后组调焦高清变焦镜头调焦凸轮曲线分析与设计

王新夏++赖爱光+赖英辉

摘要： 后组调焦高清变焦镜头适用于前端口径较小、近距离成像要求较高及光路需要偏折的场合。近摄时，后组调焦方式获得的成像质量比用前组调焦方法更好，焦距小于50 mm时，近摄距可达0.35 m，不需要加近摄镜（前组调焦要加近摄镜），可以兼顾远近距离的高清成像要求。由于后组调焦高清变焦镜头物距与后截距的关系不是线性关系，调焦组的移动在不同焦距段的不同物距时对应不同的特征曲线，差异较大。为使调焦灵敏度处在一个合理区间，后组调焦位移不能采用通常使用的线性关系，需设计一条能覆盖这些特征曲线的非线性凸轮，因而根据其原理与结构进行了分析与设计。

关键词：

成像系统； 变焦镜头； 后组调焦； 凸轮曲线

中图分类号： TH 74文献标志码： 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，大多數视频监控变焦摄像镜头通常采用两种设计方式：1） 采用前组调焦，第二、三组元变倍、补偿；2） 采用第二、四组元变倍、补偿，第二、四组元联动调焦。前者在观察1 m内的景物且位于长焦端时很难获得好的像质，而且物距越短，前组的口径越大；后者则需要用事先设定的不同近摄距离的第二、四组元联动移动数据，在较近距离时也较难获得好的像质[1]。

在核电核废料处理等高辐射监控区域，为提高摄像机靶面抗中子流辐射的要求，需设计较大的后组空气间隔供光束偏折，并克服普通变焦镜头近摄距长、前端口径大的不足，实现整机小型化，从而在极近距离条件下，获得较好的成像质量。为适应核电监控等特殊情况，本方案采用与上述两种变焦形式完全不同的新型后组调焦结构，近摄时获得的成像质量比用前组调焦方法更好。该方案的最大特点是物距为0.50 m、焦距为最长焦距时成像质量较好，焦距小于50 mm时，近摄距可达0.35 m，不需要额外增加近摄镜（前组调焦需要加近摄镜），可以兼顾远近距离的高清成像要求，而且镜头前端体积小，可适应镜头物像转折，光学系统后组空气间隔较长，能满足监控区间的特殊要求[25]。

由于后组调焦变焦镜头的后截距位移在不同焦距段与不同近摄距时特征曲线的变化有很大不同，因此，调焦组元的移动方式成为镜头焦距检出的重要因素，也是设计难点之一。

1设计原理与分析

图1为后组调焦视频摄像高清变焦镜头原理示意图，它与前组调焦变焦系统的不同之处在于前组为固定组，通过第二、三组元变倍、补偿以实现变焦。由于前组是固定的，当物距变化时，在不同的焦距段后截距会随着物距的变化而变化，为此，需将系统中的第四组元拆分为第四、五组元，第四组元为固定组，第五组元为活动组，通过对第五组元的移动实现调焦。

计算表明，第五组元的位移量随前几组的焦距和主面位置不同而变化，调焦过程中，镜头前组的口径不变、镜头总长不变，镜头的合焦距基本不变，因调焦移动量比前组调焦小很多，调焦过程中镜头的重心位置基本不变，这对镜头的小型化及结构的可靠性是十分有利的。

3结论

后组调焦变焦镜头调焦移动的设计牵涉到调焦灵敏度，直接关系到焦距检出问题。由于曲线采用非线性凸轮设计，基本满足了后截距与不同焦段、不同近摄距之间的关系，达到了较好的实际使用效果。后组调焦变焦镜头的不足之处在于变倍组和补偿组联动的同时，后调焦组需随之移动，但因用户使用的特殊性，能满足其主要使用要求，用户最终还是选择了此方案。经小批试制及用户使用后，该方案受到用户的肯定，并将进入批量生产。由于采用防中子穿透设计，该方案也可用于农业核辐照育种及国防核设施等领域。

参考文献：

[1]王之江，顾培森.实用光学技术手册[M].北京：机械工业出版社，2006：416464.

[2]袁旭沧.光学设计[M].北京：北京理工大学出版社，1988：276280.

[3]林峰，赖爱光，乔基建.变焦系统运动模型的探讨[J].光学仪器，1992，14（2）：4548.

[4]金逢錫，金虎杰.变焦镜头结构形式的最佳选择方法[J].光学仪器，2004，26（1）：5556.

[5]赖爱光.大孔径超广角镜头设计[J].光学仪器，1981，3（4）：3540.

[6]李宏壮，张振铎.20倍双组联动变焦距光学系统设计[J].光学学报，2015，35（2）：0222003.

[7]吴长安，李焕梅.多目标自由聚焦系统[J].光学仪器，2015，37（2）：146150.

[8]翟婷婷，朱健强.连续变焦系统的一阶结构设计方法研究[J].光学学报，2015，35（7）：0722002.

[9]吕世良，刘金国，王晓茜.对地观测高分辨率TDICCD相机调焦控制系统设计[J].中国光学，2015，8（6）：10151017.

[10]王文敏，贺先枫，周庆福.照相机镜头百科[M].哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，1987：242249.

[11]王兆远.照相机：原理、结构、设计基础[M].北京：机械工业出版社，1991：220280.

[12]方绍恩.圆柱凸轮廓线设计的解析法[J].纺织基础科学学报，1994，7（2）：157160.

[13]约德.光机系统设计[M].周海宪，程云芳，译.北京：机械工业出版社，2008：692762.

[14]杨国光.光学量测仪器学[M].杭州：浙江大学出版社，1981：36119.

[15]曲兴华.仪器制造技术[M].北京：机械工业出版社，2003：244253.

（编辑：张磊）