Конструктивная схема объектива с непрерывным зумом
Принцип системы масштабирования
Объектив с непрерывным зумом работает по принципу, что фокусное расстояние его оптической системы может изменяться непрерывно в определенном диапазоне, а положение плоскости изображения остается неизменным во время регулировки фокусного расстояния. Когда невозможно напрямую изменить фокусную силу оптической системы, изменения фокусного расстояния могут быть достигнуты только путем регулировки расстояния между каждой группой линз, что является основополагающим принципом оптической системы с зумом.
Таким образом, в зум-оптической системе фокусное расстояние нескольких групп линз и расстояние между ними совместно определяют фокусное расстояние системы. Как показано на рисунке ниже, в общем случае зум-оптическая система состоит из пяти компонентов: передней фиксированной группы линз, группы зум-линз, группы компенсационных линз, задней фиксированной группы линз и фокусной группы. Таким образом, фокусные расстояния нескольких элементов в зум-оптической системе и расстояние между каждым элементом совместно определяют фокусное расстояние системы. При регулировке фокусного расстояния группа зум-линз и группа компенсационных линз перемещаются в соответствующем направлении в соответствии с параметрами оптической конструкции, чтобы изменить расстояние между линзами и добиться изменения фокусного расстояния.
Возьмем в качестве примера GCZ103013D : его число F составляет 0,85-1,3, фокусное расстояние — 30-300 мм. Это оптическая система передачи, состоящая из пяти групп линз: передняя фиксированная группа, группа зума, группа компенсации, задняя фиксированная группа, группа фокусировки. Группа зума выполняет линейное перемещение, в то время как группа компенсации подвергается относительно небольшому нелинейному перемещению для поддержания четкости изображения в течение всего процесса зума. Группа фокусировки выполняет линейное перемещение для регулировки фокусировки в ответ на расфокусировку, вызванную изменениями температуры.
(I)Расчет кривой кулачка для системы
После определения параметров оптической структуры (радиус, расстояние, материал) каждой группы линз необходимо также рассчитать смещение группы зума и группы компенсации, чтобы обработать кулачковую направляющую.
Согласно гауссовой оптике, пусть расстояние перемещения группы зума будет x. Чтобы гарантировать, что плоскость изображения остается стабильной, смещение y группы компенсации можно рассчитать по формуле:
В формуле: d s23 — интервал между группой зума и группой компенсации при коротком фокусном расстоянии; f 2 ' — фокусное расстояние группы зума; f 3 ' — фокусное расстояние группы компенсации; l 2 ' — расстояние до изображения группы зума; l 3 ' — расстояние до изображения группы компенсации. Исключите расстояние до объекта группы зума l 2 * из двух приведенных выше формул. Упрощенная формула выглядит следующим образом:
В формуле:
Решение:
Компенсационное смещение y берет корень с меньшим абсолютным значением. Если при движении группы зума нет действительного корня y, это указывает на разрыв кривой, что делает невозможным непрерывное зумирование. Тогда оптическую систему необходимо пересчитать, настроить, оптимизировать и т. д.
На основе приведенной выше формулы решения кривая кулачка системы масштабирования показана на рисунке. Видно, что максимальный ход группы масштабирования составляет 54 мм, а максимальный ход группы компенсации составляет 27,5 мм; кривая группы компенсации плавно изменяется, и обе группы кривых могут использоваться для обработки кулачкового трека.
(II) Конструкция механизма масштабирования
Кулачок зума вращается без зазоров под действием шарика и кольца фиксатора кулачка, эффективно снижая выходной крутящий момент двигателя путем преобразования трения скольжения в трение качения. Когда двигатель приводит кулачок во вращение, кулачок передает движение на слайд зума и слайд компенсации через направляющий штифт. Под руководством прямых канавок на основной линзовой трубке слайд зума и слайд компенсации преобразуют вращательное движение кулачка в параллельное движение слайда вдоль направления оптической оси, тем самым достигая зуммирования. Канавка кривой зума и канавка кривой компенсации на кулачке точно обработаны, чтобы гарантировать, что движения зума и компенсации соответствуют друг другу точка за точкой, сохраняя четкость на протяжении всего непрерывного зуммирования.
Поскольку система требует, чтобы согласованность оптической оси была меньше A во время процесса масштабирования, эффективное соответствие длины слайдера масштабирования, слайдера компенсации и основного тубуса объектива составляет L мм, а зазор между слайдером и тубусом должен быть меньше h=L×tan(A). Поэтому слайдер масштабирования и слайдер компенсации должны соответствовать основному тубусу объектива, а зазор контролируется в диапазоне h для обеспечения плавного перемещения слайдера масштабирования и слайдера компенсации при соблюдении требований стабильности оптической оси.
(III) Конечно-элементный анализ кулачка
Согласно требованиям адаптации к окружающей среде, объектив должен выдерживать максимальную ударную силу 10 г, гарантируя, что деформация слайда и кулачка останется в пределах оптически допустимой погрешности для соответствия требованиям к производительности. Слайд зума, компенсационный слайд и кулачок изготовлены из сверхтвердого алюминия 7A09 с коэффициентом Пуассона 0,33, модулем упругости 73 ГПа, пределом текучести ≥400 МПа и плотностью 2,78×10-6 кг/мм3. Сборка зума весит 0,4 кг, сборка компенсации весит 0,4 кг, а кулачок весит 0,5 кг.
Учитывая структурные характеристики, кулачок испытывает максимальную осевую силу через направляющие штифты во время ударов. Для осевой силы кулачка каждая канавка кривой кулачка испытывает осевую силу 10×0,4/2кг=20Н, а конец осевой опоры кулачка испытывает силу реакции 10×(0,4+0,4+0,5)кг=130Н. Фиксированное смещение применяется к концу опоры кулачка для статического анализа. Результаты анализа показаны на рисунке ниже. Максимальная деформация составляет 0,01467 мм, что находится в пределах оптически допустимого диапазона деформации. Максимальное напряжение составляет 10,85МПа < предел текучести 400МПа, поэтому прочность кулачка соответствует требованиям.
(IV) Конечно-элементный анализ слайда
(IV) Конечно-элементный анализ слайда
Из-за структурных характеристик зум-слайд и компенсационный слайд испытывают максимальную деформацию под действием радиальных сил с максимальной силой 10×0,4 кг = 40 Н. Фиксированное смещение применяется к внутреннему диаметру слайда для статического анализа. Результаты анализа показаны на рисунке ниже. Максимальная деформация зум-слайда составляет 0,00683 мм, максимальное напряжение составляет 3,2 МПа, в то время как максимальная деформация компенсационного слайда составляет 0,00135 мм, а максимальное напряжение составляет 1,47 МПа. Деформация вносится в оптическое программное обеспечение для моделирования, и на изображение практически не оказывается влияния. Таким образом, прочность зум-слайда и компенсационного слайда соответствует требованиям.
(V) Проверка прочности направляющего штифта зума
Каждый узел зума и компенсации весит 0,4 кг, а максимальная сила удара составляет 40 Н при ударе 10 г. Каждый направляющий штифт испытывает максимальную силу сдвига 20 Н. Минимальная площадь поперечного сечения направляющего штифта составляет 4,52×10-4 м2 и изготовлен из латуни HPb59-1, а допустимое напряжение сдвига составляет 200 МПа.
Максимальное касательное напряжение на направляющем штифте составляет: T = 20/(4,52 × 10-4), Pa = 4,42 × 104Pa < 200MPa, поэтому прочность штифта соответствует требованиям.
