Prinsip sistem zoom

Lensa zoom kontinu bekerja berdasarkan prinsip bahwa panjang fokus sistem optiknya dapat diubah secara kontinu dalam rentang tertentu, dan posisi bidang gambar tetap tidak berubah selama penyesuaian panjang fokus. Ketika tidak memungkinkan untuk mengubah daya fokus sistem optik secara langsung, perubahan panjang fokus hanya dapat dicapai dengan menyesuaikan jarak antara setiap kelompok lensa, yang merupakan prinsip dasar sistem optik zoom.

Oleh karena itu, dalam sistem optik zoom, panjang fokus dari beberapa kelompok lensa dan jarak di antara mereka secara bersama-sama menentukan panjang fokus sistem. Seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah, secara umum, sistem optik zoom terdiri dari lima komponen: kelompok lensa tetap depan, kelompok lensa zoom, kelompok lensa kompensasi, kelompok lensa tetap belakang, dan kelompok fokus. Oleh karena itu, panjang fokus dari beberapa elemen dalam sistem optik zoom dan jarak antara setiap elemen secara bersama-sama menentukan panjang fokus sistem. Saat menyesuaikan panjang fokus, kelompok lensa zoom dan kelompok lensa kompensasi bergerak ke arah yang sesuai menurut parameter desain optik, untuk mengubah jarak antara lensa guna mencapai perubahan panjang fokus.

Ambil contoh GCZ103013D: angka F-nya adalah 0,85-1,3, panjang fokusnya 30-300mm. Ini adalah sistem transmisi optik yang terdiri dari lima kelompok lensa: kelompok tetap depan, kelompok zoom, kelompok kompensasi, kelompok tetap belakang, dan kelompok fokus. Kelompok zoom melakukan gerakan linier, sedangkan kelompok kompensasi mengalami gerakan nonlinier yang relatif kecil untuk mempertahankan pencitraan yang jernih selama proses zoom. Kelompok fokus melakukan gerakan linier untuk menyesuaikan fokus sebagai respons terhadap defokus yang disebabkan oleh perubahan suhu.

(I) Perhitungan kurva cam untuk sistem

Setelah parameter struktur optik (jari-jari, jarak, material) dari setiap kelompok lensa ditentukan, perlu juga menghitung perpindahan kelompok zoom dan kelompok kompensasi, sehingga dapat memproses jalur cam.

Menurut optik Gaussian, misalkan jarak pergerakan kelompok zoom adalah x. Untuk memastikan bidang gambar tetap stabil, perpindahan y dari kelompok kompensasi dapat dihitung dengan:

Dalam rumus tersebut: ds23 adalah interval antara kelompok zoom dan kelompok kompensasi pada panjang fokus pendek; f2' adalah panjang fokus kelompok zoom; f3' adalah panjang fokus kelompok kompensasi; l2' adalah jarak bayangan kelompok zoom; l3' adalah jarak bayangan kelompok kompensasi. Hilangkan jarak objek kelompok zoom l2* dalam dua rumus di atas. Rumus yang disederhanakan adalah sebagai berikut:

Dalam rumus tersebut:

Larutan:

Pergeseran kompensasi y mengambil akar dengan nilai absolut yang lebih kecil. Jika tidak ada akar riil dari y selama pergerakan kelompok zoom, itu menunjukkan adanya kerusakan pada kurva, sehingga zoom kontinu menjadi tidak mungkin. Kemudian sistem optik perlu dihitung ulang, disesuaikan, dioptimalkan, dan sebagainya.

Berdasarkan rumus solusi di atas, kurva cam dari sistem zoom ditunjukkan pada gambar. Dapat dilihat bahwa langkah maksimum kelompok zoom adalah 54mm, dan langkah maksimum kelompok kompensasi adalah 27,5mm; kurva kelompok kompensasi berubah dengan mulus, dan kedua kelompok kurva tersebut dapat digunakan untuk pemrosesan jalur cam.

(II) Desain mekanisme zoom

Cam zoom berputar tanpa celah di bawah aksi bola dan cincin penahan cam, secara efektif mengurangi torsi keluaran motor dengan mengubah gesekan geser menjadi gesekan gelinding. Ketika motor menggerakkan cam untuk berputar, cam mentransmisikan gerakan ke slide zoom dan slide kompensasi melalui pin pemandu. Di bawah panduan alur lurus pada tabung lensa utama, slide zoom dan slide kompensasi mengubah gerakan rotasi cam menjadi gerakan paralel slide sepanjang arah sumbu optik, sehingga mencapai pembesaran (zoom). Alur kurva zoom dan alur kurva kompensasi pada cam diproses secara presisi untuk memastikan bahwa gerakan zoom dan kompensasi saling sesuai titik demi titik, menjaga kejelasan selama pembesaran berkelanjutan.

