高子英，劉智穎

（長(zhǎng)春理工大學(xué)　光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春　130022）

紅外變焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高子英，劉智穎

（長(zhǎng)春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022）

為了模擬目標(biāo)成像大小的變化過(guò)程，設(shè)計(jì)了一款17x的紅外變焦系統(tǒng)，為保證系統(tǒng)在變焦過(guò)程中像面的穩(wěn)定性，應(yīng)用動(dòng)態(tài)光學(xué)知識(shí)在Matlab中建立數(shù)學(xué)模型，得到變焦擬合曲線。重點(diǎn)針對(duì)變焦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，由物理制約條件出發(fā)分析了凸輪直徑、工作轉(zhuǎn)角及螺旋升角間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明，基于動(dòng)態(tài)光學(xué)設(shè)計(jì)的凸輪曲線可以保證系統(tǒng)在變焦過(guò)程中像面穩(wěn)定，成像質(zhì)量良好。

紅外變焦；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；變焦擬合曲線；凸輪

光學(xué)儀器通過(guò)不同的放大倍率來(lái)改變視場(chǎng)大小，從而達(dá)到詳細(xì)觀察的目的。在連續(xù)變焦概念出現(xiàn)以前，由于一個(gè)具有固定焦距的光學(xué)系統(tǒng)只能對(duì)一定的物平面成理想的像，人們往往是通過(guò)更換不同焦距的鏡頭實(shí)現(xiàn)變倍，從而改變視場(chǎng)來(lái)進(jìn)行觀察，然而這種方式不具備連續(xù)性，會(huì)導(dǎo)致景象的瞬間突變，而設(shè)計(jì)焦距能連續(xù)改變的光學(xué)系統(tǒng)可以克服這個(gè)缺點(diǎn)。變焦鏡頭［1-3］并不依靠更換鏡頭實(shí)現(xiàn)變焦，譬如相機(jī)變焦鏡頭是通過(guò)推拉或者旋轉(zhuǎn)鏡頭的變焦環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在鏡頭變焦范圍內(nèi)的任何焦距都可以用來(lái)攝影，這更能實(shí)現(xiàn)構(gòu)圖的多樣化。目前，在變焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通常采用的補(bǔ)償法有兩種：光學(xué)補(bǔ)償法和機(jī)械補(bǔ)償法，其中機(jī)械補(bǔ)償法結(jié)構(gòu)上通常采用變焦凸輪作為動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)［4］。

1958年，祖瑪公司的弗蘭克·巴克博士設(shè)計(jì)了世界上第一個(gè)照相機(jī)用變焦鏡頭Voigtlander Zoomer，它是當(dāng)時(shí)最新式的光學(xué)補(bǔ)償鏡頭，存在體積大和笨重的缺陷。1963年，尼康公司機(jī)械式補(bǔ)償變焦鏡頭Zoom Nikkor，是第一個(gè)真正具有大眾化意義的相機(jī)機(jī)械補(bǔ)償變焦鏡頭。這個(gè)革新意義重大，它使變焦鏡頭能被設(shè)計(jì)得更加小巧輕盈，具有更佳的焦點(diǎn)補(bǔ)償效果。影像質(zhì)量和定焦鏡頭相比，已經(jīng)非常接近。目前，變焦鏡頭已經(jīng)應(yīng)用于軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域，基于在拍照時(shí)不需要更換鏡頭以及體積和重量上的小巧輕盈帶來(lái)的便捷，在民用領(lǐng)域，機(jī)械變焦變焦鏡頭的應(yīng)用更為廣泛。

本文研究了關(guān)于紅外變焦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，考慮變焦過(guò)程中像面的穩(wěn)定性，應(yīng)用動(dòng)態(tài)光學(xué)知識(shí)對(duì)變焦凸輪曲線進(jìn)行了擬合，根據(jù)具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案做出的樣機(jī)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證變焦過(guò)程順暢，像面穩(wěn)定，成像質(zhì)量良好滿足使用要求。

圖1　短焦位置光路圖

圖2　中焦位置光路圖

圖3　長(zhǎng)焦位置光路圖

圖4　短焦時(shí)點(diǎn)列圖

圖5　中焦時(shí)點(diǎn)列圖

圖6　長(zhǎng)焦時(shí)點(diǎn)列圖

圖7　短焦時(shí)傳函曲線

圖8　中焦時(shí)傳函曲線

圖9　長(zhǎng)焦時(shí)的傳函曲線

1　變焦光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

依據(jù)變焦原理，并深入分析紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)［5-7］，對(duì)本實(shí)驗(yàn)指定的光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用Zemxa軟件進(jìn)行優(yōu)化分析，得到不同焦距的光路圖以及點(diǎn)列圖和傳函曲線。

