紅外連續(xù)變焦鏡頭中鏡框的變形分析

王世恒 李茂忠 汪興

摘要：針對紅外連續(xù)變焦鏡頭中鏡框的結構特點，通過設計和加工兩方面對鏡框變形的問題進行了分析和探討，確定了設計方案，采取了一系列工藝措施，從而有效的解決了鏡框在使用時變形的問題，為后續(xù)同類產品提供了參考。

Abstract： Based on the structural feature of infrared continuous zoom lens in the frame， through the two aspects of design and processing， the picture frame deformation are analyzed and discussed， the design scheme is determined， a series of technological measures are adopted， which effectively solves the problem of the deformation of frame and provides reference for subsequent similar products.

關鍵詞：鏡框；導釘；長徑比；裝夾

Key words： picture frame；guide pin；length to diameter ratio；the clamping

中圖分類號：TH744 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）12-0127-02

0 引言

本論文來源于云南北方馳宏光電有限公司所負責的產品項目——KIRO-1244紅外連續(xù)變焦鏡頭。在實際使用中，發(fā)現(xiàn)該鏡頭成像不理想，沒有達到設計要求。經過拆開檢查分析，發(fā)現(xiàn)在使用過程中，鏡框同軸度過大，不宜保證零件的設計和加工精度，以及使用要求，存在變形，導致成像出現(xiàn)問題。為了提高鏡框質量，本文針對鏡框的結構特點、從設計和加工方面做了一些分析，從而探索出一套行之有效的方法，使上述問題得以順利解決，并為同類產品提供了技術支持。

1 紅外連續(xù)變焦鏡頭的結構特點

實際變焦過程中，由于鏡框變形，導致鏡片在運動過程中會發(fā)生不同程度的偏移與偏轉，導致光軸的偏移，成像質量的下降，由此可見保證鏡框在移動過程當中的平穩(wěn)與流暢就變的十分重要。因此如何降低鏡框在運動過程中偏移與偏轉就成為變焦結構的設計重點問題，針對凸輪帶動運動鏡框滑動形式變焦結構，進行更進一步的研究以提升變焦過程的成像質量[1]。

2 導釘?shù)奈恢?/p>

根據(jù)紅外連續(xù)變焦鏡頭的結構特點，導釘帶著鏡框移動，所以導釘?shù)陌惭b位置在變焦過程中也會對鏡片產生不同影響，因此針對導釘在鏡框上的位置進行分析。按比例選取鏡框五個點，分別以鏡框全長0位置處、1/4處、1/2處、3/4處和1位置處這五個位置進行仿真分析。如圖1所示。

將鏡頭的三維模型導入到有限元軟件adams中進行動力學分析，變焦系統(tǒng)工作時，對鏡框進行有限元仿真，如圖2所示為鏡框的變形云圖。

結果分析如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可知，鏡框運動主要對鏡片Y軸的偏移與Z軸的偏轉產生影響，其中當導釘位于鏡框1/2位置處對鏡片影響最小，導釘位于在0位置和1位置處的影響最大。

3 鏡框長度的分析

并不能用簡單的具體長度，來考量這個長度的鏡框合適與否。

不同直徑、 相同長度的鏡框，鏡框運動時也會對鏡片造成不同的偏移和偏轉。因此對鏡框長度的分析結果需要滿足不同形式的鏡框，所以要選取鏡框的長度與直徑比來分析[2]。滿足安裝條件的最短長徑比為0.16：1，滿足光學條件的最長長徑比為1.2：1，所以運動鏡框的長度與運動鏡框直徑比分別選取0.2：1、0.4：1、0.6：1、0.8：1、1：1、1.2：1。

根據(jù)以上分析，對不同長徑比的鏡框進行仿真分析，分析的結果如圖5-圖6所示。

當長徑比小的時候，導釘帶著鏡框位移很大，當長徑比很大的時候，導釘又帶不動鏡框。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)可知，長徑比在0.8：1左右比較合適。

4 加工變形分析

鏡框加工要合理處理工藝系統(tǒng)中的機床剛度、夾具剛度、刀具剛度和工件剛度，該4項剛度對加工精度有著重要影響。實踐證明，加工過程中，零件發(fā)生形變的直接原因就是力的作用，使得刀具與加工表面產生位置差，使加工零件的尺寸、形狀發(fā)生變化，形成誤差[3]。

5 裝夾方案的改進

夾緊力的數(shù)量、位置和大小對裝夾方案有著重要影響，其中任一因素變化都會引起鏡框變形。裝夾方案的優(yōu)化措施如下。①優(yōu)化夾緊力的數(shù)量。將集中夾緊改為均布夾緊，使得零件變形均勻。②優(yōu)化夾緊力的放置位置。將夾緊力作用于剛度大的表面。③優(yōu)化夾緊力的大小。在夾緊力的數(shù)量和位置都一定的情況下，如筒體裝夾確保穩(wěn)定，可采用盡可能小的夾緊力。

綜上所述，零件在切削時是在三爪卡盤上裝夾，只受3個爪的力，且夾緊力不均勻，從而使零件變形。本文在零件內孔兩端配裝可調支撐點，使其徑向均布8處，M56調節(jié)螺釘支撐零件內壁，裝夾時盡可能使夾緊點和支撐點對應，使其夾緊力作用于支撐上。

6 紅外連續(xù)變焦鏡頭實驗評價

經過設計仿真，確定優(yōu)化鏡框的長徑比為0.8：1，導釘位置為1/2處，并用新的裝夾方案生產、裝配。

根據(jù)設計要求選取大于1.5km左右的物體進行觀測，如圖8所示為可見光拍攝觀察區(qū)域。圖中黑圈內的建筑物體，為本次測試的目標對象。使用本次所優(yōu)化的紅外連續(xù)變焦鏡頭對目標分別在30mm、60mm和90mm焦距情況下進行觀測。

根據(jù)對該目標的觀測可以發(fā)現(xiàn)，如圖9所示，當鏡頭焦距在30mm的情況下，鏡頭成像效果良好，可觀測區(qū)域也較為廣闊；隨著焦距的逐步增大，視場逐漸變窄，對觀測目標也隨之更為清晰，90mm焦距時目標物體最為清晰。在變焦過程當中，也可以發(fā)現(xiàn)光標的偏移量很小，說明變焦鏡頭在變焦過程中像漂現(xiàn)象很小，變焦過程平穩(wěn)。

通過對紅外連續(xù)變焦鏡頭不同焦距下對目標觀測觀察圖可知道，每個焦距下鏡頭成像清晰，同時變焦過程中鏡頭鏡框運動流暢，位置精準。

7 結語

經過實踐，滿足設計要求，并在實際使用中得到了良好的應用。因此，優(yōu)化長徑比、合理選擇導釘位置、減小夾緊力是控制鏡框變形的關鍵。

參考文獻：

[1]李永剛，張葆，丁金偉.紅外連續(xù)變焦鏡頭的結構設計[J].長春理工大學學報（自然科學版），2009，32（1）：60-63.

[2]倪綠汀.長波紅外變焦系統(tǒng)的設計與研究[D].合肥工業(yè)大學，2013.

[3]杜廣虎.紅外連續(xù)變焦系統(tǒng)機械結構研究[D].長春理工大學，2013.