張衛(wèi)鋒，趙勁松，史衍麗，陶 亮，康麗珠，何紅星，唐 晗，徐參軍，鄭傳武，趙 強

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多視場熱像儀變倍機構(gòu)設計技術(shù)研究

張衛(wèi)鋒，趙勁松，史衍麗，陶 亮，康麗珠，何紅星，唐 晗，徐參軍，鄭傳武，趙 強

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

介紹了多視場熱像儀變倍機構(gòu)設計技術(shù)。從結(jié)構(gòu)設計的角度出發(fā)，對多視場熱像儀常用的幾種變倍機構(gòu)的工作方式、光機結(jié)構(gòu)特點及設計技術(shù)要點進行分析與研究，指出不同機構(gòu)型式的優(yōu)缺點和適用性。總結(jié)了多視場熱像儀變倍機構(gòu)設計的主要原則。

多視場熱像儀；變倍機構(gòu)；光機系統(tǒng)

0 引言

紅外成像技術(shù)是利用目標和背景自身紅外輻射的差異或它們對自然光源的反射差異來成像的，一般用于夜間及晝間不良氣象條件下對目標的探測、識別、跟蹤和瞄準，屬于被動成像技術(shù)，因此具有較強的隱蔽性和抗干擾能力，在軍事和民用領域都具有廣泛的應用[1-4]。一般紅外熱像儀的多種功能需要采取多視場來實現(xiàn)，多視場紅外光機系統(tǒng)的設計決定著熱像儀的作用距離、外形尺寸、重量、光軸一致性和可靠性等主要技術(shù)指標，也是高性能多視場熱像儀的主要設計難點。本文針對多視場熱像儀變倍光機系統(tǒng)的設計技術(shù)進行了分析和研究。

1 熱像儀主要組成及其工作原理

一般熱像儀主要由紅外光學系統(tǒng)、探測器/制冷機組件、殼體、調(diào)焦變倍機構(gòu)、成像電路組件等組成，其工作原理如圖1所示。紅外光學系統(tǒng)接收來自遠處景物的紅外輻射，并將目標紅外輻射匯聚成像在探測器的焦平面上，通過成像電路組件完成光電轉(zhuǎn)換和信號處理，輸出標準視頻信號，最終顯示在顯示器上。熱像儀通過調(diào)焦變倍機構(gòu)控制相關(guān)透鏡組的移動來實現(xiàn)焦距（視場）的變化，完成不同視場間的切換功能。

熱像儀根據(jù)其調(diào)焦變倍過程中光學系統(tǒng)的焦距值變化規(guī)律可分為2大類：一類是連續(xù)變焦（倍）光機系統(tǒng)，通過變倍透鏡組及補償透鏡組的相對運動以實現(xiàn)光學系統(tǒng)焦距值的連續(xù)變化；另一類是間斷變焦（倍）光機系統(tǒng)，即通過切換光學系統(tǒng)中的相關(guān)透鏡組來間斷地改變光學系統(tǒng)的焦距值，完成不同視場間的切換，變倍過程中光學系統(tǒng)不能清晰成像，這種間斷變焦光機系統(tǒng)又可分為軸向變倍光機系統(tǒng)和徑向變倍光機系統(tǒng)。

在變倍光機系統(tǒng)設計過程中，由于單個透鏡的焦距是固定不變的，因此，一般需要通過改變系統(tǒng)中不同透鏡之間的間隔來實現(xiàn)光學系統(tǒng)組合（等效）焦距的變化。變倍光機系統(tǒng)的基本原理是利用光機系統(tǒng)中1個或多個透鏡組的移動來改變系統(tǒng)的組合焦距。但是，當一個透鏡組移動時，系統(tǒng)的像面位置也隨之發(fā)生相應的變化，為了保證系統(tǒng)最終像面位置的穩(wěn)定，需要通過移動另一個透鏡組來進行像面位移補償。因此，習慣上把引起焦距變化的透鏡組稱為變倍組，起到補償像面位置作用的透鏡組稱為補償組。一般變倍光學系統(tǒng)通常由前固定透鏡組、變倍透鏡組、補償透鏡組、后固定透鏡組4個部分組成[5-10]，如圖2所示。根據(jù)變倍透鏡組和補償透鏡組運動型式的不同將變焦方式分為光學補償變焦和機械補償變焦。

