路文龍，李 珊，賈鈺超，李洪兵，羅 宏，王彩萍，孫 興，朱 俊

〈系統(tǒng)與設(shè)計(jì)〉

紅外連續(xù)變焦鏡頭滑動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

路文龍1，李 珊2，賈鈺超1，李洪兵1，羅 宏1，王彩萍1，孫 興1，朱 俊1

（1. 云南北方馳宏光電有限公司，云南 昆明 650217；2. 昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650500）

由于滑動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與鏡筒之間為間隙配合，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致鏡片發(fā)生不同程度偏移與偏轉(zhuǎn)，因此基于柔體運(yùn)動(dòng)學(xué)分析理論，對(duì)不同運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、不同長(zhǎng)徑比的滑動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)以及導(dǎo)向釘與鏡片在導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中的排布位置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，得出運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、長(zhǎng)徑比以及導(dǎo)向釘與鏡片排布位置對(duì)鏡片偏移與偏轉(zhuǎn)的影響；結(jié)合實(shí)際變焦光學(xué)系統(tǒng)使用要求，設(shè)計(jì)嵌套式導(dǎo)向機(jī)構(gòu)并進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證可行性；根據(jù)以上分析結(jié)果對(duì)紅外連續(xù)變焦鏡頭進(jìn)行設(shè)計(jì)加工，鏡頭變焦過(guò)程成像清晰，表明此種仿真分析為紅外變焦鏡頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究提供一種有效方法。

紅外連續(xù)變焦鏡頭；滑動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

0 引言

紅外連續(xù)變焦鏡頭由于其視場(chǎng)可以連續(xù)變化，且成像實(shí)時(shí)清晰，被廣泛應(yīng)用于目標(biāo)偵查、導(dǎo)彈追蹤以及居家安全監(jiān)控設(shè)備。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)作為紅外連續(xù)變焦鏡頭的核心部件，直接決定鏡頭變焦過(guò)程成像質(zhì)量的好壞。隨著紅外連續(xù)變焦鏡頭的不斷發(fā)展，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)也層出不窮，其中按照摩擦形式的不同可以分為滑動(dòng)摩擦形式與滾動(dòng)摩擦形式。

主鏡筒內(nèi)表面為承導(dǎo)面，運(yùn)動(dòng)鏡架外圓與主鏡筒配合，進(jìn)行相對(duì)滑動(dòng)滑動(dòng)摩擦導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，以可靠性能好、成本低被廣泛應(yīng)用[1]；其中最為突出的代表形式是采用于兩根導(dǎo)向釘對(duì)運(yùn)動(dòng)鏡架進(jìn)行導(dǎo)向的形式，此形式使得運(yùn)動(dòng)鏡架受力均勻，不易發(fā)生阻卡，同時(shí)凸輪變焦曲線布置較少，凸輪有較高的剛度，可以降低加工過(guò)程中所帶來(lái)的變形。但是此種導(dǎo)向機(jī)構(gòu)精度比滾動(dòng)摩擦形式低，精度主要是由主鏡筒與運(yùn)動(dòng)鏡架配合精度所決定的。在實(shí)際變焦過(guò)程當(dāng)中，由于主鏡筒與運(yùn)動(dòng)鏡架為間隙配合，運(yùn)動(dòng)鏡架在運(yùn)動(dòng)過(guò)程會(huì)造成鏡片發(fā)生不同程度偏移與偏轉(zhuǎn)，使得光學(xué)系統(tǒng)光軸發(fā)生偏移，導(dǎo)致最終成像質(zhì)量下降[2]，由此可見(jiàn)保證運(yùn)動(dòng)鏡架在運(yùn)動(dòng)過(guò)程當(dāng)中的平穩(wěn)與流暢就變得十分重要。如何降低運(yùn)動(dòng)鏡架在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中鏡片的偏移與偏轉(zhuǎn)就成為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。劉鐵軍等提出將導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與鏡筒為過(guò)盈配合來(lái)降低導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)對(duì)鏡片的影響[2]；而文獻(xiàn)中針對(duì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)對(duì)鏡片影響的研究，相對(duì)較少。本文基于ADAMS多體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析研究，以提升變焦過(guò)程的成像質(zhì)量。

