一种提高变焦光学系统调焦精度的方法技术方案

本发明专利技术属于变焦光学系统优化设计方法，为解决现有提高调焦精度的方法，未同时兼顾调焦量，导致调焦组调焦行程过大，造成调焦慢和调焦精度提高不足的技术问题，提供一种提高变焦光学系统调焦精度的方法，包括S1，变焦光学系统成像质量优化设计；S2，变焦光学系统被动半无热化设计；S3，变焦光学系统调焦凸轮曲线设计；S4，调整确认调焦精度。从光学系统这个本源入手，提出变焦光学系统采用被动半无热化设计方法，即短焦为被动无热化设计，调焦凸轮曲线采用线性设计的方法。既极大的减小了调焦组调焦量，有利于变焦系统快速对焦；又大大提高了系统调焦精度，克服传统调焦曲线的不足。

【技术实现步骤摘要】
一种提高变焦光学系统调焦精度的方法
本专利技术属于变焦光学系统优化设计方法，具体涉及一种提高变焦光学系统调焦精度的方法。
技术介绍
变焦镜头的应用已有几十年的历史，被广泛应用于生活的各个方面。变焦镜头光路结构一般由前固定组、变倍组、补偿组和后固定组构成。通常选择固定组作为调焦组，通过调焦组沿光轴方向的前后移动，补偿因变焦系统受外界环境温度、目标距离远近变化等影响造成的离焦，保证整个系统的成像清晰度。调焦精度是变焦系统的一个重要指标，调焦精度一般取光学系统焦深的1/2～1/4，它直接影响变焦系统调焦后成像清晰度和成像质量MTF的高低。常见的调焦结构是，在调焦凸轮筒上加工调焦凸轮曲线，通过电机驱动的齿轮啮合在调焦凸轮筒上，调焦时，由电机带动调焦凸轮筒移动，调焦组在调焦凸轮曲线的约束下，沿轴向在一定范围内移动，实现调焦的目的。电位计与调焦凸轮直接相连或间接相连，实现调焦凸轮转动角度的测量。由此可见，调焦精度与变焦光学设计的调焦总行程、调焦凸轮曲线(包括凸轮直径和凸轮转角)、电位计角度控制精度以及电位计与变倍凸轮之间的减速比等密切相关。在光学系统完成设计的情况下，若要提高调焦精度，只能通过提高电位计角度测量精度，增大调焦凸轮直径和增大调焦凸轮转角实现：(1)提高电位计角度测量精度，有一定作用效果，但提高程度有限，，而且高精度测角器件成本昂贵；(2)增大调焦凸轮直径，不利于变焦系统小型化设计，整个系统的体积和重量都会增加；(3)增大调焦凸轮转角，一方面提升效果有限，另一方面调焦凸轮曲线的弧长会急剧增大，既不利于变焦系统快速调焦，对系统的力学性能也会产生影响，最重要的是，传统变焦系统调焦凸轮曲线的调焦行程与其弧长多为三次方、五次方等奇次方关系，这种曲线特性一方面导致调焦凸轮曲线在调焦零位斜率非常接近零，调焦灵敏度非常高，但调焦组行程变化非常缓慢，不利于快速调焦；另一方面，在调焦行程两端，斜率快速增大，调焦精度会急剧下降，甚至无法满足调焦精度的要求。上述提高调焦精度的方法仅是从光学系统成像质量的优化设计方面考虑，对于如何减少调焦量，提高调焦精度在设计阶段并未进行约束，往往会导致后期调焦组调焦行程过大，造成调焦慢、调焦精度提升不足等问题。
技术实现思路
本专利技术主要目的是解决现有提高调焦精度的方法，未同时兼顾调焦量，导致调焦组调焦行程过大，造成调焦慢和调焦精度提高不足的技术问题，提供一种提高变焦光学系统调焦精度的方法。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种提高变焦光学系统调焦精度的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：S1，优化变焦光学系统成像质量调整变焦光学系统初始结构光学参数和/或调整变焦光学系统各组元光学结构和/或调整变焦光学系统初始结构，直至变焦光学系统传递函数MTF数值满足预设要求；S2，确认变焦光学系统的短焦为被动无热化S2.1，分析变焦光学系统短焦的温度特性，确认变焦光学系统短焦是否为被动无热化设计；若是，则继续执行步骤S2.2；否则，调整对短焦像质影响最大的组元，再重新执行步骤S1，直至变焦光学系统短焦实现被动无热化设计；S2.2，确认变焦光学系统中调焦组的调焦总行程；S3，确定变焦光学系统调焦凸轮曲线根据步骤S2.2中确认的调焦总行程设计线性的调焦凸轮曲线，使调焦凸轮曲线的弧长与调焦组轴向移动量呈线性变化；S4，调整确认调焦精度分析调焦精度是否同时满足变焦光学系统长焦和变焦光学系统短焦的预设调焦精度要求；若满足，完成调焦精度的光学设计；否则，调整调焦凸轮参数，再重复步骤S3，直至调焦精度同时满足变焦光学系统长焦和变焦光学系统短焦的预设调焦精度要求。进一步地，步骤S1中，所述变焦光学系统初始结构光学参数包括曲率半径、光学材料、各组元透镜厚度和光学间隔。进一步地，步骤S2中，所述调整对短焦像质影响最大的组元具体为，确认对短焦像质影响最大的组元，更换该组元中透镜的光学材料，或者增加短焦温度多重结构。进一步地，步骤S3中，所述根据步骤S2.2中确认的调焦总行程设计线性的调焦凸轮曲线具体为，根据步骤S2.2中确认的调焦总行程，基于电位计精度、调焦凸轮曲线转角、调焦凸轮直径和调焦凸轮减速比设计线性的调焦凸轮曲线。进一步地，步骤S4中，所述预设调焦精度要求为调焦精度取光学系统焦深的1/2-1/4。进一步地，步骤S4中，所述调整调焦凸轮参数具体为，增大调焦凸轮转角或增大调焦凸轮直径。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1.本专利技术的光学设计方法，从光学设计的初始阶段开始，即将减少调焦量作为设计控制量，在光路设计中实现了大幅减小调焦量的目的，为后续线性化调焦曲线的设计提供了坚实的基础。在第一步即进行变焦光学系统成像质量的优化设计，变焦光学系统传递函数MTF数值满足预设要求，即为成像质量达到预设要求。立足于光学系统本身，从源头解决了传统变焦系统无法快速调焦，以及调焦行程两端调焦精度严重下降的问题。在本专利技术的光学设计方法中，提出采用变焦系统被动半无热化设计思路，通过短焦被动无热化设计，极大地减小了变焦系统的调焦量，且调焦曲线为线性，非常有利于快速对焦。同时，最终确认了变焦光学系统长焦和短焦的调焦精度，使整个变焦光学系统满足精度要求。尤其适用于前固定组作为调焦组的变焦光学系统。2.本专利技术中的变焦光学系统初始结构光学参数涵盖了对变焦精度有影响的重要参数，确保了后续优化设计的准确性。3.本专利技术中步骤S2，寻找到对短焦像质量影响最大的组元，通过调整该组元的透镜材料，或增加短焦温度多重结构，确保了变焦光学系统的短焦无热化设计。4.本专利技术设计线性调焦凸轮曲线时，充分考虑了变焦光学系统的电位计精度和调焦凸轮参数，保证线性调焦凸轮曲线的最终效果。附图说明图1为本专利技术提高变焦光学系统调焦精度的光学设计方法实施例的流程示意图；图2为本专利技术实施例中变焦光学系统短焦光路结构示意图；图3为本专利技术实施例中变焦光学系统长焦光路结构示意图；图4为本专利技术实施例中变焦光学系统的调焦凸轮曲线示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术的实施例和附图，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本专利技术的限制。本专利技术提供了一种提高变焦光学系统调焦精度的方法，针对传统变焦光学系统调焦量太大、调焦速度慢、调焦精度低等技术难题，从光学系统这个本源入手，提出变焦光学系统采用被动半无热化设计，即短焦为被动无热化设计，调焦凸轮曲线采用线性设计的方法，既极大的减小了调焦组调焦量，有利于变焦系统快速对焦；又大大提高了变焦光学系统的调焦精度，克服了传统调焦曲线的不足。本专利技术的方法在保证良好成像质量的基础上，设计线性的调焦曲线，调焦斜率一致，具有调焦行程短、调焦速度快和调焦精度高等优点。变焦光学系统沿光轴自左到右分别依次设置前固定组、变倍组、补偿组和后固定组。前固定组的左侧为物面，后固定组的右侧为像面；通过变倍组和补本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高变焦光学系统调焦精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1，优化变焦光学系统成像质量/n调整变焦光学系统初始结构的光学参数，和/或调整变焦光学系统各组元光学结构，和/或调整变焦光学系统初始结构，直至变焦光学系统传递函数MTF数值满足预设要求；/nS2，确认变焦光学系统的短焦为被动无热化/nS2.1，分析变焦光学系统短焦的温度特性，确认变焦光学系统短焦是否为被动无热化设计；若是，则继续执行步骤S2.2；否则，调整对短焦像质影响最大的组元，再重新执行步骤S1，直至变焦光学系统短焦实现被动无热化设计；/nS2.2，确认变焦光学系统中调焦组的调焦总行程；/nS3，确定变焦光学系统调焦凸轮曲线根据步骤S2.2中确认的调焦总行程设计线性的调焦凸轮曲线，使调焦凸轮曲线的弧长与调焦组轴向移动量呈线性变化；/nS4，调整确认调焦精度/n分析调焦精度是否同时满足变焦光学系统长焦和变焦光学系统短焦的预设调焦精度要求；若满足，完成调焦精度的光学设计；否则，调整调焦凸轮参数，再重复步骤S3，直至调焦精度同时满足变焦光学系统长焦和变焦光学系统短焦的预设调焦精度要求。/n

