[发明专利]红外光学系统变焦导向驱动机构及控制方法

说明书

红外光学系统变焦导向驱动机构及控制方法，属于红外成像技术领域，尤其涉及一种光学系统变焦导向驱动机构及其控制方法。红外光学系统变焦导向驱动机构，包括一根光杆导轨与一根齿条导轨，以及带有增量式编码器的电机，两根导轨平行安装于同一个平面，变倍光学系统及补偿光学系统均通过滑块安装在两根导轨之上。红外光学系统变焦导向驱动机构控制方法中，变倍光学系统电机匀速转动，补偿光学系统电机则按补偿曲线方程非匀速转动。本发明的机构具有结构紧凑空间占用小，易于实现小型化；运行速度快，易于实现快速变焦或视场切换；垂轴向稳定性好，光轴热稳定性、一致性好；平行布置的双导轨载荷承载能力大等特点。

技术领域

本发明属于红外成像技术领域，尤其涉及一种光学系统变焦导向驱动机构及其控制方法。

背景技术

红外光学系统按照其变焦过程中光学系统的焦距值是否连续变化可分为两类:一类为非连续变焦系统( 切换式变焦系统) ，即通过切换光学系统中的相关透镜组来改变光学系统的焦距值，即切换式变倍结构形式，通常被使用的主要由两档变倍和三档变倍;另一类为连续变焦，通过透镜组及补偿镜组轴向间隙的连续变化而改变光学系统的焦距值，即连续变焦结构形式。

随变焦距光学系统的基本原理是利用光学系统中两个或两个以上光学透镜组的移动来改变系统的组合焦距，同时保持像面位置不动，且在变焦过程中像质始终保持良好。常用的变焦距光学系统一般由前固定组、变倍组、补偿组、后固定组等四个透镜组组成。在结构设计中设计一套机构实现连续变焦功能，保证变倍透镜组和补偿透镜组沿光轴方向按照不同的移动轨迹连续移动。变倍透镜组和补偿透镜组沿光轴方向移动过程中会造成系统光轴的跳动，光轴跳动量的大小直接影响光学系统的成像质量，因此变倍透镜组和补偿透镜组移动的导向驱动机构设计是结构设计的核心技术。

现有导向驱动机构种类很多，常用的机构有以下几种形式：

1、一根光杠导轨和滚珠丝杠电机驱动组合机构。这种结构精度较高、运行速度快，由于变倍和补偿同时移动的轨迹不同，需要两套导向驱动机构，占用较大空间，控制系统设计也有难度。这种机构垂轴方向稳定性较差，在连续变焦过程中，滚珠丝杆的震动容易传递至运动透镜组，会出现图像抖动的现象。因此该机构大多用于两视场、单运动透镜组（该透镜兼变倍和调焦功能）一类红外光机系统。

2、平行放置的两根光杠导轨和滚珠丝杠电机驱动组合机构。这种结构变位精度高、运行速度快、负载承载大。变倍和补偿同时移动的轨迹不同，需要两套导向驱动机构，占用较大空间，控制系统设计也有难度。在连续变焦过程中，滚珠丝杆的震动容易传递至透镜，会出现图像抖动的现象。

3、垂直放置的两根光杠导轨和滚珠丝杠电机驱动组合机构。这种结构变位精度高，承载大，由于是过定位结构，装调难度大，在环境温度变化较大时，其光轴热稳定性差，易产生机构卡死现象。变倍和补偿同时移动的轨迹不同，需要两套导向驱动机构，占用较大空间，控制系统设计也有难度。在连续变焦过程中，滚珠丝杆的震动容易传递至透镜，会出现图像抖动的现象。

4、光杠导轨和凸轮杆电机驱动组合机构。这种机构在运动过程中舒适平稳，不易出现卡死现象，凸轮杆驱动变倍组及补偿组透镜按照凸轮曲线规律运动，另外还需设计一组调焦组进行高低温像面热补偿。这种凸轮杆导向机构加工难度大、空间占用大、运动精度低、垂轴向光轴热稳定性差。另外这种机构运行速度慢，不易实现快速视场切换及快速变焦。

5、三组凸轮筒组合嵌套电机驱动机构。这种机构需要变倍组、补偿组、调焦组三组凸轮筒组合嵌套构成，凸轮筒加工难度大，嵌套组合后光轴热稳定性差、光轴一致性差、装调不便，多用于民用领域。另外这种机构运行速度慢，不易实现快速视场切换及快速变焦。

发明内容

本发明的目的是提出一种新型的基于齿条型导轨和增量式电机编码器的直驱变倍调焦机构，简化了结构，易于装调，稳定性好。