Conception optimale de la caméra pour objectif zoom
Le développement rapide de la technologie de conception et de fabrication optique, de la technologie de fabrication de machines de précision, de la technologie de fabrication CCD et de la technologie électronique, combiné à la variabilité du champ de vision (distance focale) de l'objectif zoom, rend l'objectif zoom de plus en plus largement utilisé. .
À l'heure actuelle, l'objectif zoom adopte généralement une structure optique à compensation mécanique, et le nombre de composants variables est principalement de deux groupes ou plus. La conception optique de l'objectif zoom et la conception structurelle du mécanisme de mouvement du zoom sont toutes deux difficiles.
L'optimisation de la caméra zoom est la clé de la réalisation de l'objectif de conception optique et enfin de la réalisation de l'objectif zoom. La conception de l’objectif zoom militaire doit également prendre en compte la fluidité du mouvement du zoom et la vitesse du processus de zoom. Cet article traite principalement de la méthode d'optimisation de la caméra à objectif zoom de type compensation mécanique à deux éléments variables.
Principales exigences techniques
Selon les exigences réelles de l'application, les principaux indicateurs de conception de l'objectif zoom sont les suivants :
(1) Masse : m≤1500g ;
(2) La distance focale est de 24 ~ 120 ram, la durée totale du zoom est de 6 s ± 1 s ;
(3) L'ouverture relative équivalente maximale est de 1:4,0 ;
(4) Fonction de transfert optique :
0 Champ de vision : MTF≥0,6(21lp/mm)
Champ de vision 0,71 : MTF≥0,5 (15lp/mm) ;
(5) Le déplacement du plan de l'image pendant le zoom ne dépasse pas ±0,1 mm ;
(6) Le déplacement de l'axe optique pendant le zoom n'est pas supérieur à ±0,12 mm.
Optimisation de la caméra zoom
La figure 1 montre la structure optique d'un objectif zoom. L'objectif adopte un système de compensation mécanique à deux composants variables avec un grossissement variable de groupe négatif et une compensation de groupe positif.
Le groupe de zoom à structure simple-double et le groupe de compensation de structure simple-simple ont une correspondance biunivoque entre les positions mobiles et doivent être contrôlés par un mécanisme à came complexe. Théoriquement, les plans d’image de toutes les focales peuvent rester cohérents.
Figure 1 : Forme optique d'un objectif zoom
Une fois les paramètres optiques de l'objectif zoom optimisés et déterminés par la conception optique, une série de points de données de caméra correspondant les uns aux autres doivent être calculés. Le calcul des données de came est la condition préalable à l'usinage précis des cames mécaniques. La quantité de données doit être déterminée par essai.
Afin de garantir la précision de la came ainsi que la fluidité et la rapidité du mouvement du zoom, la longueur de pas de la ligne de came doit être comprise entre 002 et 0,05 mm. Dans le même temps, l'angle de montée des deux ensembles de courbes de came doit être aussi petit que possible et équilibré.
Il existe de nombreuses façons de calculer des cames, mais la programmation du langage macro Macro-PIUS est requise dans le logiciel de conception optique CODE V. La partie du programme macro compilée lors du processus d'optimisation des cames est donnée ci-dessous. Grâce à ce programme, le logiciel de conception optique CODE V peut être utilisé pour réaliser l'optimisation de la came d'un objectif à zoom continu à deux éléments variables.
En utilisant le corps principal du programme, les trois types de caméras sont optimisés et comparés pour l'objectif à zoom continu développé.
(1) L'angle de came a une relation linéaire avec la distance focale
La figure 2 est un diagramme schématique du résultat de l'optimisation de la courbe de came dans une relation linéaire entre l'angle de rotation de la came et le changement de distance focale. La came conçue a un petit angle de levée aux focales moyennes et longues, mais l'angle de levée local de l'ordre de 15 mm à l'extrémité de la focale courte est grand, jusqu'à 67°, la came est difficile à entraîner et le couple d'entraînement est déséquilibré, donc cette méthode d’optimisation n’est pas réalisable.
Figure 2 : L'angle de rotation de la came est linéaire avec EFL
(2) L'angle de came a une relation linéaire avec l'intervalle variable
La figure 3 est un diagramme schématique du résultat de l'optimisation de la courbe de came dans une relation linéaire entre l'angle de rotation de la came et l'intervalle d'air variable. La came conçue a des angles de levage acceptables dans les focales moyennes et courtes, mais l'angle de levage local dans la plage de 20 mm de la longue focale est plus grand, jusqu'à 56°, ce qui n'est pas propice à l'entraînement par came et à l'équilibre dynamique du couple. Cette méthode n'est pas conseillée.
Figure 3 : L'angle de rotation de la came est linéaire avec une épaisseur variable
(3) Caméra à zoom optimisée hybride
En combinant les avantages des deux méthodes d'optimisation de came linéaire illustrées aux figures 2 et 3 dans la conception, la came est utilisée pour le traitement hybride, la focale courte et la focale moyenne sont utilisées pour le traitement des changements linéaires à intervalle variable, et la longue focale. la distance focale est utilisée pour le traitement des changements linéaires de distance focale.
Après essai, une came hybride telle que représentée sur la figure 4 a été obtenue. L'angle de levage complet de la came passive est inférieur à 38° et l'angle de levage maximum local de la came d'action est de 39°. Les angles de levage des deux cames correspondent bien, le mouvement de la came est fluide et le couple moteur est équilibré, c'est pourquoi cette méthode d'optimisation est adoptée.
Figure 4 : Came optimisée pour le mixage
Dans le processus d'optimisation des trois types de cames ci-dessus, les deux courbes de came sont basées sur une surface commune spécifique et leur dessin est automatiquement réalisé en exécutant le programme macro Macro-PLUS créé par nous-mêmes via la fonction d'option UGR de CODEV.
La longueur de rotation est déterminée par le diamètre attendu et l'angle de rotation attendu de la came. Étant donné que la longueur axiale du groupe zoom et du groupe de compensation du système est très courte, la structure mécanique du groupe zoom et du groupe de compensation présente un diamètre relativement grand.
Afin d'assurer la fluidité du mouvement du zoom, la came adopte la méthode du « double entraînement de diamètre » pour piloter le mouvement du groupe de zoom et du groupe de compensation. Par conséquent, après avoir pris en compte la résistance des composants mécaniques de la came, un angle de rotation prévu de la came de 160° est adopté.
Le résultat de la caméra hybride optimisée de la figure 4 a été appliqué pratiquement dans les deux ensembles d'objectifs zoom qui ont été développés. Des tests tels que l'inspection optique, les vibrations, les températures élevées et basses et l'utilisation réelle montrent que la conception optique et l'optimisation de la came de l'objectif zoom sont réussies.
Le test du programme macro Macro-PLUS compilé par moi-même pour différents points de données de came et différentes conceptions optiques à deux composants montre que la procédure et la méthode de contrôle du programme sont parfaitement adaptées à la conception d'optimisation de came d'autres composants à compensation mécanique à deux composants. objectifs zoom.
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Auteurs : Junhe Meng, Zhen Zhang, Xingwen Sun (Institut de physique technique de Tianjin, Tianjin 300192)
Source du journal : Vol. 31 No.1, Ingénierie infrarouge et laser, février 2002
Date de réception : 2001-05-23 Date de révision : 2001-10-12
À propos de l'auteur : Junhe Meng (1963-), homme, originaire de Tianjin, chercheur, tuteur de maîtrise, principalement engagé dans la recherche en conception optique, et a publié plus de 10 articles.
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