1 柔體運(yùn)動(dòng)學(xué)理論基礎(chǔ)

由于紅外連續(xù)變焦鏡頭屬于光學(xué)精密儀器，運(yùn)動(dòng)鏡架在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中任何一個(gè)微小偏移與形變都可能會(huì)導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)發(fā)生變化，因此在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程中，需要將運(yùn)動(dòng)鏡架進(jìn)行柔性化。柔體與剛體不同，在數(shù)值模擬的過(guò)程當(dāng)中，柔體內(nèi)各點(diǎn)的相對(duì)位置會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化，無(wú)法僅依靠慣性坐標(biāo)系來(lái)表述，通過(guò)引入彈性坐標(biāo)系，將“剛性”運(yùn)動(dòng)與彈性變形相結(jié)合建立動(dòng)坐標(biāo)系，來(lái)表述柔體上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)[3]。柔體上任意一點(diǎn)位置向量可以表述為：

＝0＋(＋) (1)

式中：0為點(diǎn)動(dòng)坐標(biāo)系在慣性坐標(biāo)中的向量；為方向余弦矩陣；為點(diǎn)在動(dòng)坐標(biāo)系中的向量；為點(diǎn)相對(duì)變形向量。

對(duì)于有諸多方法進(jìn)行離散，通常采用模態(tài)坐標(biāo)來(lái)描述變形即：

＝f(2)

式中：為模態(tài)矩陣；f為變形的廣義坐標(biāo)。

對(duì)柔性體上任意一點(diǎn)位置向量可以對(duì)時(shí)間求一次導(dǎo)數(shù)得到速度向量，以及兩次導(dǎo)數(shù)得到加速度向量即：

2 單個(gè)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析

2.1 模型的建立

多體動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS建模能力并不是很強(qiáng)，本文基于Pro/E三維建模軟件對(duì)模型進(jìn)行建立，將建立好的模型轉(zhuǎn)換成ACIS文件導(dǎo)入ADAMS當(dāng)中。

模型主要由鏡筒、凸輪筒、運(yùn)動(dòng)鏡架、壓圈、導(dǎo)向釘和鏡片組成，其中鏡片為Ge材料，其它部件均是由Al材料構(gòu)成，因此需要對(duì)模型材料的密度和彈性模量進(jìn)行修改。如表1[4]所示。

表1 材料性能參數(shù)

為了準(zhǔn)確地模擬運(yùn)動(dòng)鏡架在運(yùn)動(dòng)中對(duì)鏡片的影響，利用ADAMS/viewflex模塊，將已經(jīng)導(dǎo)入的剛體運(yùn)動(dòng)鏡架柔性化。

根據(jù)實(shí)際的運(yùn)動(dòng)情況對(duì)模型加載約束，對(duì)鏡筒與大地采用固定連接，運(yùn)動(dòng)鏡架與鏡片、壓圈和導(dǎo)向釘采用固定副連接，鏡筒與凸輪施加旋轉(zhuǎn)副；運(yùn)動(dòng)鏡架與鏡筒之間添加接觸力，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.03，靜摩擦系數(shù)為0.05；導(dǎo)向釘與鏡筒槽和凸輪施加接觸力，由于導(dǎo)向釘上裝有滾珠軸承，因此靜摩擦系數(shù)設(shè)置為0.005，動(dòng)摩擦系數(shù)設(shè)置為0.003[5]；最后添加重力場(chǎng)。通過(guò)以上設(shè)置，完成模型的建立。

2.2 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)鏡片的影響因素諸多,但可以總結(jié)為運(yùn)動(dòng)鏡架運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、長(zhǎng)度以及鏡片與導(dǎo)向釘在運(yùn)動(dòng)鏡架上的位置排布。