Karena sistem ini mensyaratkan konsistensi sumbu optik kurang dari A selama proses pembesaran, maka panjang efektif yang sesuai antara slide zoom, slide kompensasi, dan tabung lensa utama adalah L mm, dan celah antara slide dan tabung harus kurang dari h = L × tan(A). Oleh karena itu, slide zoom dan slide kompensasi harus sesuai dengan tabung lensa utama, dan celahnya dikontrol dalam rentang h untuk memastikan pergerakan slide zoom dan slide kompensasi yang halus sekaligus memenuhi persyaratan stabilitas sumbu optik.

(III) Analisis elemen hingga pada cam

Sesuai dengan persyaratan kemampuan adaptasi lingkungan, lensa harus mampu menahan gaya benturan maksimum 10g, memastikan deformasi slide dan cam tetap berada dalam rentang kesalahan optik yang diizinkan untuk memenuhi persyaratan kinerja. Slide zoom, slide kompensasi, dan cam terbuat dari aluminium superkeras 7A09, dengan rasio Poisson 0,33, modulus elastisitas 73GPa, kekuatan luluh ≥400MPa, dan densitas 2,78×10⁻⁶kg/mm³. Rakitan zoom memiliki berat 0,4kg, rakitan kompensasi memiliki berat 0,4kg, dan cam memiliki berat 0,5kg.

Mengingat karakteristik strukturalnya, cam mengalami gaya aksial maksimum melalui pin pemandu selama guncangan. Untuk gaya aksial cam, setiap alur lengkung cam mengalami gaya aksial sebesar 10×0,4/2kg=20N, dan ujung penopang aksial cam mengalami gaya reaksi sebesar 10×(0,4+0,4+0,5)kg=130N. Perpindahan tetap diterapkan pada ujung penopang cam untuk analisis statis. Hasil analisis ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Deformasi maksimum adalah 0,01467mm, yang berada dalam rentang deformasi yang diizinkan secara optik. Tegangan maksimum adalah 10,85MPa＜kekuatan luluh 400MPa, sehingga kekuatan cam memenuhi persyaratan.

(IV) Analisis elemen hingga pada slide

Karena karakteristik strukturnya, slide zoom dan slide kompensasi mengalami deformasi maksimum di bawah gaya radial, dengan gaya maksimum 10 × 0,4 kg = 40 N. Perpindahan tetap diterapkan pada diameter dalam slide untuk analisis statis. Hasil analisis ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Deformasi maksimum slide zoom adalah 0,00683 mm, tegangan maksimumnya adalah 3,2 MPa, sedangkan deformasi maksimum slide kompensasi adalah 0,00135 mm, dan tegangan maksimumnya adalah 1,47 MPa. Deformasi tersebut dimasukkan ke dalam perangkat lunak optik untuk simulasi, dan hampir tidak berpengaruh pada pencitraan. Oleh karena itu, kekuatan slide zoom dan slide kompensasi memenuhi persyaratan.

(V) Verifikasi kekuatan pin pemandu zoom

Setiap rakitan zoom dan kompensasi memiliki berat 0,4 kg, dan gaya benturan maksimum adalah 40 N di bawah guncangan 10 g. Setiap pin pemandu mengalami gaya geser maksimum 20 N. Luas penampang minimum pin pemandu adalah 4,52 × 10⁻⁴ m² dan terbuat dari kuningan HPb59-1, dan tegangan geser yang diizinkan adalah 200 MPa.

Tegangan geser maksimum pada pin pemandu adalah: T = 20/(4,52 × 10⁻⁴), Pa = 4,42 × 10⁴ Pa < 200 MPa, sehingga kekuatan pin memenuhi persyaratan.

Referensi:

[1] TANG Han, ZHOU Chunfen, FENG Jianwei, ZHANG Wei dkk. Desain Sistem Optik Zoom Kontinu LWIR dengan Diafragma Variabel [J]. Teknologi Inframerah, 2024, 46(5):491-500

[2] CHEN Peng. Desain struktural lensa zoom kontinu LWIR tanpa pendingin [A]. Proses dan Peralatan, 2019, 206-207