一种基于步进电机的多组元连续变焦镜头装置及控制方法与流程

1.本发明属于光电技术领域，涉及一种基于步进电机的多组元连续变焦镜头装置及控制方法。


背景技术：

2.传统的连续变焦镜头，由于采用了直流电机和齿轮驱动曲线套筒的方式，从而使变倍、补偿运动组分沿着预设的凸轮曲线运动，满足连续变焦要求。但是凸轮曲线套筒加工完成后存在套筒强度变弱，易变形的缺点，使得变焦组和补偿组发生径向跳动，造成全程的光轴平行性和稳定性偏低，像面一致性也超出允许的范围，变焦全程像质清晰度不一致。目前较流行的连续变焦镜头，采用两个步进电机分别带动变倍组份和补偿组按照各自的光学要求进行相应的线性和非线性运动，其优点是具有简易的实时可控性和高精度定位性，这种连续变焦镜头适用于中短焦距、低变倍比的光学系统，但对于长焦距、高变倍比的光学系统，这种两组份连续变焦镜头设计起来则需要更大的空间尺寸且变焦时间也会过长。


技术实现要素：

3.(一)要解决的技术问题
4.本发明要解决的技术问题：针对现有直流电机驱动曲线套筒技术存在的问题，提出一种基于步进电机的多组元连续变焦镜头装置及控制方法，克服由于曲线套筒加工精度误差大对光轴平行性和稳定性的影响，同时解决直流电机变焦精度差导致的像面离焦、图像模糊的问题。
5.(二)技术方案
6.为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于步进电机的多组元连续变焦镜头装置，其包括光机模块1-1和电路控制模块1-2；其中，光机模块1-1包括光学系统和机械结构，光学系统布置在机械结构上，通过调整机械结构实现光学系统连续变焦成像；电路控制模块1-2采集机械结构的状态，并根据主控的命令对机械结构状态进行控制调整。
7.其中，所述光学系统沿光线自左向右入射方向依次为前固定组2-1、变倍组2-2、补偿组一2-3、补偿组二2-4和后固定组2-5；前固定组2-1将物空间目标成像后作为变倍组2-2、补偿组一2-3、补偿组二2-4的物，变倍组2-2、补偿组一2-3、补偿组二2-4通过非线性轴向运动，在满足物像交换原则、像面稳定、像高不变的情况下，成像给后固定组2-5，后固定组2-5校正剩余像差后达到像面稳定、像高不变、像质良好的成像效果。
8.其中，所述机械结构从左往右依次包括变倍步进组份3-1、补偿步进组份一3-2和补偿步进组份二3-3，变倍组2-2、补偿组一2-3、补偿组二2-4依次对应安装在变倍步进组份3-1、补偿步进组份一3-2和补偿步进组份二3-3上。
9.其中，所述变倍步进组份3-1、补偿步进组份一3-2和补偿步进组份二3-3均包括：镜片运动组份4-1、滚珠丝杠4-2、步进电机4-3和两个直线光滑导轨4-4；镜片运动组份4-1安装在两个直线光滑导轨4-4上，镜片运动组份4-1上设置对应的光学系统元件；两个平行
的直线光滑导轨4-4作为运动轨道，步进电机4-3通过滚珠丝杠4-2为镜片运动组份4-1提供动力，实现镜片运动组份4-1沿轴向进行线性或非线性运动。
10.其中，所述镜片运动组份4-1选用低膨胀钛合金材料，直线光滑导轨4-4表面镀陶瓷膜，滚珠丝杠4-2与步进电机4-3之间采用零回转间隙的微型波纹管弹性联轴器连接。
11.其中，所述电路控制模块1-2包括单片机、通讯单元、电机驱动芯片、ad转换模块；单片机通过通讯单元接受主控的命令，并将状态反馈给主控；单片机接收到主控的变焦命令后，单片机给电机驱动芯片输出控制信号，电机驱动芯片接收方向和脉冲信号并根据脉冲频率输出pwm波形来驱动步进电机；通过ad转换模块对三个步进电机上的编码器进行实时解算，获取步进电机的相对位置，根据光学位置对应关系细分表，判断步进电机的运动方向和速度大小；通过单片机的i/0口获取光电开关的状态，判断步进电机是否到位。
