王新夏++賴愛(ài)光+賴英輝

摘要： 后組調(diào)焦高清變焦鏡頭適用于前端口徑較小、近距離成像要求較高及光路需要偏折的場(chǎng)合。近攝時(shí)，后組調(diào)焦方式獲得的成像質(zhì)量比用前組調(diào)焦方法更好，焦距小于50 mm時(shí)，近攝距可達(dá)0.35 m，不需要加近攝鏡（前組調(diào)焦要加近攝鏡），可以兼顧遠(yuǎn)近距離的高清成像要求。由于后組調(diào)焦高清變焦鏡頭物距與后截距的關(guān)系不是線性關(guān)系，調(diào)焦組的移動(dòng)在不同焦距段的不同物距時(shí)對(duì)應(yīng)不同的特征曲線，差異較大。為使調(diào)焦靈敏度處在一個(gè)合理區(qū)間，后組調(diào)焦位移不能采用通常使用的線性關(guān)系，需設(shè)計(jì)一條能覆蓋這些特征曲線的非線性凸輪，因而根據(jù)其原理與結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：

成像系統(tǒng)； 變焦鏡頭； 后組調(diào)焦； 凸輪曲線

中圖分類號(hào)： TH 74文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2017.01.002

Analysis and design of focusing cam curve of rear group focusing

based highdefinition zoom lens

WANG Xinxia， LAI Aiguang， LAI Yinghui

（Fujian Institute of Optical Technology， Fuzhou 350013， China）

Abstract：

The rear group focusing based highdefinition zoom lens is suitable for the applications that require smallcaliber front group，highstandard close range imaging and deflected optical path.When shortrange photograph is needed，the rear group focusing is able to gain better imaging quality compared with the front group focusing.When the focal distance is less than 50 mm，the minimum photographic distance can achieve 0.35 m without additional closeup lens（front group focusing lens requires closeup lens），which meets high quality imaging requirement for both short range and long range.For rear group focusing based highdefinition zoom lens，there does not exist linear relationship between the object distance and the rear cutoff distance，and consequently the specific curves of focusing group movement are obviously different at different focal lengths and different object distances.In order to keep the focusing sensitivity within a reasonable range，the normal solution of linear relationship is not applicable for the displacement of rear group focusing.The design of nonlinear cam which can cover these specific curves is necessary.The principle and structure are analyzed and designed in this paper.

Keywords： imaging system； zoom lens； rear group focusing； cam curve

引言

目前，大多數(shù)視頻監(jiān)控變焦攝像鏡頭通常采用兩種設(shè)計(jì)方式：1） 采用前組調(diào)焦，第二、三組元變倍、補(bǔ)償；2） 采用第二、四組元變倍、補(bǔ)償，第二、四組元聯(lián)動(dòng)調(diào)焦。前者在觀察1 m內(nèi)的景物且位于長(zhǎng)焦端時(shí)很難獲得好的像質(zhì)，而且物距越短，前組的口徑越大；后者則需要用事先設(shè)定的不同近攝距離的第二、四組元聯(lián)動(dòng)移動(dòng)數(shù)據(jù)，在較近距離時(shí)也較難獲得好的像質(zhì)[1]。

在核電核廢料處理等高輻射監(jiān)控區(qū)域，為提高攝像機(jī)靶面抗中子流輻射的要求，需設(shè)計(jì)較大的后組空氣間隔供光束偏折，并克服普通變焦鏡頭近攝距長(zhǎng)、前端口徑大的不足，實(shí)現(xiàn)整機(jī)小型化，從而在極近距離條件下，獲得較好的成像質(zhì)量。為適應(yīng)核電監(jiān)控等特殊情況，本方案采用與上述兩種變焦形式完全不同的新型后組調(diào)焦結(jié)構(gòu)，近攝時(shí)獲得的成像質(zhì)量比用前組調(diào)焦方法更好。該方案的最大特點(diǎn)是物距為0.50 m、焦距為最長(zhǎng)焦距時(shí)成像質(zhì)量較好，焦距小于50 mm時(shí)，近攝距可達(dá)0.35 m，不需要額外增加近攝鏡（前組調(diào)焦需要加近攝鏡），可以兼顧遠(yuǎn)近距離的高清成像要求，而且鏡頭前端體積小，可適應(yīng)鏡頭物像轉(zhuǎn)折，光學(xué)系統(tǒng)后組空氣間隔較長(zhǎng)，能滿足監(jiān)控區(qū)間的特殊要求[25]。

由于后組調(diào)焦變焦鏡頭的后截距位移在不同焦距段與不同近攝距時(shí)特征曲線的變化有很大不同，因此，調(diào)焦組元的移動(dòng)方式成為鏡頭焦距檢出的重要因素，也是設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一。

1設(shè)計(jì)原理與分析

圖1為后組調(diào)焦視頻攝像高清變焦鏡頭原理示意圖，它與前組調(diào)焦變焦系統(tǒng)的不同之處在于前組為固定組，通過(guò)第二、三組元變倍、補(bǔ)償以實(shí)現(xiàn)變焦。由于前組是固定的，當(dāng)物距變化時(shí)，在不同的焦距段后截距會(huì)隨著物距的變化而變化，為此，需將系統(tǒng)中的第四組元拆分為第四、五組元，第四組元為固定組，第五組元為活動(dòng)組，通過(guò)對(duì)第五組元的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)調(diào)焦。

計(jì)算表明，第五組元的位移量隨前幾組的焦距和主面位置不同而變化，調(diào)焦過(guò)程中，鏡頭前組的口徑不變、鏡頭總長(zhǎng)不變，鏡頭的合焦距基本不變，因調(diào)焦移動(dòng)量比前組調(diào)焦小很多，調(diào)焦過(guò)程中鏡頭的重心位置基本不變，這對(duì)鏡頭的小型化及結(jié)構(gòu)的可靠性是十分有利的。

3結(jié)論

后組調(diào)焦變焦鏡頭調(diào)焦移動(dòng)的設(shè)計(jì)牽涉到調(diào)焦靈敏度，直接關(guān)系到焦距檢出問(wèn)題。由于曲線采用非線性凸輪設(shè)計(jì)，基本滿足了后截距與不同焦段、不同近攝距之間的關(guān)系，達(dá)到了較好的實(shí)際使用效果。后組調(diào)焦變焦鏡頭的不足之處在于變倍組和補(bǔ)償組聯(lián)動(dòng)的同時(shí)，后調(diào)焦組需隨之移動(dòng)，但因用戶使用的特殊性，能滿足其主要使用要求，用戶最終還是選擇了此方案。經(jīng)小批試制及用戶使用后，該方案受到用戶的肯定，并將進(jìn)入批量生產(chǎn)。由于采用防中子穿透設(shè)計(jì)，該方案也可用于農(nóng)業(yè)核輻照育種及國(guó)防核設(shè)施等領(lǐng)域。

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（編輯：張磊）