2.2.1 運(yùn)動(dòng)鏡架長(zhǎng)徑比分析

對(duì)于運(yùn)動(dòng)鏡架的長(zhǎng)度分析來(lái)說(shuō)，不能簡(jiǎn)單的以具體長(zhǎng)度來(lái)衡量，對(duì)于不同直徑、相同長(zhǎng)度的運(yùn)動(dòng)鏡架，運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)鏡片造成的影響也不同，因此選取運(yùn)動(dòng)鏡架不同的長(zhǎng)度與直徑比進(jìn)行分析。

如圖1所示為運(yùn)動(dòng)鏡架長(zhǎng)度與直徑示意圖，運(yùn)動(dòng)鏡架的長(zhǎng)度與運(yùn)動(dòng)鏡架直徑比分別選取0.5:1、0.7:1、0.9:1、1.1:1、1.3:1、1.5:1以及滿足本次仿真透鏡安裝的最短形式長(zhǎng)徑比0.16:1。

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中兩根導(dǎo)向釘采用對(duì)稱(chēng)排布，將導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)大致分為橫姿態(tài)、豎姿態(tài)和斜45°姿態(tài)3大類(lèi)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，如圖2所示?？梢愿鶕?jù)每種姿態(tài)形式對(duì)鏡片的影響進(jìn)行比較分析。

由圖3可知，隨著運(yùn)動(dòng)鏡架的不斷加長(zhǎng)，鏡片的偏移與偏轉(zhuǎn)都有很大程度的降低。相比較來(lái)說(shuō)，運(yùn)動(dòng)鏡架為橫姿態(tài)時(shí)候，變焦時(shí)鏡片的影響主要來(lái)源鏡片重力造成的軸的偏移，以及繞軸的偏轉(zhuǎn)，而其它方向偏轉(zhuǎn)與偏移的比較來(lái)說(shuō)相對(duì)比較小。由于斜45°運(yùn)動(dòng)形式的運(yùn)動(dòng)鏡架，可以沿45°斜向的滑移，對(duì)于鏡片就會(huì)有兩個(gè)方向的偏移，同時(shí)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生繞導(dǎo)向釘兩個(gè)方向的偏轉(zhuǎn)，相對(duì)于單方向上的影響相對(duì)較小。而相對(duì)于運(yùn)動(dòng)鏡架為豎姿態(tài)來(lái)說(shuō)，鏡片的偏移主要是運(yùn)動(dòng)鏡架與鏡筒配合間隙決定，精度越低鏡片的偏移隨之增大。通過(guò)對(duì)比3種姿態(tài)的運(yùn)動(dòng)情況，可以發(fā)現(xiàn)三姿態(tài)中豎姿態(tài)最好，斜45°姿態(tài)其次，橫姿態(tài)對(duì)鏡片的影響最大。

根據(jù)光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可知[6]，鏡片的偏移應(yīng)保證在0.1mm以內(nèi)，偏轉(zhuǎn)應(yīng)保證在0°3￠02（0.05rad）以內(nèi)。觀察分析結(jié)果可知若要滿足設(shè)計(jì)要求：當(dāng)運(yùn)動(dòng)鏡架為橫姿態(tài)時(shí)，長(zhǎng)徑比應(yīng)在0.9:1以上；當(dāng)運(yùn)動(dòng)鏡架為豎直姿態(tài)時(shí)，在有限的范圍內(nèi)均滿足設(shè)計(jì)要求；當(dāng)運(yùn)動(dòng)鏡架為斜45°姿態(tài)時(shí)，長(zhǎng)徑比應(yīng)在0.5:1以上；但由于鏡頭的實(shí)際使用情況不確定，每種姿態(tài)均有可能出現(xiàn)，因此運(yùn)動(dòng)鏡架長(zhǎng)徑比盡量保證在0.9:1以上。

