一种高精度调焦机构设计

2010-09-18林为才王晶

长春理工大学学报（自然科学版） 2010年4期

林为才，王晶

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033）

在现代光学镜头设计中，变焦距镜头是一个不可缺少的部分，为了实现对目标的连续跟踪捕获，镜头焦距必须实时进行调整，而实现变焦的关键在于调焦机构，调焦机构组件主要用于在目标的距离或者环境温度发生变化时，调整目标的像面位置，保证变焦距镜头的图像清晰。否则离焦会降低目标的清晰度，影响跟踪和测量的效果［1］。本文介绍了一套高精度调焦机构，由步进电机、直线导轨、电位计等组成，由距离信息与温度传感器测量得到的温度信息，通过接口电路送入调焦控制器并计算出调焦量。摄像机由步进电机驱动，通过齿轮变速和精密丝杠速比变换机构，带动摄像机前后移动来进行距离调焦和温度调焦。通过调焦控制电路驱动步进电机运行，从而实现自动调焦，保证在像面上始终得到清晰的目标图像。

1 调焦机构的原理和组成

如图1所示。调焦系统调整放置在望远镜光路中的摄像机，移动摄像机改变镜头的像面位置。摄像机的移动量，是根据机下计算机发出的距离信息，由DSP模块控制。自动调焦系统利用电位计作为检测元件，电位计将位移变化转换成电压信号，电压信号的大小对应移动的距离。根据牛顿公式，计算像面位置误差，如果误差不等于零，DSP控制步进电机带动摄象机移动，同时也带动电位计向减小误差方向运动，直至误差趋近于零，系统处于平衡状态［2，3］。

图1 系统原理图Fig.1 The element of system

调焦组件采用丝杠导轨机构，主要由精密丝杠螺母副、THK导轨、滑板、减速箱、电位计、步进电机等组成，如图2所示。

图2 调焦机构结构图Fig.2 The structure of focal system

由步进电机通过减速箱驱动精密丝杠螺母副转动，带动滑板前后移动，滑板依靠 THK高精度导轨保证前后移动的直线性，摄像机和滑板连接在一起移动，通过电位计的转动反馈摄像机的移动量，从而保证系统的调焦精度。

2 调焦机构的计算

2.1 调焦机构的像面移动分辨力计算

步进电机转一圈所走的步数为 360/0.9=400步，螺旋传动螺距选用0.5mm，因此步进电机每转一步，镜头移动0.5mm/400步=0.00125mm；

步进电机与螺旋丝杆之间用齿轮传动，选用的齿轮模数为0.5，齿轮的厚度为3mm，由步进电机到螺旋丝杆的速比为36:1。

由于受机构爬行等因素的影响，实际分辨力要略大于0.035m，能满足像面的调整要求。

2.2 调焦机构的电位计分辨力计算

由于螺旋丝杠的螺距选用0.5mm，所以2mm的传动范围内丝杠也将转动4圈。

由于电位计与丝杠同轴，速比为1，所以电位计的转角 4×360°＝ 1440°

选用5圈电位计可满足要求，电位计精度为1‰，5圈电位计控制的转角误差为5×360×1‰=1.8°，丝杠螺距0.5mm，电位计的分辨力为0.5×1.8/360=0.0025mm，电位计的分辨力满足要求。

2.3 调焦机构的调焦量计算

可见光光学系统的作用距离初始设计均以无限远计算，近距离时通常用前组调焦也可以用像面调整。短焦光学系统，可以不用调焦；长焦光学系统，距离大于5km，可以不用调焦，我们假设目标距离为500m，调焦量1.28mm。

如果温度调焦范围为-30℃～+50℃，设装调时或检测时标准温度为20℃，镜筒材料为铝，可求出该系统的温度调焦量如表1。

表1 温度调焦量Tab.1 Temperature focal quantity

由上述两项计算可得：系统调焦镜组的最大调焦量不大于±1mm，在该系统的调焦机构实际设计中，实际调焦量为±5mm，满足调焦范围的要求。

2.4 调焦机构的驱动力矩计算

步进电机带动齿轮减速器运行，带动螺旋丝杆运动，为了步进电机可靠地运行，选择42BYG015步进电机，调焦机构的转动惯量计算如表2所示。

表2 调焦机构的转动惯量计算表Tab.2 Moment of inertia calculate for focal system

表3 实验数据对比表Tab.3 The data system experiment contrast

调焦机构的移动组件重量为1.2kg，对于移动组件的移动惯量为：

式中：W—移动体的重量；P—螺距。

总惯量为：

步进电机的运行由于是冲击式的运动，所以其加速力矩Ta为：

负载力矩T1的计算：

式中：F—轴向载荷(kg)；F0—预加载荷(kg)；W—移动载荷的重量(kg)；P—螺距(cm)；D—丝杠直径(cm)；—摩擦系数(0.3)；—变换效率(0.3～0.6)；I—减速比=n电机/n丝杠；s—步距角；ZR—转子齿数；f1—启动脉冲速度；

安全系数取2，电机所需的转矩T：

Tm=(Tl+Ta)×2=(0.212+0.0014)×2=44mN·m；42BYG015步进电机的静转矩130 mNm，可以满足使用要求。

3 实验结果和精度影响因素

3.1 实验结果

为了测试调焦机构的实际定位精度，利用数显千分表为检测工具，将电位计测量的位移数与数显千分表测量的位移数进行对比，对比结果如表3所示，测试现场环境条件如下：大气压力 102.53kPa；室温25.03℃；相对湿度77.25%；电机温度28℃。

由表3数据可以看出，在正反四组共40次的测量中，最大绝对误差在0.005mm内，而光学系统的焦深都大于0.01mm，所以本调焦机构的的精度可以满足系统调焦的要求。

3.2 精度影响因素分析

本系统产生误差的原因主要有以下几点：

1.电位计的误差。直线的定位精度主要取决于位置检测元件的精度，如分辨率、线性度等［4］。电位计的精度为1‰，5圈电位器控制的转角误差为5×360×1‰=1.8°，丝杠螺距0.5mm，电位计的分辨力为 0.5×1.8/360=0.0025mm。

2.步进电机自身精度的影响。电机在运行过程中的发热、隔磁、防护等问题对定位精度都有影响，步进电机每步走 0.9°，螺旋传动螺距选用0.5mm，因此步进电机每转一步，镜头移动 0.5mm/400步=0.00125mm，对步进电机的控制误差不大于一个步进角，因此误差为0.0012mm，因此对电机的控制系统要求也很高。

3.直线导轨的直线以及安装误差也会影响系统的精度，本文选用日本 THK株式会社的小型可调整式（RSR）滚动直线导轨，摩擦系数为0.002～0.005，且动、静摩擦系数相差级小，可以有效的避免爬行现象，定位精度可达到0.001mm。

本系统产生的理论最大误差为0.0047mm，和实验结果的最大绝对误差0.005mm基本相符合。