紅外連續變焦鏡頭滑動導向機構運動分析

路文龍，李 珊，賈鈺超，李洪兵，羅 宏，王彩萍，孫 興，朱 俊

〈系統與設計〉

紅外連續變焦鏡頭滑動導向機構運動分析

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 機電工程學院，云南 昆明 650500）

由于滑動導向機構與鏡筒之間為間隙配合，在運動過程中會導致鏡片發生不同程度偏移與偏轉，因此基于柔體運動學分析理論，對不同運動姿態、不同長徑比的滑動導向機構以及導向釘與鏡片在導向機構中的排布位置進行運動仿真分析，得出運動姿態、長徑比以及導向釘與鏡片排布位置對鏡片偏移與偏轉的影響；結合實際變焦光學系統使用要求，設計嵌套式導向機構并進行仿真分析，驗證可行性；根據以上分析結果對紅外連續變焦鏡頭進行設計加工，鏡頭變焦過程成像清晰，表明此種仿真分析為紅外變焦鏡頭結構設計研究提供一種有效方法。

紅外連續變焦鏡頭；滑動導向機構；運動學仿真

0 引言

紅外連續變焦鏡頭由于其視場可以連續變化，且成像實時清晰，被廣泛應用于目標偵查、導彈追蹤以及居家安全監控設備。導向機構作為紅外連續變焦鏡頭的核心部件，直接決定鏡頭變焦過程成像質量的好壞。隨著紅外連續變焦鏡頭的不斷發展，導向機構也層出不窮，其中按照摩擦形式的不同可以分為滑動摩擦形式與滾動摩擦形式。

主鏡筒內表面為承導面，運動鏡架外圓與主鏡筒配合，進行相對滑動滑動摩擦導向機構，以可靠性能好、成本低被廣泛應用[1]；其中最為突出的代表形式是采用于兩根導向釘對運動鏡架進行導向的形式，此形式使得運動鏡架受力均勻，不易發生阻卡，同時凸輪變焦曲線布置較少，凸輪有較高的剛度，可以降低加工過程中所帶來的變形。但是此種導向機構精度比滾動摩擦形式低，精度主要是由主鏡筒與運動鏡架配合精度所決定的。在實際變焦過程當中，由于主鏡筒與運動鏡架為間隙配合，運動鏡架在運動過程會造成鏡片發生不同程度偏移與偏轉，使得光學系統光軸發生偏移，導致最終成像質量下降[2]，由此可見保證運動鏡架在運動過程當中的平穩與流暢就變得十分重要。如何降低運動鏡架在運動過程中鏡片的偏移與偏轉就成為導向機構的設計重點。劉鐵軍等提出將導向機構與鏡筒為過盈配合來降低導向機構運動對鏡片的影響[2]；而文獻中針對導向機構運動對鏡片影響的研究，相對較少。本文基于ADAMS多體動力學軟件對導向機構運動過程進行分析研究，以提升變焦過程的成像質量。

1 柔體運動學理論基礎

由于紅外連續變焦鏡頭屬于光學精密儀器，運動鏡架在運動過程中任何一個微小偏移與形變都可能會導致光學系統發生變化，因此在進行運動仿真過程中，需要將運動鏡架進行柔性化。柔體與剛體不同，在數值模擬的過程當中，柔體內各點的相對位置會隨著時間的變化而變化，無法僅依靠慣性坐標系來表述，通過引入彈性坐標系，將“剛性”運動與彈性變形相結合建立動坐標系，來表述柔體上各點的運動[3]。柔體上任意一點位置向量可以表述為：

＝0＋(＋) (1)

式中：0為點動坐標系在慣性坐標中的向量；為方向余弦矩陣；為點在動坐標系中的向量；為點相對變形向量。

對于有諸多方法進行離散，通常采用模態坐標來描述變形即：

＝f(2)

式中：為模態矩陣；f為變形的廣義坐標。

對柔性體上任意一點位置向量可以對時間求一次導數得到速度向量，以及兩次導數得到加速度向量即：

2 單個導向機構的運動分析

2.1 模型的建立

多體動力學分析軟件ADAMS建模能力并不是很強，本文基于Pro/E三維建模軟件對模型進行建立，將建立好的模型轉換成ACIS文件導入ADAMS當中。

模型主要由鏡筒、凸輪筒、運動鏡架、壓圈、導向釘和鏡片組成，其中鏡片為Ge材料，其它部件均是由Al材料構成，因此需要對模型材料的密度和彈性模量進行修改。如表1[4]所示。

