Conception structurelle d'un objectif à zoom continu
Principe du système de zoom
L'objectif à zoom continu fonctionne sur le principe selon lequel la distance focale de son système optique peut être modifiée en continu dans une certaine plage, et la position du plan d'image reste inchangée pendant le réglage de la distance focale. Lorsqu'il n'est pas possible de modifier directement la puissance focale du système optique, les modifications de la distance focale ne peuvent être obtenues qu'en ajustant la distance entre chaque groupe de lentilles, ce qui est le principe fondamental du système optique à zoom.
Par conséquent, dans un système optique à zoom, la distance focale de plusieurs groupes de lentilles et la distance entre eux déterminent conjointement la distance focale du système. Comme le montre la figure ci-dessous, en général, un système optique à zoom se compose de cinq composants : un groupe de lentilles fixes avant, un groupe de lentilles à zoom, un groupe de lentilles de compensation, un groupe de lentilles fixes arrière et un groupe de mise au point. Par conséquent, les distances focales des multiples éléments d'un système optique à zoom et la distance entre chaque élément déterminent ensemble la distance focale du système. Lors du réglage de la distance focale, le groupe de lentilles à zoom et le groupe de lentilles de compensation se déplacent dans la direction correspondante en fonction des paramètres de conception optique, afin de modifier la distance entre les lentilles pour obtenir un changement de distance focale.
Prenons l'exemple du GCZ103013D : son nombre F est de 0,85-1,3, la distance focale est de 30-300 mm. Il s'agit d'un système de transmission optique comprenant cinq groupes de lentilles : un groupe fixe avant, un groupe zoom, un groupe de compensation, un groupe fixe arrière et un groupe de mise au point. Le groupe zoom effectue un mouvement linéaire, tandis que le groupe de compensation subit un mouvement non linéaire relativement faible pour maintenir une image claire tout au long du processus de zoom. Le groupe de mise au point effectue un mouvement linéaire pour ajuster la mise au point en réponse à la défocalisation causée par les changements de température.
(I)Calcul de la courbe de came pour le système
Une fois les paramètres de structure optique (rayon, espacement, matériau) de chaque groupe de lentilles déterminés, il est également nécessaire de calculer le déplacement du groupe de zoom et du groupe de compensation, afin de traiter la piste de came.
Selon l'optique gaussienne, la distance de déplacement du groupe de zoom est x. Pour garantir la stabilité du plan image, le déplacement y du groupe de compensation peut être calculé de la manière suivante :
Dans la formule : d s23 est l'intervalle entre le groupe de zoom et le groupe de compensation à courte distance focale ; f 2 ' est la distance focale du groupe de zoom ; f 3 ' est la distance focale du groupe de compensation ; l 2 ' est la distance image du groupe de zoom ; l 3 ' est la distance image du groupe de compensation. Éliminez la distance objet du groupe de zoom l 2 * dans les deux formules ci-dessus. La formule simplifiée est la suivante :
Dans la formule :
Solution:
Le déplacement de compensation y prend la racine avec la valeur absolue la plus petite. S'il n'y a pas de racine réelle de y pendant le mouvement du groupe de zoom, cela indique une rupture de la courbe, rendant le zoom continu impossible. Le système optique doit alors être recalculé, ajusté, optimisé, etc.
Sur la base de la formule de solution ci-dessus, la courbe de came du système de zoom est illustrée sur la figure. On peut voir que la course maximale du groupe de zoom est de 54 mm et la course maximale du groupe de compensation est de 27,5 mm ; la courbe du groupe de compensation change en douceur et les deux groupes de courbes peuvent être utilisés pour le traitement des pistes de came.
(II) Conception du mécanisme de zoom
La came de zoom tourne sans espace sous l'action de la bille et de la bague de retenue de came, réduisant efficacement le couple de sortie du moteur en convertissant le frottement de glissement en frottement de roulement. Lorsque le moteur entraîne la came en rotation, la came transmet le mouvement à la glissière de zoom et à la glissière de compensation via la broche de guidage. Sous le guidage des rainures droites sur le tube de l'objectif principal, la glissière de zoom et la glissière de compensation convertissent le mouvement de rotation de la came en mouvement parallèle de la glissière le long de la direction de l'axe optique, réalisant ainsi un zoom. La rainure de courbe de zoom et la rainure de courbe de compensation sur la came sont traitées avec précision pour garantir que les mouvements de zoom et de compensation correspondent l'un à l'autre point par point, en maintenant la clarté tout au long du zoom continu.
