一種高精度調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

林為才，王晶

（中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033）

在現(xiàn)代光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)中，變焦距鏡頭是一個(gè)不可缺少的部分，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的連續(xù)跟蹤捕獲，鏡頭焦距必須實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整，而實(shí)現(xiàn)變焦的關(guān)鍵在于調(diào)焦機(jī)構(gòu)，調(diào)焦機(jī)構(gòu)組件主要用于在目標(biāo)的距離或者環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，調(diào)整目標(biāo)的像面位置，保證變焦距鏡頭的圖像清晰。否則離焦會(huì)降低目標(biāo)的清晰度，影響跟蹤和測(cè)量的效果［1］。本文介紹了一套高精度調(diào)焦機(jī)構(gòu)，由步進(jìn)電機(jī)、直線導(dǎo)軌、電位計(jì)等組成，由距離信息與溫度傳感器測(cè)量得到的溫度信息，通過(guò)接口電路送入調(diào)焦控制器并計(jì)算出調(diào)焦量。攝像機(jī)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)齒輪變速和精密絲杠速比變換機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)攝像機(jī)前后移動(dòng)來(lái)進(jìn)行距離調(diào)焦和溫度調(diào)焦。通過(guò)調(diào)焦控制電路驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦，保證在像面上始終得到清晰的目標(biāo)圖像。

1 調(diào)焦機(jī)構(gòu)的原理和組成

如圖1所示。調(diào)焦系統(tǒng)調(diào)整放置在望遠(yuǎn)鏡光路中的攝像機(jī)，移動(dòng)攝像機(jī)改變鏡頭的像面位置。攝像機(jī)的移動(dòng)量，是根據(jù)機(jī)下計(jì)算機(jī)發(fā)出的距離信息，由DSP模塊控制。自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)利用電位計(jì)作為檢測(cè)元件，電位計(jì)將位移變化轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)的大小對(duì)應(yīng)移動(dòng)的距離。根據(jù)牛頓公式，計(jì)算像面位置誤差，如果誤差不等于零，DSP控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)攝象機(jī)移動(dòng)，同時(shí)也帶動(dòng)電位計(jì)向減小誤差方向運(yùn)動(dòng)，直至誤差趨近于零，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)［2，3］。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 The element of system

調(diào)焦組件采用絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)，主要由精密絲杠螺母副、THK導(dǎo)軌、滑板、減速箱、電位計(jì)、步進(jìn)電機(jī)等組成，如圖2所示。

圖2 調(diào)焦機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure of focal system

由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)減速箱驅(qū)動(dòng)精密絲杠螺母副轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)滑板前后移動(dòng)，滑板依靠 THK高精度導(dǎo)軌保證前后移動(dòng)的直線性，攝像機(jī)和滑板連接在一起移動(dòng)，通過(guò)電位計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng)反饋攝像機(jī)的移動(dòng)量，從而保證系統(tǒng)的調(diào)焦精度。

2 調(diào)焦機(jī)構(gòu)的計(jì)算

2.1 調(diào)焦機(jī)構(gòu)的像面移動(dòng)分辨力計(jì)算

步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈所走的步數(shù)為 360/0.9=400步，螺旋傳動(dòng)螺距選用0.5mm，因此步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一步，鏡頭移動(dòng)0.5mm/400步=0.00125mm；

步進(jìn)電機(jī)與螺旋絲桿之間用齒輪傳動(dòng)，選用的齒輪模數(shù)為0.5，齒輪的厚度為3mm，由步進(jìn)電機(jī)到螺旋絲桿的速比為36:1。

由于受機(jī)構(gòu)爬行等因素的影響，實(shí)際分辨力要略大于0.035m，能滿(mǎn)足像面的調(diào)整要求。

2.2 調(diào)焦機(jī)構(gòu)的電位計(jì)分辨力計(jì)算

由于螺旋絲杠的螺距選用0.5mm，所以2mm的傳動(dòng)范圍內(nèi)絲杠也將轉(zhuǎn)動(dòng)4圈。

由于電位計(jì)與絲杠同軸，速比為1，所以電位計(jì)的轉(zhuǎn)角 4×360°＝ 1440°

選用5圈電位計(jì)可滿(mǎn)足要求，電位計(jì)精度為1‰，5圈電位計(jì)控制的轉(zhuǎn)角誤差為5×360×1‰=1.8°，絲杠螺距0.5mm，電位計(jì)的分辨力為0.5×1.8/360=0.0025mm，電位計(jì)的分辨力滿(mǎn)足要求。

2.3 調(diào)焦機(jī)構(gòu)的調(diào)焦量計(jì)算

可見(jiàn)光光學(xué)系統(tǒng)的作用距離初始設(shè)計(jì)均以無(wú)限遠(yuǎn)計(jì)算，近距離時(shí)通常用前組調(diào)焦也可以用像面調(diào)整。短焦光學(xué)系統(tǒng)，可以不用調(diào)焦；長(zhǎng)焦光學(xué)系統(tǒng)，距離大于5km，可以不用調(diào)焦，我們假設(shè)目標(biāo)距離為500m，調(diào)焦量1.28mm。

如果溫度調(diào)焦范圍為-30℃～+50℃，設(shè)裝調(diào)時(shí)或檢測(cè)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)溫度為20℃，鏡筒材料為鋁，可求出該系統(tǒng)的溫度調(diào)焦量如表1。