表1 材料性能參數

為了準確地模擬運動鏡架在運動中對鏡片的影響，利用ADAMS/viewflex模塊，將已經導入的剛體運動鏡架柔性化。

根據實際的運動情況對模型加載約束，對鏡筒與大地采用固定連接，運動鏡架與鏡片、壓圈和導向釘采用固定副連接，鏡筒與凸輪施加旋轉副；運動鏡架與鏡筒之間添加接觸力，動摩擦系數為0.03，靜摩擦系數為0.05；導向釘與鏡筒槽和凸輪施加接觸力，由于導向釘上裝有滾珠軸承，因此靜摩擦系數設置為0.005，動摩擦系數設置為0.003[5]；最后添加重力場。通過以上設置，完成模型的建立。

2.2 導向機構運動仿真分析

導向機構在運動過程中對鏡片的影響因素諸多,但可以總結為運動鏡架運動姿態、長度以及鏡片與導向釘在運動鏡架上的位置排布。

2.2.1 運動鏡架長徑比分析

對于運動鏡架的長度分析來說，不能簡單的以具體長度來衡量，對于不同直徑、相同長度的運動鏡架，運動時對鏡片造成的影響也不同，因此選取運動鏡架不同的長度與直徑比進行分析。

如圖1所示為運動鏡架長度與直徑示意圖，運動鏡架的長度與運動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徑比0.16:1。

導向機構中兩根導向釘采用對稱排布，將導向機構的運動姿態大致分為橫姿態、豎姿態和斜45°姿態3大類運動姿態，如圖2所示?？梢愿鶕糠N姿態形式對鏡片的影響進行比較分析。

由圖3可知，隨著運動鏡架的不斷加長，鏡片的偏移與偏轉都有很大程度的降低。相比較來說，運動鏡架為橫姿態時候，變焦時鏡片的影響主要來源鏡片重力造成的軸的偏移，以及繞軸的偏轉，而其它方向偏轉與偏移的比較來說相對比較小。由于斜45°運動形式的運動鏡架，可以沿45°斜向的滑移，對于鏡片就會有兩個方向的偏移，同時在運動過程中產生繞導向釘兩個方向的偏轉，相對于單方向上的影響相對較小。而相對于運動鏡架為豎姿態來說，鏡片的偏移主要是運動鏡架與鏡筒配合間隙決定，精度越低鏡片的偏移隨之增大。通過對比3種姿態的運動情況，可以發現三姿態中豎姿態最好，斜45°姿態其次，橫姿態對鏡片的影響最大。

根據光機系統設計可知[6]，鏡片的偏移應保證在0.1mm以內，偏轉應保證在0°3￠02（0.05rad）以內。觀察分析結果可知若要滿足設計要求：當運動鏡架為橫姿態時，長徑比應在0.9:1以上；當運動鏡架為豎直姿態時，在有限的范圍內均滿足設計要求；當運動鏡架為斜45°姿態時，長徑比應在0.5:1以上；但由于鏡頭的實際使用情況不確定，每種姿態均有可能出現，因此運動鏡架長徑比盡量保證在0.9:1以上。

2.2.2 導向釘與鏡片在運動鏡架截面位置一致

根據對運動鏡架長徑比分析結果可知，在運動鏡架的長度為長徑比1.5:1的情況下，運動鏡架運動時對鏡片的影響最小，因此本次分析選取長徑比為1.5:1的運動鏡架，按比例選取鏡架5個點，分別以運動鏡架全長0位置處、1/4處、1/2處、3/4處和1位置處這5個位置進行仿真分析。導向釘與鏡片位置示意圖如圖4所示。

1）橫姿態分析

由圖5可以看出，當鏡片與導向釘在運動鏡架的最中間的時候，對鏡片的影響是最大，甚至鏡片在軸的偏移量，已經超出了光機系統設計所規定最大偏差位移0.1mm。而相比較鏡片與導向釘安置在鏡架的兩端的時候，運動鏡架運動時對鏡片的影響相對較小。

圖1 運動鏡架長度與直徑示意圖

圖2 三種不同運動姿態

圖3 不同運動姿態與不同長徑比下鏡片偏移與偏轉

圖4 導向釘與鏡片位置示意圖

2）豎姿態分析

由圖6中可以看出鏡片與導向釘位置改變時，無論在任何位置，運動鏡架運動對鏡片的影響主要是重力所帶來的鏡片軸偏移0.05mm，而軸位移也基本為零；無論從軸偏轉、軸偏轉和軸偏轉來看，鏡片的偏轉基本小于0.001rad，可以忽略不計，可以根據實際情況對鏡片與導向釘位置進行布置。

3）斜45°姿態分析

從圖7中可以看出鏡架與導向釘位置改變時，軸偏移與軸偏移量趨勢曲線成交叉分布，而焦點處就在運動鏡架中部；運動鏡架運行時對鏡片的偏轉影響無論是沿軸、軸或是軸，其偏轉最小的位置均在鏡架的中部。因此應將鏡片與導向釘盡可能布置在運動鏡架中部。

