王新夏++賴愛光+賴英輝

摘要： 后組調焦高清變焦鏡頭適用于前端口徑較小、近距離成像要求較高及光路需要偏折的場合。近攝時，后組調焦方式獲得的成像質量比用前組調焦方法更好，焦距小于50 mm時，近攝距可達0.35 m，不需要加近攝鏡（前組調焦要加近攝鏡），可以兼顧遠近距離的高清成像要求。由于后組調焦高清變焦鏡頭物距與后截距的關系不是線性關系，調焦組的移動在不同焦距段的不同物距時對應不同的特征曲線，差異較大。為使調焦靈敏度處在一個合理區(qū)間，后組調焦位移不能采用通常使用的線性關系，需設計一條能覆蓋這些特征曲線的非線性凸輪，因而根據(jù)其原理與結構進行了分析與設計。

關鍵詞：

成像系統(tǒng)； 變焦鏡頭； 后組調焦； 凸輪曲線

中圖分類號： TH 74文獻標志碼： 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(shù)視頻監(jiān)控變焦攝像鏡頭通常采用兩種設計方式：1） 采用前組調焦，第二、三組元變倍、補償；2） 采用第二、四組元變倍、補償，第二、四組元聯(lián)動調焦。前者在觀察1 m內的景物且位于長焦端時很難獲得好的像質，而且物距越短，前組的口徑越大；后者則需要用事先設定的不同近攝距離的第二、四組元聯(lián)動移動數(shù)據(jù)，在較近距離時也較難獲得好的像質[1]。

在核電核廢料處理等高輻射監(jiān)控區(qū)域，為提高攝像機靶面抗中子流輻射的要求，需設計較大的后組空氣間隔供光束偏折，并克服普通變焦鏡頭近攝距長、前端口徑大的不足，實現(xiàn)整機小型化，從而在極近距離條件下，獲得較好的成像質量。為適應核電監(jiān)控等特殊情況，本方案采用與上述兩種變焦形式完全不同的新型后組調焦結構，近攝時獲得的成像質量比用前組調焦方法更好。該方案的最大特點是物距為0.50 m、焦距為最長焦距時成像質量較好，焦距小于50 mm時，近攝距可達0.35 m，不需要額外增加近攝鏡（前組調焦需要加近攝鏡），可以兼顧遠近距離的高清成像要求，而且鏡頭前端體積小，可適應鏡頭物像轉折，光學系統(tǒng)后組空氣間隔較長，能滿足監(jiān)控區(qū)間的特殊要求[25]。

由于后組調焦變焦鏡頭的后截距位移在不同焦距段與不同近攝距時特征曲線的變化有很大不同，因此，調焦組元的移動方式成為鏡頭焦距檢出的重要因素，也是設計難點之一。

1設計原理與分析

圖1為后組調焦視頻攝像高清變焦鏡頭原理示意圖，它與前組調焦變焦系統(tǒng)的不同之處在于前組為固定組，通過第二、三組元變倍、補償以實現(xiàn)變焦。由于前組是固定的，當物距變化時，在不同的焦距段后截距會隨著物距的變化而變化，為此，需將系統(tǒng)中的第四組元拆分為第四、五組元，第四組元為固定組，第五組元為活動組，通過對第五組元的移動實現(xiàn)調焦。

計算表明，第五組元的位移量隨前幾組的焦距和主面位置不同而變化，調焦過程中，鏡頭前組的口徑不變、鏡頭總長不變，鏡頭的合焦距基本不變，因調焦移動量比前組調焦小很多，調焦過程中鏡頭的重心位置基本不變，這對鏡頭的小型化及結構的可靠性是十分有利的。

3結論

后組調焦變焦鏡頭調焦移動的設計牽涉到調焦靈敏度，直接關系到焦距檢出問題。由于曲線采用非線性凸輪設計，基本滿足了后截距與不同焦段、不同近攝距之間的關系，達到了較好的實際使用效果。后組調焦變焦鏡頭的不足之處在于變倍組和補償組聯(lián)動的同時，后調焦組需隨之移動，但因用戶使用的特殊性，能滿足其主要使用要求，用戶最終還是選擇了此方案。經小批試制及用戶使用后，該方案受到用戶的肯定，并將進入批量生產。由于采用防中子穿透設計，該方案也可用于農業(yè)核輻照育種及國防核設施等領域。

參考文獻：

[1]王之江，顧培森.實用光學技術手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006：416464.

[2]袁旭滄.光學設計[M].北京：北京理工大學出版社，1988：276280.

[3]林峰，賴愛光，喬基建.變焦系統(tǒng)運動模型的探討[J].光學儀器，1992，14（2）：4548.

[4]金逢錫，金虎杰.變焦鏡頭結構形式的最佳選擇方法[J].光學儀器，2004，26（1）：5556.

[5]賴愛光.大孔徑超廣角鏡頭設計[J].光學儀器，1981，3（4）：3540.

[6]李宏壯，張振鐸.20倍雙組聯(lián)動變焦距光學系統(tǒng)設計[J].光學學報，2015，35（2）：0222003.

[7]吳長安，李煥梅.多目標自由聚焦系統(tǒng)[J].光學儀器，2015，37（2）：146150.

[8]翟婷婷，朱健強.連續(xù)變焦系統(tǒng)的一階結構設計方法研究[J].光學學報，2015，35（7）：0722002.

[9]呂世良，劉金國，王曉茜.對地觀測高分辨率TDICCD相機調焦控制系統(tǒng)設計[J].中國光學，2015，8（6）：10151017.

[10]王文敏，賀先楓，周慶福.照相機鏡頭百科[M].哈爾濱：黑龍江科學技術出版社，1987：242249.

[11]王兆遠.照相機：原理、結構、設計基礎[M].北京：機械工業(yè)出版社，1991：220280.

[12]方紹恩.圓柱凸輪廓線設計的解析法[J].紡織基礎科學學報，1994，7（2）：157160.

[13]約德.光機系統(tǒng)設計[M].周海憲，程云芳，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2008：692762.

[14]楊國光.光學量測儀器學[M].杭州：浙江大學出版社，1981：36119.

[15]曲興華.儀器制造技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003：244253.

（編輯：張磊）