2.2.2 導(dǎo)向釘與鏡片在運(yùn)動(dòng)鏡架截面位置一致

根據(jù)對(duì)運(yùn)動(dòng)鏡架長(zhǎng)徑比分析結(jié)果可知，在運(yùn)動(dòng)鏡架的長(zhǎng)度為長(zhǎng)徑比1.5:1的情況下，運(yùn)動(dòng)鏡架運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)鏡片的影響最小，因此本次分析選取長(zhǎng)徑比為1.5:1的運(yùn)動(dòng)鏡架，按比例選取鏡架5個(gè)點(diǎn)，分別以運(yùn)動(dòng)鏡架全長(zhǎng)0位置處、1/4處、1/2處、3/4處和1位置處這5個(gè)位置進(jìn)行仿真分析。導(dǎo)向釘與鏡片位置示意圖如圖4所示。

1）橫姿態(tài)分析

由圖5可以看出，當(dāng)鏡片與導(dǎo)向釘在運(yùn)動(dòng)鏡架的最中間的時(shí)候，對(duì)鏡片的影響是最大，甚至鏡片在軸的偏移量，已經(jīng)超出了光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所規(guī)定最大偏差位移0.1mm。而相比較鏡片與導(dǎo)向釘安置在鏡架的兩端的時(shí)候，運(yùn)動(dòng)鏡架運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)鏡片的影響相對(duì)較小。

圖1 運(yùn)動(dòng)鏡架長(zhǎng)度與直徑示意圖

圖2 三種不同運(yùn)動(dòng)姿態(tài)

圖3 不同運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與不同長(zhǎng)徑比下鏡片偏移與偏轉(zhuǎn)

圖4 導(dǎo)向釘與鏡片位置示意圖

2）豎姿態(tài)分析

由圖6中可以看出鏡片與導(dǎo)向釘位置改變時(shí)，無(wú)論在任何位置，運(yùn)動(dòng)鏡架運(yùn)動(dòng)對(duì)鏡片的影響主要是重力所帶來(lái)的鏡片軸偏移0.05mm，而軸位移也基本為零；無(wú)論從軸偏轉(zhuǎn)、軸偏轉(zhuǎn)和軸偏轉(zhuǎn)來(lái)看，鏡片的偏轉(zhuǎn)基本小于0.001rad，可以忽略不計(jì)，可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)鏡片與導(dǎo)向釘位置進(jìn)行布置。

3）斜45°姿態(tài)分析

從圖7中可以看出鏡架與導(dǎo)向釘位置改變時(shí)，軸偏移與軸偏移量趨勢(shì)曲線成交叉分布，而焦點(diǎn)處就在運(yùn)動(dòng)鏡架中部；運(yùn)動(dòng)鏡架運(yùn)行時(shí)對(duì)鏡片的偏轉(zhuǎn)影響無(wú)論是沿軸、軸或是軸，其偏轉(zhuǎn)最小的位置均在鏡架的中部。因此應(yīng)將鏡片與導(dǎo)向釘盡可能布置在運(yùn)動(dòng)鏡架中部。

2.2.3 導(dǎo)向釘與鏡片在運(yùn)動(dòng)鏡架截面位置不一致

根據(jù)對(duì)導(dǎo)向釘與鏡片在運(yùn)動(dòng)鏡架同一截面位置時(shí)的分析結(jié)果可知，鏡片與導(dǎo)向釘位置改變時(shí)，會(huì)對(duì)鏡片產(chǎn)生不同程度的影響，為了更進(jìn)一步了解鏡片與導(dǎo)向釘在運(yùn)動(dòng)鏡架上布置位置不同對(duì)鏡片所帶來(lái)的影響，需要對(duì)導(dǎo)向釘與鏡片在運(yùn)動(dòng)鏡架截面位置不一致時(shí)運(yùn)動(dòng)鏡架運(yùn)動(dòng)對(duì)鏡片的影響進(jìn)行分析。鏡片與導(dǎo)向釘?shù)奈恢藐P(guān)系有多種可能，并不能以鏡片與導(dǎo)向釘?shù)木嚯x尺寸為分析標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)考慮到在不同長(zhǎng)度的運(yùn)動(dòng)鏡架下，鏡片與導(dǎo)向釘位置分析結(jié)果同樣有效。在分析時(shí)，依然按比例選取運(yùn)動(dòng)鏡架上5個(gè)點(diǎn)，分別為以鏡架全長(zhǎng)0位置處、1/4處、1/2處、3/4處和1位置處進(jìn)行分析。為了增加分析的合理性，同時(shí)避免不必要的工作量，選取鏡片與鏡架一致時(shí)對(duì)鏡片影響最小的位置，做導(dǎo)向釘與鏡片不一致時(shí)在3種不同姿態(tài)下進(jìn)行分析。