表1 溫度調(diào)焦量Tab.1 Temperature focal quantity

由上述兩項(xiàng)計(jì)算可得：系統(tǒng)調(diào)焦鏡組的最大調(diào)焦量不大于±1mm，在該系統(tǒng)的調(diào)焦機(jī)構(gòu)實(shí)際設(shè)計(jì)中，實(shí)際調(diào)焦量為±5mm，滿(mǎn)足調(diào)焦范圍的要求。

2.4 調(diào)焦機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算

步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)齒輪減速器運(yùn)行，帶動(dòng)螺旋絲桿運(yùn)動(dòng)，為了步進(jìn)電機(jī)可靠地運(yùn)行，選擇42BYG015步進(jìn)電機(jī)，調(diào)焦機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算如表2所示。

表2 調(diào)焦機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算表Tab.2 Moment of inertia calculate for focal system

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表Tab.3 The data system experiment contrast

調(diào)焦機(jī)構(gòu)的移動(dòng)組件重量為1.2kg，對(duì)于移動(dòng)組件的移動(dòng)慣量為：

式中：W—移動(dòng)體的重量；P—螺距。

總慣量為：

步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行由于是沖擊式的運(yùn)動(dòng)，所以其加速力矩Ta為：

負(fù)載力矩T1的計(jì)算：

式中：F—軸向載荷(kg)；F0—預(yù)加載荷(kg)；W—移動(dòng)載荷的重量(kg)；P—螺距(cm)；D—絲杠直徑(cm)；—摩擦系數(shù)(0.3)；—變換效率(0.3～0.6)；I—減速比=n電機(jī)/n絲杠；s—步距角；ZR—轉(zhuǎn)子齒數(shù)；f1—啟動(dòng)脈沖速度；

安全系數(shù)取2，電機(jī)所需的轉(zhuǎn)矩T：

Tm=(Tl+Ta)×2=(0.212+0.0014)×2=44mN·m；42BYG015步進(jìn)電機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩130 mNm，可以滿(mǎn)足使用要求。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和精度影響因素

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了測(cè)試調(diào)焦機(jī)構(gòu)的實(shí)際定位精度，利用數(shù)顯千分表為檢測(cè)工具，將電位計(jì)測(cè)量的位移數(shù)與數(shù)顯千分表測(cè)量的位移數(shù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表3所示，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件如下：大氣壓力 102.53kPa；室溫25.03℃；相對(duì)濕度77.25%；電機(jī)溫度28℃。

由表3數(shù)據(jù)可以看出，在正反四組共40次的測(cè)量中，最大絕對(duì)誤差在0.005mm內(nèi)，而光學(xué)系統(tǒng)的焦深都大于0.01mm，所以本調(diào)焦機(jī)構(gòu)的的精度可以滿(mǎn)足系統(tǒng)調(diào)焦的要求。

3.2 精度影響因素分析

本系統(tǒng)產(chǎn)生誤差的原因主要有以下幾點(diǎn)：

1.電位計(jì)的誤差。直線的定位精度主要取決于位置檢測(cè)元件的精度，如分辨率、線性度等［4］。電位計(jì)的精度為1‰，5圈電位器控制的轉(zhuǎn)角誤差為5×360×1‰=1.8°，絲杠螺距0.5mm，電位計(jì)的分辨力為 0.5×1.8/360=0.0025mm。

2.步進(jìn)電機(jī)自身精度的影響。電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的發(fā)熱、隔磁、防護(hù)等問(wèn)題對(duì)定位精度都有影響，步進(jìn)電機(jī)每步走 0.9°，螺旋傳動(dòng)螺距選用0.5mm，因此步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一步，鏡頭移動(dòng) 0.5mm/400步=0.00125mm，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制誤差不大于一個(gè)步進(jìn)角，因此誤差為0.0012mm，因此對(duì)電機(jī)的控制系統(tǒng)要求也很高。

3.直線導(dǎo)軌的直線以及安裝誤差也會(huì)影響系統(tǒng)的精度，本文選用日本 THK株式會(huì)社的小型可調(diào)整式（RSR）滾動(dòng)直線導(dǎo)軌，摩擦系數(shù)為0.002～0.005，且動(dòng)、靜摩擦系數(shù)相差級(jí)小，可以有效的避免爬行現(xiàn)象，定位精度可達(dá)到0.001mm。

本系統(tǒng)產(chǎn)生的理論最大誤差為0.0047mm，和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最大絕對(duì)誤差0.005mm基本相符合。

4 結(jié)論

以步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源，以高精度導(dǎo)軌作為移動(dòng)副，將調(diào)焦機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并配以高精度的位置檢測(cè)元件和控制系統(tǒng)時(shí)，可以達(dá)到很高的精度，此種高精度調(diào)焦機(jī)構(gòu)主要用于精密測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)中。

［1］丁亞林，田海英，王家騏.空間遙感相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.光學(xué)精密工程，2001，9（1）：35-38.

［2］王志偉.基于直線電機(jī)和光柵測(cè)量系統(tǒng)的精確定位平臺(tái)設(shè)計(jì)［J］.蘇州大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24（6）：38-41.

［3］吳玉厚，宋德儒.PMAC下直線電機(jī)定位精度分析與誤差補(bǔ)償技術(shù)［J］.沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，21（5）：586-590.

［4］張新潔，嚴(yán)昌翔.星載光學(xué)遙感器調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.光學(xué)精密工程，2009，17（11）：2758-2761.