Étant donné que le système exige que la cohérence de l'axe optique soit inférieure à A pendant le processus de zoom, la longueur effective de correspondance de la glissière de zoom, de la glissière de compensation et du tube de l'objectif principal est de L mm, et l'écart entre la glissière et le tube doit être inférieur à h=L×tan(A). Par conséquent, la glissière de zoom et la glissière de compensation doivent correspondre au tube de l'objectif principal, et l'écart est contrôlé dans la plage de h pour assurer un mouvement fluide de la glissière de zoom et de la glissière de compensation tout en répondant aux exigences de stabilité de l'axe optique.
(III) Analyse par éléments finis de la came
Conformément aux exigences d'adaptabilité environnementale, l'objectif doit résister à une force d'impact maximale de 10 g, garantissant que la déformation de la glissière et de la came reste dans la plage d'erreur optiquement admissible pour répondre aux exigences de performance. La glissière de zoom, la glissière de compensation et la came sont fabriquées en aluminium ultra-dur 7A09, avec un coefficient de Poisson de 0,33, un module d'élasticité de 73 GPa, une limite d'élasticité ≥ 400 MPa et une densité de 2,78 × 10-6 kg/mm3. L'ensemble zoom pèse 0,4 kg, l'ensemble compensation pèse 0,4 kg et la came pèse 0,5 kg.
Français Compte tenu des caractéristiques structurelles, la came subit la force axiale maximale à travers les goupilles de guidage pendant les chocs. Pour la force axiale de la came, chaque rainure de courbe de came subit une force axiale de 10×0,4/2kg=20N, et l'extrémité de support axial de la came subit une force de réaction de 10×(0,4+0,4+0,5)kg=130N. Un déplacement fixe est appliqué à l'extrémité de support de came pour l'analyse statique. Les résultats de l'analyse sont présentés dans la figure ci-dessous. La déformation maximale est de 0,01467 mm, ce qui se situe dans la plage de déformation optique admissible. La contrainte maximale est de 10,85 MPa ＜ limite d'élasticité de 400 MPa, de sorte que la résistance de la came répond aux exigences.
(IV) Analyse par éléments finis du glissement
(IV) Analyse par éléments finis du glissement
En raison des caractéristiques structurelles, la glissière de zoom et la glissière de compensation subissent une déformation maximale sous l'effet des forces radiales, avec une force maximale de 10 × 0,4 kg = 40 N. Un déplacement fixe est appliqué au diamètre intérieur de la glissière pour l'analyse statique. Les résultats de l'analyse sont présentés dans la figure ci-dessous. La déformation maximale de la glissière de zoom est de 0,00683 mm, la contrainte maximale est de 3,2 MPa, tandis que la déformation maximale de la glissière de compensation est de 0,00135 mm et la contrainte maximale est de 1,47 MPa. La déformation est introduite dans le logiciel optique pour la simulation, et il n'y a presque aucun effet sur l'imagerie. Par conséquent, la résistance de la glissière de zoom et de la glissière de compensation répond aux exigences.
(V) Vérification de la résistance de la goupille de guidage du zoom
Chaque ensemble zoom et compensation pèse 0,4 kg et la force d'impact maximale est de 40 N sous un choc de 10 g. Chaque goupille de guidage subit une force de cisaillement maximale de 20 N. La section transversale minimale de la goupille de guidage est de 4,52 × 10-4 m2 et est fabriquée en laiton HPb59-1, et la contrainte de cisaillement admissible est de 200 MPa.
La contrainte de cisaillement maximale sur la goupille de guidage est : T = 20/(4,52 × 10-4), Pa = 4,42 × 104Pa ＜200 MPa, la résistance de la goupille répond donc aux exigences.