圖5 橫姿態(tài)鏡片與導(dǎo)向釘不同位置鏡片的偏移與偏轉(zhuǎn)

圖6 豎姿態(tài)鏡片與導(dǎo)向釘不同位置鏡片的偏移與偏轉(zhuǎn)

圖7 斜45°姿態(tài)鏡片與導(dǎo)向釘不同位置鏡片的偏移與偏轉(zhuǎn)

1）橫姿態(tài)分析

導(dǎo)向釘和鏡片在運(yùn)動(dòng)鏡架位置一致時(shí)，在鏡架0位置對(duì)鏡片的影響最小，通過(guò)固定鏡片改變導(dǎo)向釘?shù)奈恢眠M(jìn)行分析，如圖8所示為鏡片與導(dǎo)向釘在運(yùn)動(dòng)鏡架布置位置關(guān)系示意圖。

由圖9可知，運(yùn)動(dòng)鏡架運(yùn)動(dòng)主要影響鏡片軸的偏移與軸的偏轉(zhuǎn)，其中當(dāng)導(dǎo)向釘移動(dòng)到鏡架1/2位置處對(duì)鏡片影響最大，相較于導(dǎo)向釘布置在0位置與1位置處的影響最小。

圖8 橫姿態(tài)導(dǎo)向釘與鏡片位置不一致示意圖

2）豎姿態(tài)分析

導(dǎo)向釘和鏡片在運(yùn)動(dòng)鏡架位置一致時(shí)，布置在運(yùn)動(dòng)鏡架任何一處，對(duì)鏡片的影響都相對(duì)較小，因此，采用鏡片在0位置處固定，導(dǎo)向釘移動(dòng)到其它位置的情況下進(jìn)行分析。其分析模型示意圖如圖10所示。

由圖11可知，當(dāng)導(dǎo)向釘與鏡片在運(yùn)動(dòng)鏡架位置不一致的情況下，影響鏡片的依然是軸的偏移；其中鏡片的偏轉(zhuǎn)均小于0.0009，可以忽略不計(jì)。因此導(dǎo)向釘位置的移動(dòng)對(duì)鏡片的偏移與偏轉(zhuǎn)影響微乎其微。

3）斜45°姿態(tài)分析

導(dǎo)向釘和鏡片在運(yùn)動(dòng)鏡架位置一致時(shí)，在鏡架1/2位置運(yùn)動(dòng)鏡架運(yùn)動(dòng)對(duì)鏡片的影響最小，通過(guò)固定鏡片在1/2位置處，改變導(dǎo)向釘?shù)奈恢?，?lái)進(jìn)一步分析導(dǎo)向釘與鏡片位置不一致時(shí)運(yùn)動(dòng)鏡架運(yùn)動(dòng)對(duì)鏡片的影響。如圖12所示斜45°姿態(tài)導(dǎo)向釘與鏡片位置關(guān)系示意圖。

圖10 豎姿態(tài)導(dǎo)向釘與為鏡片位置不一致示意圖

圖11 豎姿態(tài)不同導(dǎo)向釘位置鏡片的偏移與偏轉(zhuǎn)