12.其中，所述单片机的型号为microchip公司的dspic30f6010a，通讯单元的型号为maxim公司的max488esa，电机驱动芯片的型号为ti公司的drv8825；步进电机型号是faulhaber公司的am2224系列，是两相步进电机，24步旋转一圈；编码器型号为faulhaber公司的pe22-120系列，该系列增量式编码器与两相步进电机结合为一体，用于测量与反馈电机的转速、转向和位置。
13.其中，所述编码器采用基于1/32细分的微步驱动搭配来提高电机精度。
14.本发明还提供一种多组元连续变焦镜头装置的连续变焦控制方法，其控制过程为：采用三个步进电机分别带动变倍步进组份3-1、补偿步进组份一3-2和补偿步进组份二3-3按照各自的运动曲线进行联动控制；变倍步进组份3-1进行线性运动，补偿步进组份一3-2和补偿步进组份二3-3进行非线性运动，将三条运动曲线计算分解成许多离散的点，进行一一对应，形成3组对应步进电机的脉冲数组，且存于单片机的flash中，在变焦过程中，步进电机调用相应的脉冲数组驱动相应的运动组分，并且搭配编码器来确保步进电机未丢步。
15.(三)有益效果
16.上述技术方案所提供的基于步进电机的多组元连续变焦镜头装置及控制方法，技术效果体现在以下几个方面：
17.(1)本发明提供的一种利用步进电机控制多组元连续变焦镜头的变倍组份、补偿组份一、补偿组份二来替代变焦曲线套筒的装置，该装置可以有效提高镜头的光轴平行性、光轴稳定性，并且缩小了系统的外形尺寸包络，缩短了全程变焦时间。
18.(2)本发明提供的一种基于步进电机多组元连续变焦镜头的控制方法，采用步进电机替代传统的直流电机，并搭配编码器防止丢步，可提高镜头的变焦精度，保证变焦过程中全程清晰成像。
19.(3)简单易行，可靠性高，并具有良好的普适性，该设计方法适用范围广，可应用于各波段多组元连续变焦镜头设计方案中，尤其可应用于多种武器平台的连续变焦镜头，发明成果具有较强的创造性。
附图说明
20.图1是本发明实施例的变焦镜头装置示意图。
21.图2是本发明实施例的光学系统示意图。
22.图3是本发明实施例的机械结构装配主视图。
23.图4是本发明实施例的步进组份组成图。
24.图5是本发明实施例的变倍组、补偿组一、补偿组二的光学运动曲线图。
具体实施方式
25.为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
26.本发明提供一种基于步进电机的多组元连续变焦镜头装置及控制方法，该装置是利用步进电机配合编码器驱动精密直线丝杠旋转的方式，进而驱动变倍组份、补偿组份一、补偿组份二按照光学位置对应关系细分表做前后直线运动，用来替代曲线套筒；该控制方法根据步进电机的步进角度和运动组分的光学位置对应关系细分表，分别计算出变倍组份、补偿组份一、补偿组份二对应步进电机的脉冲数和脉冲频率数组，在变焦过程中，步进电机根据脉冲数组驱动相应的运动组分，并且搭配编码器来确保步进电机未丢步，这种控制方法严格地保证了变倍组份、补偿组份一、补偿组份二的一一对应关系，可有效提升变焦镜头的光轴平行性、光轴稳定性，缩小系统的外形尺寸包络，同时极大地提升变焦控制精度，保证全程图像的清晰度。
27.参照图1所示，本实施例基于步进电机的多组元连续变焦镜头装置包括光机模块1-1和电路控制模块1-2；其中，光机模块1-1包括光学系统和机械结构，光学系统布置在机械结构上，通过调整机械结构实现光学系统连续变焦成像；电路控制模块1-2采集机械结构的状态，并根据主控的命令对机械结构状态进行控制调整。
28.如图2所示，所述镜头装置的光学系统沿光线自左向右入射方向依次为前固定组2-1、变倍组2-2、补偿组一2-3、补偿组二2-4和后固定组2-5。
29.在光学设计方面，采用前固定组2-1、变倍组2-2、补偿组一2-3、补偿组二2-4和后固定组2-5五个组元设计，前固定组2-1将物空间目标成像后作为各运动组份的物，各运动组份是指变倍组2-2、补偿组一2-3和补偿组二2-4，变倍组2-2、补偿组一2-3、补偿组二2-4通过非线性轴向运动，在满足物像交换原则、像面稳定、像高不变的情况下，成像给后固定组2-5，后固定组2-5校正剩余像差后达到像面稳定、像高不变、像质良好的设计效果。
