经纬仪调焦机构设计

　　1 引 言

　　在经纬仪光学系统设计中， 变焦距镜头是一个重要的部分， 为了实现对目标的连续跟踪捕获， 镜头焦距必须实时进行调整， 而实现变焦的关键在于调焦机构， 同时变焦精度也取决于调焦机构的精度。

　　由于对测量精度的要求不断提高， 目标也复杂化，加上温度和作用距离的变化使镜头的焦平面产生微小的偏移， 给光学系统带来离焦， 因此， 调焦精度是保证测量精度的一个重要环节[1]。 本文分析了各种调焦方式和结构形式的优缺点， 考虑到经纬仪测量精度的要求， 设计了一套由直线导轨和步进电机组成的调焦机构， 调节焦平面在光学系统的焦深范围内， 满足系统的精度要求。 还详细介绍了机构的组成原理， 分析了其系统误差来源， 并对加工后的样本进行了实验测试， 对实验结果进行了分析， 验证了该机构的调焦精度满足经纬仪光学系统的精度要求。

　　2 调焦方式的选择

　　变焦距镜头已问世多年， 调焦机构的种类也有多种， 按移动部件的不同有镜头移动、 调焦镜组移动和像面移动 3 种方式; 传动方式主要都采用凸轮机构的变焦方式。 凸轮种类多种多样， 按照凸轮形状分为盘式凸轮、 移动凸轮、 圆柱凸轮 3 类[2-6]。 在镜头运动机构中， 主要采用圆柱型凸轮。 在凸轮圆周上开有两组曲线槽， 两组槽按照光学性能曲线加工，使变倍组移动时， 补偿组做相应的移动以做补偿用。在凸轮机构中， 主要有旋转电机、 凸轮、 导向销、移动镜组和带有直线槽的外镜筒等。 通过旋转电机输出扭矩， 通过齿轮传动将扭矩传递给凸轮， 凸轮通过导向销将动能传递给移动镜组。 因外镜筒上的直线槽限制了导向销的运动轨迹， 故凸轮正反转动时， 会带动移动镜组做往复直线运动。

　　通过以上调焦机构的对比， 结合经纬仪自身的光学特点， 经纬仪可见光光学系统的作用距离以无限远计算， 当作用距离>5 km 时不用调焦， 当作用距离<5 km、 >500 m 时， 调焦量为 1.28 mm。 本文设计了一套调焦机构， 由步进电机、 直线导轨、 直线位移传感器等组成， 由步进电机驱动， 通过齿轮变速和精密丝杠速比变换机构， 带动镜组前后移动来进行距离调焦和温度调焦。 通过调焦控制电路驱动步进电机运行， 从而实现自动调焦， 保证在像面上始终得到清晰的目标图像。

　　3 调焦机构的工作原理和组成

　　如图 1 所示， 由单片机构成的调焦系统， 调整放置在望远镜光路中的镜组， 移动镜组改变空间的光程。 镜组的移动量根据机下计算机发出的距离信息， 由 DSP 模块控制。 自动调焦系统利用直线位移传感器作为检测元件， 直线位移传感器将直线的位移变化转换成脉冲信号， 脉冲信号的数量对应移动的距离。 根据牛顿公式， 计算镜组位置误差， 如果误差不等于零， DSP 控制步进电机带动镜组移动， 同时也带动直线位移传感器向减小误差方向运动， 直至误差趋近于零， 系统处于平衡状态.