圖1 熱像儀工作原理示意圖

Fig.1 Diagram of multiple field-of-view thermal imagers

圖2 變倍光機系統(tǒng)的變倍和補償工作原理示意圖

2 機械補償紅外連續(xù)變倍光機系統(tǒng)

機械補償紅外連續(xù)變焦光機系統(tǒng)一般為軸向運動2組透鏡實現(xiàn)連續(xù)變焦，如圖3所示。結(jié)構(gòu)設計時要確保變倍透鏡組和補償透鏡組能夠沿光軸方向按照不同的移動軌跡相向連續(xù)移動，在保證像質(zhì)不變的情況下實現(xiàn)連續(xù)變焦功能。在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)，變倍透鏡組和補償透鏡組移動過程中會引起系統(tǒng)光軸的跳動，而光軸跳動量的大小直接影響熱像儀的成像質(zhì)量和光軸一致性，因此變倍透鏡組和補償透鏡組的驅(qū)動和導向機構(gòu)的設計成為熱像儀結(jié)構(gòu)設計的關(guān)鍵技術(shù)。在連續(xù)變焦過程中，通常情況下是變倍透鏡組做線性移動，補償透鏡組做非線性移動。

為減少驅(qū)動機構(gòu)數(shù)量，連續(xù)變倍的熱像儀通常采用的機構(gòu)是圓柱凸輪驅(qū)動機構(gòu)，通過圓柱凸輪的旋轉(zhuǎn)帶動變倍透鏡組和補償透鏡組分別做線性運動和非線性運動，改變變倍透鏡組和補償透鏡組的相對位置，使光學系統(tǒng)的等效焦距產(chǎn)生連續(xù)性變化。但是，設計的導向機構(gòu)要確保在變倍過程中成像始終清晰，像面位置不變。在進行圓柱凸輪結(jié)構(gòu)設計時，需要根據(jù)變倍組和補償組的運動曲線在圓柱的圓周上設計出相應的曲線槽，變倍組和補償組分別通過各自的導向桿（或軸承）和圓柱凸輪關(guān)聯(lián)，如圖4所示。這種紅外連續(xù)變焦熱像儀的光機設計和變倍機構(gòu)設計均有較大難度，變倍凸輪槽鏡筒的結(jié)構(gòu)設計和加工更是實現(xiàn)連續(xù)變焦成像的關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)設計必須考慮變倍機構(gòu)運動的平滑性和變倍過程的快捷性。變倍凸輪槽設計與加工的精度，將直接影響到連續(xù)變焦成像質(zhì)量和光軸一致性。凸輪的導程與直徑是設計變倍凸輪槽的重要參數(shù)，因此在設計變倍凸輪槽時一定要對凸輪的導程和直徑進行精確計算分析。采用這種變焦機構(gòu)設計方案的前提是光學設計已對熱像差進行了良好校正，因為機械凸輪曲線槽不能隨溫度而改變。

對于殘留有熱像差的光學系統(tǒng)，采用電子凸輪是可行的技術(shù)方案，因為其決定的變倍透鏡組和補償透鏡組運動軌跡可以根據(jù)溫度變化而作適應性地改變。見圖5所示，變倍組和補償組兩套機構(gòu)軸向相對運動，它們之間的運動曲線可以根據(jù)熱像儀機內(nèi)溫度傳感器數(shù)值實時進行修正，因此稱作電子凸輪。

紅外連續(xù)變焦與多檔變倍熱像儀的最大區(qū)別在于可以實現(xiàn)從大視場到小視場連續(xù)變倍,并且在視場變化過程中保持圖像的連續(xù)性，但光軸一致性較差，視場切換時間較慢，一般應用于對高速運動目標的搜索和跟蹤。

3 間斷變倍光機系統(tǒng)