30.由上述镜片组份构成的光学系统具有如下光学指标：
31.焦距：12mm～360mm；
32.视场角：1
°
～30
°
；
33.适用光谱范围：400nm～900nm；
34.尺寸：
35.f数：6.5。
36.如图3所示，所述镜头装置的机械结构从左往右依次为变倍步进组份3-1、补偿步进组份一3-2和补偿步进组份二3-3。本发明采用多组元连续变焦结构设计方案，沿光路走向将变倍步进组份3-1、补偿步进组份一3-2和补偿步进组份二3-3分立设置，可有效利用空间位置，大幅压缩体积和质量。
37.每一个步进组份由图4中的镜片运动组份4-1、滚珠丝杠4-2、步进电机4-3和两个直线光滑导轨4-4组成。其中由两根严格平行的直线光滑导轨4-4作为运动轨道，步进电机
4-3通过滚珠丝杠4-2为镜片运动组份4-1提供动力，实现镜片运动组份4-1沿轴向进行线性或非线性运动。为了保证连续变焦全程的光轴一致且平稳，直线光滑导轨4-4和滚珠丝杠4-2的平行度和直线度尤为重要。在进行运动组份设计时，选用低膨胀钛合金材料，并采用双圆孔的过定位方案，通过后期装调保证运动组份与直线轨道的紧密配合，同时选用表面镀陶瓷膜的超高精度直线导轨和微型滚珠丝杠。滚珠丝杠与步进电机之间采用零回转间隙的微型波纹管弹性联轴器连接，以提高两轴头尾连接的固定精度，且通过弹性联轴器的柔性连接设计有效消除形变产生的应力，进一步提高运动精度。
38.所述镜头装置的电路控制模块1-2主要由单片机、通讯单元、电机驱动芯片、ad转换模块组成。本实施中单片机的型号为microchip公司的dspic30f6010a，通讯单元的型号为maxim公司的max488esa，电机驱动芯片的型号为ti公司的drv8825。单片机通过通讯单元接受主控的命令，并将状态反馈给主控；接收到变焦命令后，单片机给电机驱动芯片输出控制信号，步进电机驱动芯片只需要接收方向和脉冲则可根据脉冲频率来输出pwm波形来驱动步进电机；通过ad转换模块对三个步进电机上的编码器进行实时解算，来获取步进电机的相对位置，根据光学位置对应关系细分表，从而判断步进电机的运动方向和速度大小；通过单片机的i/0口来获取光电开关的状态，从而判断步进电机是否到位。
39.步进电机型号是faulhaber公司的am2224系列，是两相步进电机，24步可旋转一圈；编码器型号为faulhaber公司的pe22-120系列，该系列增量式编码器与两相步进电机结合为一体，可用于测量与反馈电机的转速、转向和位置。为了保证变焦过程中全程清晰成像，可采用基于1/32细分的微步驱动搭配编码器来提高电机精度。
40.本发明控制方法的过程为：采用三个步进电机分别带动变倍步进组份、补偿步进组份一和补偿步进组份二按照各自的运动曲线进行联动控制，其中变倍步进组份、补偿步进组份一和补偿步进组份二的光学运动曲线见图5所示。变倍步进组份进行线性运动，补偿步进组份一和补偿步进组份二进行非线性运动，将三条运动曲线计算分解成许多离散的点，进行一一对应，形成3组对应步进电机的脉冲数组，且存于单片机的flash中，在变焦过程中，步进电机调用相应的脉冲数组驱动相应的运动组分，并且搭配编码器来确保步进电机未丢步。这种控制方法严格地保证了变倍组份、补偿组份一、补偿组份二的一一对应关系，实现了多组元连续变焦镜头的全程成像清晰。
41.通过上述技术方案可以看出，本发明多组元连续变焦镜头包含前固定组、变倍组份、补偿组份一、补偿组份二、后固定组，利用焦距连续变化的特点，在光电系统观测远近不同目标时，可实现瞄准目标大小连续稳定变化，解决了“观察暨打击”的问题。同时具备在多个固定焦距处的一键快速切换，对于察打一体的光电系统，配备的连续变焦镜头在要求图像清楚的同时，还对全程光轴的平行性和稳定性有较高的要求，以提升瞄准线的稳定精度。
42.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。