圖12 斜45°姿態(tài)導(dǎo)向釘與為鏡片位置不一致示意圖

從圖13中可以看鏡片軸偏移與軸偏移量趨勢(shì)曲線成交叉分布，而焦點(diǎn)處就在運(yùn)動(dòng)鏡架中部；與此同時(shí)，觀察鏡片偏轉(zhuǎn)圖可以發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)鏡架運(yùn)行時(shí)對(duì)鏡片的偏轉(zhuǎn)影響無(wú)論是沿軸、軸或是軸，其偏轉(zhuǎn)最小的位置均在運(yùn)動(dòng)鏡架的中部。因此應(yīng)將鏡片與導(dǎo)向釘盡可能布置在運(yùn)動(dòng)鏡架中部。

圖13 斜45°姿態(tài)不同導(dǎo)向釘位置鏡片的偏移與偏轉(zhuǎn)

3 嵌套式導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

根據(jù)以上分析結(jié)果，了解了運(yùn)動(dòng)鏡架在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)鏡片的影響，但將以上分析結(jié)果直接應(yīng)用在實(shí)際運(yùn)動(dòng)鏡架設(shè)計(jì)當(dāng)中，會(huì)出現(xiàn)如下問(wèn)題：

1）在連續(xù)變焦鏡頭當(dāng)中，各個(gè)鏡片之間的距離已經(jīng)被嚴(yán)格確定，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為了降低運(yùn)動(dòng)鏡架運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)鏡片的影響使運(yùn)動(dòng)鏡架加長(zhǎng)，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)鏡架之間發(fā)生干涉現(xiàn)象。

2）雖然運(yùn)動(dòng)鏡架加長(zhǎng)可以使鏡片在運(yùn)動(dòng)過(guò)程更加平穩(wěn)，但是隨著長(zhǎng)度的增加鏡架重量增加，啟動(dòng)所需要的轉(zhuǎn)矩也隨之增大。

3）由于鏡架的加長(zhǎng)不當(dāng)，也會(huì)導(dǎo)致鏡頭在變焦過(guò)程當(dāng)中，鏡架發(fā)生遮光現(xiàn)象，鏡頭無(wú)法正常使用。

針對(duì)以上問(wèn)題，采用相互嵌套形式的變焦運(yùn)動(dòng)鏡架，如圖14所示。

對(duì)于嵌套形式運(yùn)動(dòng)鏡架設(shè)計(jì)是否合理，仍然需要以運(yùn)動(dòng)鏡架運(yùn)動(dòng)對(duì)鏡片造成的影響來(lái)判斷。通過(guò)對(duì)改進(jìn)后的鏡架與改進(jìn)前的進(jìn)行比較分析，來(lái)判斷運(yùn)動(dòng)鏡架改進(jìn)是否成功。

為了充分說(shuō)明改進(jìn)運(yùn)動(dòng)鏡架的優(yōu)劣，選取每種姿態(tài)下的最優(yōu)形式進(jìn)行對(duì)比分析。其分析數(shù)據(jù)如表2～4所示。

通過(guò)對(duì)改進(jìn)前后運(yùn)動(dòng)鏡架在不同姿態(tài)運(yùn)動(dòng)對(duì)鏡片的影響對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，相比較橫姿態(tài)與豎姿態(tài)，對(duì)于運(yùn)動(dòng)鏡架的改進(jìn)后，對(duì)鏡片的影響基本上不變；但在改進(jìn)后的鏡架以斜45°姿態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其對(duì)鏡片的偏移與偏轉(zhuǎn)都有不同程度增大，但也均在光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所規(guī)定的公差內(nèi)。因此可以判斷，改進(jìn)后的運(yùn)動(dòng)鏡架滿足使用需求。