變焦系統(tǒng)的變焦范圍為9.6～163.2mm，變倍比為17倍，圖1、圖2、圖3分別為變焦系統(tǒng)長(zhǎng)、短、中焦情況下光路圖。

考慮到系統(tǒng)能量透過(guò)率要求高，盡量降低變焦系統(tǒng)的鏡片數(shù)。通過(guò)對(duì)光學(xué)材料的合理選擇及光焦度的合理分配情況下，該變焦系統(tǒng)由五片透鏡構(gòu)成，變焦系統(tǒng)光學(xué)總長(zhǎng)為327mm。

光學(xué)系統(tǒng)在短焦，中焦，長(zhǎng)焦各個(gè)位置下點(diǎn)列圖如圖4、圖5、圖6所示。傳函曲線如圖7、圖8、圖9所示。

系統(tǒng)在變焦過(guò)程中點(diǎn)列圖均較圓整，彌散斑均方根半徑均接近于30μm，與紅外探測(cè)像元相當(dāng)。變焦過(guò)程中傳函曲線較為圓滑，并且均接近衍射極限，表明變焦系統(tǒng)變焦過(guò)程中像面穩(wěn)定并且成像質(zhì)量?jī)?yōu)良。

2　變焦光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2.1變焦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于變焦系統(tǒng)中的變倍組與補(bǔ)償組屬于運(yùn)動(dòng)部件，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需考慮變倍組與補(bǔ)償組的偏心量控制，所以移動(dòng)組元需保證運(yùn)動(dòng)過(guò)程中傾斜量盡可能的小。其結(jié)構(gòu)類似，均做成圓盤狀，邊緣材質(zhì)采用銅以減小摩擦，且邊緣各開有兩個(gè)小孔用于鑲?cè)雽?dǎo)釘以用于和固定筒、凸輪筒的配合。變倍組和補(bǔ)償組的結(jié)構(gòu)分別如圖10、圖11所示。

圖10　變倍組結(jié)構(gòu)圖

圖11　補(bǔ)償組結(jié)構(gòu)圖

前固定組的固定筒做成圓柱形，注意要滿足圓柱度要求，否則工作時(shí)易出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。與凸輪筒配合時(shí)要滿足精度要求，否則會(huì)出現(xiàn)光軸漂的現(xiàn)象，容易卡死。筒內(nèi)徑大小依光學(xué)鏡片的大小而定。前后固定組的鏡片都采用壓圈固定。前后固定組的結(jié)構(gòu)分別如圖12、圖13所示。

圖12　前固定組結(jié)構(gòu)

圖13　后固定組結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)選材時(shí)，應(yīng)按照光學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中溫度分析對(duì)應(yīng)的材料進(jìn)行選擇，并且保證在凸輪曲線盤布后的剛度與強(qiáng)度，所以鏡筒選用硬鋁。為了抑制雜散光，鏡筒內(nèi)壁需做特殊染黑處理。變焦光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖14所示。

圖14　整體結(jié)構(gòu)圖（半剖視圖）

2.2變焦系統(tǒng)的凸輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

變焦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要需要考慮如何將凸輪曲線［8-12］合理盤布于鏡筒上，并且保證鏡筒口徑的合理性，使得凸輪曲線行程較長(zhǎng)時(shí)可以具有足夠的盤布空間。

根據(jù)動(dòng)態(tài)光學(xué)原理，在Matlab中編寫程序進(jìn)行建模，可以得到補(bǔ)償組與變倍組的關(guān)系曲線，如圖15所示。

圖15　擬合變焦曲線

通過(guò)得到擬合的變焦曲線，可知變倍組運(yùn)動(dòng)路徑為一條傾斜直線，當(dāng)變倍組依附凸輪運(yùn)動(dòng)時(shí)，這條直線便形成了螺旋線。由此，可以得到凸輪直徑D、工作轉(zhuǎn)角Φ以及能夠滿足變焦過(guò)程的螺旋升角α的關(guān)系式：

式中H為已知的光學(xué)導(dǎo)程（H=178.46mm）。

考慮到變倍組在凸輪上的運(yùn)動(dòng)情況，必須選取一個(gè)合適的螺旋升角α。這關(guān)系到變倍組能否依附凸輪上的螺旋槽做平穩(wěn)順暢的運(yùn)動(dòng)，抑或出現(xiàn)遲滯或者卡死的現(xiàn)象，因此需要考慮螺旋升角α的合理取值。當(dāng)α較小時(shí)，雖然轉(zhuǎn)動(dòng)力矩減小，能夠?qū)崿F(xiàn)小功率控制而達(dá)到穩(wěn)定變焦，但通過(guò)上式可知，光學(xué)導(dǎo)程H和工作轉(zhuǎn)角Φ一定時(shí)，過(guò)小的螺旋升角會(huì)導(dǎo)致凸輪直徑過(guò)大，而且導(dǎo)致變焦過(guò)程變慢，顯然不合理；另外，如果螺旋升角過(guò)大，則違反了機(jī)械力學(xué)中要求其小于45°的原理，從而出現(xiàn)遲滯或者卡死現(xiàn)象。此外，工作轉(zhuǎn)角Φ的取值不絕對(duì)，合理就好，結(jié)合實(shí)際，考慮到對(duì)凸輪的剛度要求，顯然要小于180°。

