾远近距离的高清成像要求。由于后组调焦高清变焦镜头物距与后截距的关系不是线性关系,调焦组的移动在不同焦距段的不同物距时对应不同的特征曲线,差异较大。为使调焦灵敏度处在一个合理区间,后组调焦位移不能采用通常使用的线性关系,需设计一条能覆盖这些特征曲线的非线性凸轮,因而根据其原理与结构进行了分析与设计。
成像系统 变焦镜头 后组调焦 凸轮曲线 imaging system zoom lens rear group focusing cam curve