圖14 嵌套結(jié)構(gòu)示意圖

表2 橫姿態(tài)運(yùn)動(dòng)鏡架改進(jìn)對(duì)比

表3 豎姿態(tài)運(yùn)動(dòng)鏡架改進(jìn)對(duì)比

表4 斜45°姿態(tài)運(yùn)動(dòng)鏡架改進(jìn)對(duì)比

而對(duì)于鏡架加長(zhǎng)所帶來(lái)的另為一個(gè)問(wèn)題就是運(yùn)動(dòng)鏡架啟動(dòng)所需的轉(zhuǎn)矩增大，以橫姿態(tài)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為例，如圖15所示為改進(jìn)前后的運(yùn)動(dòng)鏡架所需要啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可以發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)鏡架在改進(jìn)后，運(yùn)動(dòng)鏡架啟動(dòng)時(shí)所需要的轉(zhuǎn)矩大幅降低，從225N×mm降低到了140N×mm。因此也可以說(shuō)明運(yùn)動(dòng)鏡架在改進(jìn)后，滿足預(yù)期設(shè)想要求。

圖15 運(yùn)動(dòng)鏡架改進(jìn)前后啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)比

通過(guò)以上對(duì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的分析可以發(fā)現(xiàn)，嵌套式運(yùn)動(dòng)鏡架可以滿足設(shè)計(jì)要求，在運(yùn)動(dòng)鏡架設(shè)計(jì)時(shí)可以采用嵌套形式，以避免運(yùn)動(dòng)鏡架加長(zhǎng)所帶來(lái)的相關(guān)問(wèn)題。

4 紅外連續(xù)變焦鏡頭變焦分析

根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)要求，并依照上述分析結(jié)果對(duì)紅外連續(xù)變焦鏡頭進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。將鏡頭變倍組運(yùn)動(dòng)鏡架設(shè)計(jì)為豎姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，補(bǔ)償組運(yùn)動(dòng)鏡架設(shè)計(jì)為斜45°姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，調(diào)焦組設(shè)計(jì)為運(yùn)動(dòng)鏡架豎姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)向釘與鏡片按分析結(jié)論布置。連續(xù)變焦鏡頭的整體裝配以及三維剖視圖如圖16～17所示。

將變焦鏡頭模型導(dǎo)入多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS，對(duì)所設(shè)計(jì)的鏡頭進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，并記錄鏡頭在運(yùn)動(dòng)過(guò)程當(dāng)中，變倍組鏡片、補(bǔ)償組鏡片以及調(diào)焦組鏡片在運(yùn)動(dòng)過(guò)程當(dāng)中的偏移量與偏轉(zhuǎn)量，以驗(yàn)真是否滿足使用要求。經(jīng)過(guò)仿真得出如下結(jié)果，如表5所示。

圖16 連續(xù)變焦鏡頭的整體裝配圖

圖17 紅外連續(xù)變焦鏡頭整體結(jié)構(gòu)剖視圖

由表5可知，變倍組、補(bǔ)償組和調(diào)焦組在變焦過(guò)程中偏移量均在0.1mm以內(nèi)，偏轉(zhuǎn)量均在0.05以內(nèi)，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

光學(xué)系統(tǒng)的好壞可以通過(guò)MTF來(lái)衡量，若調(diào)制傳遞接近60%即滿足光學(xué)系統(tǒng)基本使用要求。因此將紅外連續(xù)變焦鏡頭在變焦過(guò)程當(dāng)中鏡片的偏移量與偏轉(zhuǎn)量導(dǎo)入CODE V光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，生成MTF來(lái)判斷鏡頭的設(shè)計(jì)成功與否。如圖18所示，為鏡頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后在30mm、80mm和150mm焦距下的MTF圖與成像圖。

通過(guò)對(duì)所生成MTF觀察可知，均在60%左右，同時(shí)在相同焦距下成像保持清晰，最終可以認(rèn)為本次對(duì)紅外連續(xù)變焦鏡頭導(dǎo)向設(shè)計(jì)滿足使用要求。

5 總結(jié)

本文基于ADAMS多體動(dòng)力學(xué)分析軟件對(duì)紅外連續(xù)變焦鏡頭滑動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、長(zhǎng)徑比、鏡片與導(dǎo)向釘位置以及嵌套結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，得出以下結(jié)論：