根據(jù)上述討論，取Φ=8π/9，又已知光學(xué)導(dǎo)程H=178.46mm，那么根據(jù)公式顯然能夠得到凸輪直徑D和螺旋升角α的關(guān)系式，再結(jié)合實(shí)際玻璃鏡片的尺寸對(duì)凸輪直徑D的制約，利用公式計(jì)算即可得到合理的取值為D=169mm，α=37.1°。

為了保證變焦順暢，通常使用三組曲線槽來(lái)傳動(dòng)動(dòng)力，但根據(jù)本設(shè)計(jì)的變焦曲線來(lái)分析，由于變倍組行程較長(zhǎng)，補(bǔ)償組基本平滑，如果用三組曲線槽，變倍組螺旋升角太大，所以最終設(shè)計(jì)取兩組曲線槽。變倍組與補(bǔ)償組曲線槽在回轉(zhuǎn)方向相差90°。凸輪一端設(shè)計(jì)有齒輪，與驅(qū)動(dòng)電機(jī)齒輪連接，驅(qū)動(dòng)凸輪筒旋轉(zhuǎn)。凸輪筒結(jié)構(gòu)圖如圖16所示。

圖16　凸輪筒結(jié)構(gòu)圖

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)后系統(tǒng)加工實(shí)物如圖17所示。

圖17　變焦結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

應(yīng)用Optikos公司傳函儀提供被測(cè)目標(biāo)，經(jīng)由該變焦系統(tǒng)成像，對(duì)其成像結(jié)果與變焦倍率進(jìn)行了測(cè)試，圖18與圖19分別給出了對(duì)應(yīng)長(zhǎng)焦與短焦成像的最大光斑和最小光斑，測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)變焦過(guò)程中像面穩(wěn)定，成像質(zhì)量良好。

圖18　最大成像光斑

圖19　最小成像光斑

4　結(jié)論

本文對(duì)一款17x的紅外變焦系統(tǒng)做了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析，并通過(guò)應(yīng)用動(dòng)態(tài)光學(xué)知識(shí)在Matlab中建立數(shù)學(xué)模型，得到變焦擬合曲線以及結(jié)合凸輪直徑、工作轉(zhuǎn)角及螺旋升角間的關(guān)系，最終設(shè)計(jì)出有兩組曲線槽、凸輪直徑為D=169mm、螺旋升角為α=37.1°的凸輪結(jié)構(gòu)?？紤]到減小偏心量、摩擦力以達(dá)到更好配合、避免卡死等目的，變倍組與補(bǔ)償組均做成以銅為材質(zhì)的圓盤狀結(jié)構(gòu)，固定筒做成以硬鋁為材質(zhì)的圓柱狀結(jié)構(gòu)，并在內(nèi)壁做染黑處理來(lái)抑制雜散光。在最后的實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，本系統(tǒng)在變焦過(guò)程中像面穩(wěn)定，成像質(zhì)量良好。

［1］ 李永剛，張葆，丁金偉.紅外連續(xù)鏡頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，32（1）：61-63.

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［6］ 梅丹陽(yáng)，焦明印.變焦距投影，光學(xué)系統(tǒng)中的遠(yuǎn)心光路設(shè)計(jì)［J］.應(yīng)用光學(xué)，2006，27（4）：264-267.

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［11］ 王春艷，王志堅(jiān)，周慶才.應(yīng)用動(dòng)態(tài)光學(xué)理論求解變焦光學(xué)系統(tǒng)補(bǔ)償組凸輪曲線［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2006，6（6）：891-894.

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Structure Design of IR Zoom System

GAO Ziying，LIU Zhiying
（School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

To simulate the variable process of target imaging，an IR zoom system with ratio of 17xis designed.To ensure the stability of image position in zoom system，the zoom fitting curve is calculated by applying dynamic optics and building mathematical model in Matlab.Focusing on zoom system structure，the detail structure is designed and analyzed.According to physical restriction conditions，the relationships among cam diameter，work rotating angle and screw lead angle is analyzed.Experiments show image position is stable，zoom system gets better image quality based on the curve from dynamic optics design in zoom.

IR zoom；structure design；zoom fitting curve；cam

TH216

A

1672-9870（2015）05-0030-04

2015-07-15

高子英（1987-），男，碩士研究生，E-mail：695046404@qq.com

劉智穎（1981-），女，副教授，E-mail：lzy@cust.edu.cn