2.2.3 導向釘與鏡片在運動鏡架截面位置不一致

根據對導向釘與鏡片在運動鏡架同一截面位置時的分析結果可知，鏡片與導向釘位置改變時，會對鏡片產生不同程度的影響，為了更進一步了解鏡片與導向釘在運動鏡架上布置位置不同對鏡片所帶來的影響，需要對導向釘與鏡片在運動鏡架截面位置不一致時運動鏡架運動對鏡片的影響進行分析。鏡片與導向釘的位置關系有多種可能，并不能以鏡片與導向釘的距離尺寸為分析標準，應考慮到在不同長度的運動鏡架下，鏡片與導向釘位置分析結果同樣有效。在分析時，依然按比例選取運動鏡架上5個點，分別為以鏡架全長0位置處、1/4處、1/2處、3/4處和1位置處進行分析。為了增加分析的合理性，同時避免不必要的工作量，選取鏡片與鏡架一致時對鏡片影響最小的位置，做導向釘與鏡片不一致時在3種不同姿態下進行分析。

圖5 橫姿態鏡片與導向釘不同位置鏡片的偏移與偏轉

圖6 豎姿態鏡片與導向釘不同位置鏡片的偏移與偏轉

圖7 斜45°姿態鏡片與導向釘不同位置鏡片的偏移與偏轉

1）橫姿態分析

導向釘和鏡片在運動鏡架位置一致時，在鏡架0位置對鏡片的影響最小，通過固定鏡片改變導向釘的位置進行分析，如圖8所示為鏡片與導向釘在運動鏡架布置位置關系示意圖。

由圖9可知，運動鏡架運動主要影響鏡片軸的偏移與軸的偏轉，其中當導向釘移動到鏡架1/2位置處對鏡片影響最大，相較于導向釘布置在0位置與1位置處的影響最小。

圖8 橫姿態導向釘與鏡片位置不一致示意圖

2）豎姿態分析

導向釘和鏡片在運動鏡架位置一致時，布置在運動鏡架任何一處，對鏡片的影響都相對較小，因此，采用鏡片在0位置處固定，導向釘移動到其它位置的情況下進行分析。其分析模型示意圖如圖10所示。

由圖11可知，當導向釘與鏡片在運動鏡架位置不一致的情況下，影響鏡片的依然是軸的偏移；其中鏡片的偏轉均小于0.0009，可以忽略不計。因此導向釘位置的移動對鏡片的偏移與偏轉影響微乎其微。

3）斜45°姿態分析

導向釘和鏡片在運動鏡架位置一致時，在鏡架1/2位置運動鏡架運動對鏡片的影響最小，通過固定鏡片在1/2位置處，改變導向釘的位置，來進一步分析導向釘與鏡片位置不一致時運動鏡架運動對鏡片的影響。如圖12所示斜45°姿態導向釘與鏡片位置關系示意圖。

圖10 豎姿態導向釘與為鏡片位置不一致示意圖

圖11 豎姿態不同導向釘位置鏡片的偏移與偏轉

圖12 斜45°姿態導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曲線成交叉分布，而焦點處就在運動鏡架中部；與此同時，觀察鏡片偏轉圖可以發現，運動鏡架運行時對鏡片的偏轉影響無論是沿軸、軸或是軸，其偏轉最小的位置均在運動鏡架的中部。因此應將鏡片與導向釘盡可能布置在運動鏡架中部。

圖13 斜45°姿態不同導向釘位置鏡片的偏移與偏轉

3 嵌套式導向機構運動分析

根據以上分析結果，了解了運動鏡架在運動過程中對鏡片的影響，但將以上分析結果直接應用在實際運動鏡架設計當中，會出現如下問題：

1）在連續變焦鏡頭當中，各個鏡片之間的距離已經被嚴格確定，在結構設計時，為了降低運動鏡架運動過程中對鏡片的影響使運動鏡架加長，導致運動鏡架之間發生干涉現象。

2）雖然運動鏡架加長可以使鏡片在運動過程更加平穩，但是隨著長度的增加鏡架重量增加，啟動所需要的轉矩也隨之增大。

3）由于鏡架的加長不當，也會導致鏡頭在變焦過程當中，鏡架發生遮光現象，鏡頭無法正常使用。

針對以上問題，采用相互嵌套形式的變焦運動鏡架，如圖14所示。

對于嵌套形式運動鏡架設計是否合理，仍然需要以運動鏡架運動對鏡片造成的影響來判斷。通過對改進后的鏡架與改進前的進行比較分析，來判斷運動鏡架改進是否成功。

為了充分說明改進運動鏡架的優劣，選取每種姿態下的最優形式進行對比分析。其分析數據如表2～4所示。

通過對改進前后運動鏡架在不同姿態運動對鏡片的影響對比分析可以發現，相比較橫姿態與豎姿態，對于運動鏡架的改進后，對鏡片的影響基本上不變；但在改進后的鏡架以斜45°姿態運動時，其對鏡片的偏移與偏轉都有不同程度增大，但也均在光機系統設計所規定的公差內。因此可以判斷，改進后的運動鏡架滿足使用需求。