1）對(duì)運(yùn)動(dòng)鏡架在橫姿態(tài)、豎姿態(tài)和斜45°姿態(tài)長(zhǎng)徑比運(yùn)動(dòng)分析，發(fā)現(xiàn)豎姿態(tài)相比較其它兩種姿態(tài)來(lái)說(shuō)對(duì)鏡片的影響相對(duì)較小，斜45°姿態(tài)其次；同時(shí)運(yùn)動(dòng)鏡架的長(zhǎng)徑比應(yīng)盡量滿足0.9:1以上，才能基本滿足成像要求，由此為設(shè)計(jì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)提供相關(guān)依據(jù)。

表5 紅外連續(xù)變焦鏡頭運(yùn)動(dòng)過(guò)程鏡片偏移與偏轉(zhuǎn)

圖18 不同焦距下調(diào)制傳遞函數(shù)與成像圖

2）在加長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)鏡框分析基礎(chǔ)上，對(duì)鏡片與導(dǎo)向釘在運(yùn)動(dòng)鏡框上不同位置時(shí)，運(yùn)動(dòng)鏡框運(yùn)動(dòng)對(duì)鏡片的影響進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)橫姿態(tài)時(shí)，鏡片與導(dǎo)向釘布置在運(yùn)動(dòng)鏡框的兩端對(duì)成像的影響較??；當(dāng)豎姿態(tài)時(shí)，鏡片與導(dǎo)向釘?shù)牟贾梦恢脼殓R片的影響較??；當(dāng)斜45°姿態(tài)時(shí)導(dǎo)向釘與鏡片應(yīng)盡量保證同時(shí)布置在運(yùn)動(dòng)鏡框的中部，以提高成像質(zhì)量。因此可以根據(jù)以上分析結(jié)果對(duì)鏡片與導(dǎo)向釘?shù)奈恢眠M(jìn)行布置。

3）通過(guò)對(duì)嵌套結(jié)構(gòu)形式與普通形式導(dǎo)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)嵌套形式導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，滿足運(yùn)動(dòng)過(guò)程對(duì)鏡片的影響小而且不會(huì)發(fā)生遮光現(xiàn)象，同時(shí)降低了運(yùn)動(dòng)鏡框在啟動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩；并通過(guò)對(duì)采用嵌套結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)向機(jī)構(gòu)連續(xù)變焦鏡頭MTF進(jìn)行證明了嵌套結(jié)構(gòu)的可行性，因此嵌套結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)向機(jī)構(gòu)具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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Kinematic Analysis of Sliding Guide Mechanism of Infrared Continuous Zoom Lens

LU Wenlong1，LI Shan2，JIA Yuchao1，LI Hongbing1，LUO Hong1，WANG Caiping1，SUN Xing1，ZHU Jun1

(1. Yunnan KIRO-CH Photonics Co. Ltd, Kunming 650217, China; 2. Faculty of Mechanical and Electrical, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)

The movement of the sliding guide mechanism causes an offset and deflection of the lens due to the clearance fit between the sliding guide mechanism and drawtube. Based on the theory of flexible body kinematics, the motion simulation of the sliding guide mechanism at different motion postures, length-diameter ratios and arrangement positions of the guide pin and lens, was analyzed, which influenced the lens offset and deflection. The nested steering mechanism was simulated and analyzed to verify the feasibility and meet the practical requirements of the zoom optical system. Accordingly, the infrared continuous zoom lens sliding guide mechanism was designed and fabricated. Subsequently, the zoom process of the lens was imaged. It was demonstrated that this simulation analysis provides an effective method to enable the structural design and research of infrared zoom lens.

infrared continuous zoom lens，the sliding guide mechanism，kinematics simulation

TH216

A

1001-8891(2020)05-0447-08

2018-09-01；

2019-05-10.

路文龍（1991-），男，助理工程師，碩士，主要從事紅外光電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方面的研究，E-mail：luwlchn@163.com。