間斷變倍光機系統(tǒng)是在視場變換過程中，變焦機構(gòu)運動是非連續(xù)的，一般只在兩個或多個間斷位置清晰成像。根據(jù)調(diào)焦變倍機構(gòu)的不同，可以將間斷變倍光機系統(tǒng)分為徑向變倍光機系統(tǒng)、軸向變倍光機系統(tǒng)及兩者復合的變倍光機系統(tǒng)。

圖3 機械補償連續(xù)變焦光機系統(tǒng)原理圖

圖4 機械補償連續(xù)變焦光機系統(tǒng)圓柱凸輪結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 機械補償連續(xù)變焦光機系統(tǒng)電子凸輪設計方案示意圖

3.1 徑向變倍光機系統(tǒng)

徑向變倍光機系統(tǒng)的特點是根據(jù)需要將不同的透鏡組切入切出以實現(xiàn)視場切換，如圖6所示。多視場紅外光機系統(tǒng)在設計時通常是把小視場作為產(chǎn)品的設計基礎，以確定熱像儀作用距離，及其大概的外形包絡和重量。然后根據(jù)不同視場變化的需求設計出相應的大/中變倍透鏡組，在進行視場變換時，根據(jù)需要將相應透鏡組切入到小視場光學系統(tǒng)中，從而組成一個新的光學視場，如中視場、大視場。其變倍機構(gòu)的設計應滿足切換時間短、定位準確、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、沒有機械干涉和光路遮擋等要求。采用徑向變倍光機系統(tǒng)，盡量減少每個視場中透鏡的數(shù)量，可將不參與成像的透鏡暫時移出光路，能夠明顯提高紅外光學系統(tǒng)的透過率。根據(jù)變倍透鏡組切入和切出光路的運動方式不同，可將徑向變倍光機系統(tǒng)分為旋轉(zhuǎn)式切換機構(gòu)和平移式切換機構(gòu)2種形式。

旋轉(zhuǎn)式切換變倍機構(gòu)有一個垂直于光軸并與之相交的回轉(zhuǎn)軸，回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動以帶動不同的透鏡組切入/切出光路，實現(xiàn)不同視場間的切換（變倍）。旋轉(zhuǎn)切換式變倍機構(gòu)在雙視場變倍光機系統(tǒng)中較為常見，但多視場紅外光機系統(tǒng)的切換很少有采用這種方式的，因為該方案光學系統(tǒng)設計較容易，但機構(gòu)的設計難度較大，而且光軸一致性難以滿足設計要求，不利于減量化設計。

目前，常用旋轉(zhuǎn)驅(qū)動方式主要有以下2種構(gòu)型：

1）力矩電機直接驅(qū)動方式。使用這種旋轉(zhuǎn)切換方式要求不同的變倍透鏡組全部固定在同一個結(jié)構(gòu)框架上，旋轉(zhuǎn)軸系是框架的幾何中心，力矩電機直接套裝在旋轉(zhuǎn)軸系的一端，位置傳感器在軸系的另一端。這種形式的變倍機構(gòu)設計裝調(diào)相對簡單，且控制精度較高，它只需要占用較少的軸向空間和徑向空間。

2）伺服電機間接驅(qū)動方式。這種間接驅(qū)動方式的變倍機構(gòu)，每一個變倍透鏡組都有自己的支撐框架、驅(qū)動電機、傳動機構(gòu)、位置傳感器、限位裝置等零部件，不同的變倍透鏡組間相互獨立。根據(jù)熱像儀內(nèi)部光機結(jié)構(gòu)的布局不同，可以采用齒輪傳動或鋼帶傳動，選擇合適的伺服電機帶動齒輪或鋼帶實現(xiàn)從一個視場到另一個視場的切換。這種驅(qū)動方式結(jié)構(gòu)比較復雜，需要較多的零部件，裝調(diào)也較復雜，對空間有較大要求。平移式切換變倍機構(gòu)是通過將變倍透鏡組沿著垂直光軸的方向平移，實現(xiàn)變倍透鏡組切入/切出光路功能，完成不同視場間的切換。