圖14 嵌套結構示意圖

表2 橫姿態運動鏡架改進對比

表3 豎姿態運動鏡架改進對比

表4 斜45°姿態運動鏡架改進對比

而對于鏡架加長所帶來的另為一個問題就是運動鏡架啟動所需的轉矩增大，以橫姿態啟動轉矩為例，如圖15所示為改進前后的運動鏡架所需要啟動轉矩，可以發現運動鏡架在改進后，運動鏡架啟動時所需要的轉矩大幅降低，從225N×mm降低到了140N×mm。因此也可以說明運動鏡架在改進后，滿足預期設想要求。

圖15 運動鏡架改進前后啟動轉矩對比

通過以上對導向機構的分析可以發現，嵌套式運動鏡架可以滿足設計要求，在運動鏡架設計時可以采用嵌套形式，以避免運動鏡架加長所帶來的相關問題。

4 紅外連續變焦鏡頭變焦分析

根據光學系統要求，并依照上述分析結果對紅外連續變焦鏡頭進行相關設計。將鏡頭變倍組運動鏡架設計為豎姿態運動，補償組運動鏡架設計為斜45°姿態運動，調焦組設計為運動鏡架豎姿態運動，導向釘與鏡片按分析結論布置。連續變焦鏡頭的整體裝配以及三維剖視圖如圖16～17所示。

將變焦鏡頭模型導入多體動力學軟件ADAMS，對所設計的鏡頭進行運動學仿真分析，并記錄鏡頭在運動過程當中，變倍組鏡片、補償組鏡片以及調焦組鏡片在運動過程當中的偏移量與偏轉量，以驗真是否滿足使用要求。經過仿真得出如下結果，如表5所示。

圖16 連續變焦鏡頭的整體裝配圖

圖17 紅外連續變焦鏡頭整體結構剖視圖

由表5可知，變倍組、補償組和調焦組在變焦過程中偏移量均在0.1mm以內，偏轉量均在0.05以內，導向機構滿足設計要求。

光學系統的好壞可以通過MTF來衡量，若調制傳遞接近60%即滿足光學系統基本使用要求。因此將紅外連續變焦鏡頭在變焦過程當中鏡片的偏移量與偏轉量導入CODE V光學設計軟件，生成MTF來判斷鏡頭的設計成功與否。如圖18所示，為鏡頭結構設計后在30mm、80mm和150mm焦距下的MTF圖與成像圖。

通過對所生成MTF觀察可知，均在60%左右，同時在相同焦距下成像保持清晰，最終可以認為本次對紅外連續變焦鏡頭導向設計滿足使用要求。

5 總結

本文基于ADAMS多體動力學分析軟件對紅外連續變焦鏡頭滑動導向機構的運動姿態、長徑比、鏡片與導向釘位置以及嵌套結構形式導向機構進行運動仿真分析，得出以下結論：

1）對運動鏡架在橫姿態、豎姿態和斜45°姿態長徑比運動分析，發現豎姿態相比較其它兩種姿態來說對鏡片的影響相對較小，斜45°姿態其次；同時運動鏡架的長徑比應盡量滿足0.9:1以上，才能基本滿足成像要求，由此為設計導向機構提供相關依據。

表5 紅外連續變焦鏡頭運動過程鏡片偏移與偏轉

圖18 不同焦距下調制傳遞函數與成像圖

2）在加長的運動鏡框分析基礎上，對鏡片與導向釘在運動鏡框上不同位置時，運動鏡框運動對鏡片的影響進行分析發現：當橫姿態時，鏡片與導向釘布置在運動鏡框的兩端對成像的影響較小；當豎姿態時，鏡片與導向釘的布置位置為鏡片的影響較??；當斜45°姿態時導向釘與鏡片應盡量保證同時布置在運動鏡框的中部，以提高成像質量。因此可以根據以上分析結果對鏡片與導向釘的位置進行布置。

3）通過對嵌套結構形式與普通形式導向機構進行對比，發現嵌套形式導向機構，滿足運動過程對鏡片的影響小而且不會發生遮光現象，同時降低了運動鏡框在啟動時所需轉矩；并通過對采用嵌套結構形式導向機構連續變焦鏡頭MTF進行證明了嵌套結構的可行性，因此嵌套結構形式導向機構具有一定的推廣應用價值。

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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總體設計方面的研究，E-mail：luwlchn@163.com。