【技术特征摘要】
1.一种提高变焦光学系统调焦精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，优化变焦光学系统成像质量
调整变焦光学系统初始结构的光学参数，和/或调整变焦光学系统各组元光学结构，和/或调整变焦光学系统初始结构，直至变焦光学系统传递函数MTF数值满足预设要求；
S2，确认变焦光学系统的短焦为被动无热化
S2.1，分析变焦光学系统短焦的温度特性，确认变焦光学系统短焦是否为被动无热化设计；若是，则继续执行步骤S2.2；否则，调整对短焦像质影响最大的组元，再重新执行步骤S1，直至变焦光学系统短焦实现被动无热化设计；
S2.2，确认变焦光学系统中调焦组的调焦总行程；
S3，确定变焦光学系统调焦凸轮曲线根据步骤S2.2中确认的调焦总行程设计线性的调焦凸轮曲线，使调焦凸轮曲线的弧长与调焦组轴向移动量呈线性变化；
S4，调整确认调焦精度
分析调焦精度是否同时满足变焦光学系统长焦和变焦光学系统短焦的预设调焦精度要求；若满足，完成调焦精度的光学设计；否则，调整调焦凸轮参数，再重复步骤S3，直至调焦精度同时满足变焦光学系统长焦和变焦光学系统短焦的预设调焦精度要求。

【专利技术属性】
技术研发人员：闫阿奇，董森，梅超，曹剑中，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61