圖7是一款典型的平移式切換變倍光機系統(tǒng)，當需要進行視場變換時，大或中視場透鏡組沿著圖中所示的變倍透鏡組移動路線平移切入/切出光路，完成視場變換。這種平移式切換變倍機構(gòu)通常包括變倍透鏡組、結(jié)構(gòu)支撐零件、精密軸承、導軌滑塊、高精度滾珠絲杠和螺母、驅(qū)動電機、位置傳感器、限位裝置等。當需要進行視場切換時，控制系統(tǒng)向驅(qū)動電機發(fā)送信號指令，驅(qū)動電機帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠螺母把電機的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，最后絲杠螺母帶動變倍透鏡組沿著導軌移動，實現(xiàn)不同視場間的平移切換。

圖6 徑向變倍光機系統(tǒng)原理圖

圖7 平移式切換變倍機構(gòu)

在進行徑向變倍光機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計時，應充分考慮以下幾個方面的問題：首先，當變倍機構(gòu)進行視場變換時，變倍透鏡組要能快速準確的切換到位，且重復定位精度高，能充分保證熱像儀的成像質(zhì)量和光軸的一致性，這就要求變倍機構(gòu)具有較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，精確的定位和限位功能。其次，當變倍透鏡組運動到指定位置后，為了保證系統(tǒng)能在沖擊、振動、高低溫等惡劣的環(huán)境條件下正常工作，在結(jié)構(gòu)設計應當考慮設計鎖定裝置，防止由于外界變化使變倍透鏡組位置出現(xiàn)變動，影響熱像儀的正常使用。再次，為滿足中/大變倍透鏡組與熱像儀小視場光學系統(tǒng)的同軸度和視場誤差的要求，變倍機構(gòu)中必須預留工藝調(diào)整環(huán)節(jié)。最后，為提高變倍透鏡組的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定精度，變倍機構(gòu)在設計和裝調(diào)過程中必須進行精確配平。

旋轉(zhuǎn)式切換變倍機構(gòu)和平移式切換變倍機構(gòu)相比，前者所需要的軸向和徑向空間較小，結(jié)構(gòu)相對緊湊，但結(jié)構(gòu)形式比較單一，光機系統(tǒng)的裝調(diào)相對簡單，但系統(tǒng)工作一段時間后，變倍透鏡組光軸與熱像儀整機光軸的同軸度下降較為嚴重，一定程度上影響產(chǎn)品可靠性。文獻[11]介紹的就是一種通過切換變倍透鏡組實現(xiàn)視場轉(zhuǎn)換的方案。平移式切換變倍機構(gòu)所占徑向尺寸較大，結(jié)構(gòu)型式比較靈活，光機系統(tǒng)的裝調(diào)相對困難，變倍機構(gòu)在工作過程中，變倍透鏡組的光軸與光學系統(tǒng)的光軸不易產(chǎn)生偏離，能夠保證產(chǎn)品可靠性。

3.2 軸向變倍光機系統(tǒng)

軸向變倍機構(gòu)的特點是變倍透鏡組沿光學系統(tǒng)的光軸移動實現(xiàn)視場切換，這是目前最為常用的調(diào)焦變倍技術(shù)方案，如圖8所示。變倍透鏡組移動到不同的位置形成一個不同的光學視場。軸向變倍光學系統(tǒng)的設計難度較大，但軸向變倍機構(gòu)的設計難度較小，裝調(diào)工藝比較復雜，容易保證良好的光軸一致性，徑向尺寸緊湊，但需要適當增加軸向尺寸。由于參與成像的透鏡數(shù)目較多，光學系統(tǒng)的透過率相對降低，加之材料均勻性和鍍膜均勻性隨口徑有所變化，尤其對熱像儀小視場的熱靈敏度有一定的影響。

圖8 光學補償軸向變倍光機系統(tǒng)原理圖

軸向變倍機構(gòu)在雙視場或多視場光機系統(tǒng)中很常用，其變倍機構(gòu)與平移式切換變倍機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式相似，只不過是變倍鏡組移動方向變?yōu)檠毓廨S方向，通過變倍透鏡組和補償透鏡組同時沿光軸方向移動，?？吭陬A定位置以實現(xiàn)視場切換。

