(1.92941部队，辽宁 葫芦岛 125000；2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033；3.上海机电工程研究所，上海 200000 )
摘 要：为满足红外相机的高清晰度成像要求，根据实验得到了相机在不同目标距离和不同温度条件下的调焦补偿量，利用线性拟合方法得到了基于距离和温度的调焦补偿量曲线，设计了基于直线步进电机和直线电位计的相机调焦系统。试验证明，可有效补偿由目标距离和温度变化引起的离焦现象，系统的调焦定位精度在±0.003mm以内。
关键词： 直线电机；直线电位计；调焦；
1 引言
变焦距镜头是光学系统的重要组成部分，随着目标距离及环境的变化，为了使目标能够成清晰的图像，光学系统必须实时的调整焦距改变像面位置。随着相机技术的进步，对调焦精度要求越来越高，传统的凸轮及齿轮传动的调焦机构已满足不了精度的要求[1]。
本文设计了一种由直线步进电机、直线电位计、直线导轨及温度传感器等组成的调焦机构，通过上位机发送的目标距离信息和温度传感器采集的温度数据计算系统的调焦量，通过直线步进电机驱动，由精密螺杆组件带动变焦距镜组前后移动来实现焦距的精密调节，使系统能够连续稳定的获得清晰图像。
2 红外调焦系统的精度要求
造成红外相机离焦主要有距离变化和温度变化两个因素。光学系统的最大离焦量应小于相机的半焦深[2]，计算公式如下：
本系统电机的步进角为1.8°，经过驱动器细分以后为0.9°，电机转一圈为360/0.9=400步。本系统电机选用转子惯量为1.4gcm2，满足设计要求，螺杆的螺距为1.2mm，步进电机转动一步，镜组移动的距离为1.2mm/400步=0.003mm，因此最小调焦量为0.003mm。
3.3 调焦反馈机构
本文采用的是丝杆螺母式设计，故使用直线电位计作为反馈原件。选用有效长度为10mm直线电位计，数模转换采用12位AD转换芯片，满码值为4096，所以直线电位计分辨率为10/4096≈0.00244mm，0.003/0.00244≈1.23个码值，调焦量为±5mm，因此满足本系统结构精度要求。
4自动调焦量的拟合计算
4.1 距离调焦量计算
首先根据实验标定的距离调焦真值表拟合出距离调焦曲线。实验得到的距离调焦真值表如表1所示。
表1距离调焦量标定值
根据表1的数据经过拟合得到的距离调焦曲线如图2所示：
4.2 调焦量的温度补偿
本文通过距离值的极大值和极小值即无穷远和500m时的温度补偿值来对温度补偿曲线进行拟合。通过在主镜处和调焦镜组室中加装半导体制冷器和加热器来对设备的温度进行控制，通过天体目标获得无穷远处的目标和在500m处设置黑体作为实验目标，得到两个距离的实验数据，对实验数据进行拟合，并将曲线参数进行求平均处理后的结果作为温度拟合参数。实验获得的两个距离处的温度补偿调焦量数据如表2所示。
表2温度调焦量标定值
下面是拟合后的无穷远及目标距离500m时的温度曲线。
图3无穷远温度调焦量曲线
拟合后的无穷远温度调焦量公式为：
5 定位精度试验验证
得到温度和距离补偿调焦曲线后，还需要将本文设计的调焦设备的定位精度进行验证。将调焦机构固定在支撑架上，目标沿光轴方向反复运动，用高精度电感仪测量调焦镜组的移动量，同时记下电位计反馈值，用电位计反馈的定位点减去镜组的实际位置即为该次运动的位置偏差△l，在实验室条件下取多个不同的目标位置反复测量得到△lj（单位：μm）数据见表3。
表3 在实验室测得的位置偏差
由表4可以看出本文设计的设备定位精度的不确定度不大于0.3μm，标准差比较可靠。
6 结论
本文设计的调焦系统具有结构简单、响应速度快、占用空间小、易于装调等优点，试验证明，本系统的调焦定位精度可达到0.003mm以内。
参考文献：
[1]伞兵，李景林. 大口径反射光学系统调焦机构设计[J]. 红外与激光工程，2013.12:329-332.
[2]林为才，王晶.一种高精度调焦机构设计[J]. 长春理工大学学报（自然科学版），2010.12:39-42.
[3]丁亚林，田海英，王家骐. 空间遥感相机调焦机构设计[J]. 光学 精密工程，2001.2:35-38.
论文作者:朱璐1，张海波2，刘丽龙3，隋大鹏3，陈世豪3
论文发表刊物:《科技新时代》2019年5期
论文发表时间:2019/7/23
标签：距离论文; 温度论文; 直线论文; 精度论文; 目标论文; 电位论文; 曲线论文; 《科技新时代》2019年5期论文;