圖9為三視場長波紅外熱像儀光學補償變倍機構(gòu)的三維設計圖，圖中，調(diào)焦變倍機構(gòu)是沿光軸移動實現(xiàn)視場切換功能，它包括變倍透鏡組、補償透鏡組、結(jié)構(gòu)支撐零件、精密軸承、導軌滑塊、高精度滾珠絲杠和螺母、驅(qū)動電機、位置傳感器、限位裝置等零部件。其中變倍透鏡組和補償透鏡組由一個U形變倍架固聯(lián)，整個熱像儀的調(diào)焦變倍只用1套運動機構(gòu)。當進行視場切換時，控制電路向驅(qū)動電機發(fā)送控制信號，驅(qū)動電機帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠螺母把電機的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，最后絲杠螺母帶動變倍透鏡組沿著導軌移動，導軌的安裝方向平行于光學系統(tǒng)光軸，由此實現(xiàn)不同視場間的切換和調(diào)焦功能。

圖9 三視場熱像儀光學補償變倍機構(gòu)三維設計圖

事實上，圖3中的機械補償紅外連續(xù)變倍光機系統(tǒng)也屬于軸向變倍方式，如果簡化設計，該方案也能實現(xiàn)多視場間斷軸向變倍光機系統(tǒng)。圖7中的光學補償多視場間斷軸向變倍光機系統(tǒng)如果完善設計，也能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)變倍，見參考文獻[12]。如果簡單軸向移動1個透鏡組，一般只能夠獲得雙視場[13]。在二次成像方案中，軸向變倍光機系統(tǒng)一般設計在物鏡組部位；但在文獻[14]中，軸向變倍機構(gòu)從中繼組跨渡到了物鏡組部位。軸向變倍技術(shù)方案比較易于兼顧熱像儀作用距離、小型化、輕量化和光軸一致性等設計指標，一般適用于高性能多功能的觀瞄型熱像儀。

3.3 徑向與軸向變倍復合的光機系統(tǒng)

隨著紅外熱成像技術(shù)的不斷發(fā)展，用戶對熱像儀的作用距離和光軸一致性提出了越來越高的要求。能根本上提高熱像儀作用距離的技術(shù)途徑只有2個：增大光學系統(tǒng)的長焦距，或提高探測器的面陣規(guī)模并減小其像元間距。而顯著提高小視場光軸穩(wěn)定性的技術(shù)途徑是小視場沒有任何運動部件。

為實現(xiàn)上述設計目標，提出了一種新的光機系統(tǒng)設計方法，即多視場之間的視場切換采用了徑向和軸向變倍復合的光機系統(tǒng)方案，或者稱為“雙通道光機系統(tǒng)”，如圖10所示。小視場沒有任何運動部件。旋轉(zhuǎn)切入反射鏡M，轉(zhuǎn)換為中/大視場光學通道；軸向移動中/大視場調(diào)焦變倍透鏡組，可實現(xiàn)中/大視場轉(zhuǎn)換及其調(diào)焦。由于小視場的焦距較長，為了盡可能減小熱像儀外形尺寸，可采用立體三次折疊光路的技術(shù)措施[15]。整個熱像儀只用2套調(diào)焦變倍機構(gòu)，有利于減小外形尺寸和重量，提高可靠性。

圖10 雙通道光機系統(tǒng)原理圖

這種設計方案還有利于減少小視場的透鏡數(shù)量，保證小視場光學系統(tǒng)的透過率，并能顯著縮短中/大視場的調(diào)焦變倍機構(gòu)的軸向行程，從而有效保證小視場光軸穩(wěn)定性和三視場間的光軸平行性。這種熱像儀的兩套變倍機構(gòu)類似，主要包括變倍透鏡組（或反射鏡組）、結(jié)構(gòu)支撐零件、精密軸承、導軌滑塊、高精度滾珠絲杠和螺母、驅(qū)動電機、位置傳感器、限位裝置等零件。當需要進行視場切換時，控制系統(tǒng)向目標驅(qū)動電機發(fā)送控制指令，目標驅(qū)動電機帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠螺母把電機的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，最后絲杠螺母帶動變倍透鏡組（或光路切換平面反射鏡）沿著導軌移動，實現(xiàn)不同視場間的平移切換。圖11所示為一個長焦距三視場復合變倍熱像儀的軸向和徑向變倍機構(gòu)三維設計圖。這種方案適用于機載長焦距小型化高性能觀瞄熱像儀。

4 多視場熱像儀變倍機構(gòu)設計的主要原則

多視場熱像儀變倍機構(gòu)設計的主要原則為：

1）實現(xiàn)多視場變換功能，并保證各視場圖像質(zhì)量、光軸精度和可靠性。

2）盡可能減少變倍光機系統(tǒng)的數(shù)量，并進行小型化和輕量化優(yōu)化設計。

圖11 三視場熱像儀的徑向(a)和軸向(b)變倍機構(gòu)三維設計圖

3）在具體設計中，應避免結(jié)構(gòu)干涉、光路遮擋和引入雜散光。

4）在設計時，就應該考慮機械零件的加工工藝性和裝調(diào)工藝方案。

5）如果采用新的變倍機構(gòu)或電機，應根據(jù)使用環(huán)境要求提前進行相關(guān)技術(shù)驗證。

6）熱像儀多視場變倍機構(gòu)的設計力求簡化、實用和可靠。復雜的多視場紅外光學設計結(jié)果，必然導致復雜的結(jié)構(gòu)和控制電路設計結(jié)果，其結(jié)果往往技術(shù)難點堆積、可靠性和批生產(chǎn)性較差。

7）不同的多視場熱像儀變倍機構(gòu)型式所涉及的光學、結(jié)構(gòu)和控制電路的技術(shù)難度不一樣，可以根據(jù)項目團隊各專業(yè)的技術(shù)力量作合理的方案調(diào)整和難度轉(zhuǎn)化。最終目的是研制出合格的熱像儀產(chǎn)品。

5 結(jié)論

紅外熱像儀的變倍機構(gòu)型式多種多樣，不同的視場切換方式有不同的實現(xiàn)途徑、技術(shù)優(yōu)缺點和適用性。應根據(jù)項目設計技術(shù)要求和用戶使用要求，選擇合理可行的多視場熱像儀變倍光機系統(tǒng)方案。在具體的結(jié)構(gòu)設計中，主要針對光學系統(tǒng)視場變換的特點及空間尺寸的限制條件選擇合適的變倍機構(gòu)型式開展結(jié)構(gòu)設計。一般徑向變倍和軸向變倍光機系統(tǒng)已經(jīng)使用比較普遍，徑向和軸向變倍復合的光機系統(tǒng)使用還比較少見。因為有些復合方式采取把大視場分離出來作為一個成像通道，而把小/中視場組合為一個成像通道，則所獲得的應用效果會很有限?？傊诙嘁晥鰺嵯駜x設計中應該遵循一定的設計原則，優(yōu)化設計過程就是不斷完善設計的過程，優(yōu)秀的變倍光機系統(tǒng)設計不能顧此失彼。

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Study on Zoom Mechanisms of Thermal Imagers

ZHANG Wei-feng，ZHAO Jin-song，SHI Yan-li，TAO Liang，KANG Li-zhu，HE Hong-xing，TANG Han，XU Can-jun，ZHENG Chuan-wu，ZHAO Qiang

(,650223,)

Technologies in zoom mechanism design for thermal imagers are studied in this paper. For multiple field-of-view thermal imagers, principle and feature of several zoom mechanisms are presented respectively. Furthermore, the main fundamentals in the mechanical design are concluded.

multiple field-of-view thermal imager，zoom mechanism，optical-mechanical system

TH702

A

1001-8891(2015)12-0993-06

2015-11-16；

2015-12-02.

張衛(wèi)鋒（1978-），男，博士研究生，高級工程師。主要研究方向為結(jié)構(gòu)設計和熱像儀總體設計技術(shù)、熱像儀測試技術(shù)。

趙勁松（1972-），男，博士，研高工。主要研究方向為紅外光學和熱像儀總體設計技術(shù)、紅外光學及熱像儀測試技術(shù)。

云南省重點項目，編號：2015FA040。