紅外變焦系統結構設計

高子英，劉智穎

（長春理工大學　光電工程學院，長春　130022）

紅外變焦系統結構設計

高子英，劉智穎

（長春理工大學光電工程學院，長春130022）

為了模擬目標成像大小的變化過程，設計了一款17x的紅外變焦系統，為保證系統在變焦過程中像面的穩定性，應用動態光學知識在Matlab中建立數學模型，得到變焦擬合曲線。重點針對變焦系統的結構進行了設計與分析，由物理制約條件出發分析了凸輪直徑、工作轉角及螺旋升角間的關系。實驗表明，基于動態光學設計的凸輪曲線可以保證系統在變焦過程中像面穩定，成像質量良好。

紅外變焦；結構設計；變焦擬合曲線；凸輪

光學儀器通過不同的放大倍率來改變視場大小，從而達到詳細觀察的目的。在連續變焦概念出現以前，由于一個具有固定焦距的光學系統只能對一定的物平面成理想的像，人們往往是通過更換不同焦距的鏡頭實現變倍，從而改變視場來進行觀察，然而這種方式不具備連續性，會導致景象的瞬間突變，而設計焦距能連續改變的光學系統可以克服這個缺點。變焦鏡頭［1-3］并不依靠更換鏡頭實現變焦，譬如相機變焦鏡頭是通過推拉或者旋轉鏡頭的變焦環來實現的。在鏡頭變焦范圍內的任何焦距都可以用來攝影，這更能實現構圖的多樣化。目前，在變焦系統設計中通常采用的補償法有兩種：光學補償法和機械補償法，其中機械補償法結構上通常采用變焦凸輪作為動力傳動機構［4］。

1958年，祖瑪公司的弗蘭克·巴克博士設計了世界上第一個照相機用變焦鏡頭Voigtlander Zoomer，它是當時最新式的光學補償鏡頭，存在體積大和笨重的缺陷。1963年，尼康公司機械式補償變焦鏡頭Zoom Nikkor，是第一個真正具有大眾化意義的相機機械補償變焦鏡頭。這個革新意義重大，它使變焦鏡頭能被設計得更加小巧輕盈，具有更佳的焦點補償效果。影像質量和定焦鏡頭相比，已經非常接近。目前，變焦鏡頭已經應用于軍事領域和民用領域，基于在拍照時不需要更換鏡頭以及體積和重量上的小巧輕盈帶來的便捷，在民用領域，機械變焦變焦鏡頭的應用更為廣泛。

本文研究了關于紅外變焦系統的結構設計，考慮變焦過程中像面的穩定性，應用動態光學知識對變焦凸輪曲線進行了擬合，根據具體結構設計方案做出的樣機，經實驗驗證變焦過程順暢，像面穩定，成像質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　長焦位置光路圖

圖4　短焦時點列圖

圖5　中焦時點列圖

圖6　長焦時點列圖

圖7　短焦時傳函曲線

圖8　中焦時傳函曲線

圖9　長焦時的傳函曲線

1　變焦光學系統的設計

依據變焦原理，并深入分析紅外變焦光學系統［5-7］，對本實驗指定的光學系統應用Zemxa軟件進行優化分析，得到不同焦距的光路圖以及點列圖和傳函曲線。

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

考慮到系統能量透過率要求高，盡量降低變焦系統的鏡片數。通過對光學材料的合理選擇及光焦度的合理分配情況下，該變焦系統由五片透鏡構成，變焦系統光學總長為327mm。

光學系統在短焦，中焦，長焦各個位置下點列圖如圖4、圖5、圖6所示。傳函曲線如圖7、圖8、圖9所示。

系統在變焦過程中點列圖均較圓整，彌散斑均方根半徑均接近于30μm，與紅外探測像元相當。變焦過程中傳函曲線較為圓滑，并且均接近衍射極限，表明變焦系統變焦過程中像面穩定并且成像質量優良。

2　變焦光學系統的結構

2.1變焦系統的結構設計

由于變焦系統中的變倍組與補償組屬于運動部件，在設計過程中需考慮變倍組與補償組的偏心量控制，所以移動組元需保證運動過程中傾斜量盡可能的小。其結構類似，均做成圓盤狀，邊緣材質采用銅以減小摩擦，且邊緣各開有兩個小孔用于鑲入導釘以用于和固定筒、凸輪筒的配合。變倍組和補償組的結構分別如圖10、圖11所示。

圖10　變倍組結構圖

圖11　補償組結構圖

前固定組的固定筒做成圓柱形，注意要滿足圓柱度要求，否則工作時易出現卡死現象。與凸輪筒配合時要滿足精度要求，否則會出現光軸漂的現象，容易卡死。筒內徑大小依光學鏡片的大小而定。前后固定組的鏡片都采用壓圈固定。前后固定組的結構分別如圖12、圖13所示。

圖12　前固定組結構

圖13　后固定組結構

結構選材時，應按照光學設計過程中溫度分析對應的材料進行選擇，并且保證在凸輪曲線盤布后的剛度與強度，所以鏡筒選用硬鋁。為了抑制雜散光，鏡筒內壁需做特殊染黑處理。變焦光學系統結構設計圖如圖14所示。

圖14　整體結構圖（半剖視圖）

2.2變焦系統的凸輪結構設計

變焦系統的結構設計，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時可以具有足夠的盤布空間。

根據動態光學原理，在Matlab中編寫程序進行建模，可以得到補償組與變倍組的關系曲線，如圖15所示。

圖15　擬合變焦曲線

通過得到擬合的變焦曲線，可知變倍組運動路徑為一條傾斜直線，當變倍組依附凸輪運動時，這條直線便形成了螺旋線。由此，可以得到凸輪直徑D、工作轉角Φ以及能夠滿足變焦過程的螺旋升角α的關系式：

式中H為已知的光學導程（H=178.46mm）。

考慮到變倍組在凸輪上的運動情況，必須選取一個合適的螺旋升角α。這關系到變倍組能否依附凸輪上的螺旋槽做平穩順暢的運動，抑或出現遲滯或者卡死的現象，因此需要考慮螺旋升角α的合理取值。當α較小時，雖然轉動力矩減小，能夠實現小功率控制而達到穩定變焦，但通過上式可知，光學導程H和工作轉角Φ一定時，過小的螺旋升角會導致凸輪直徑過大，而且導致變焦過程變慢，顯然不合理；另外，如果螺旋升角過大，則違反了機械力學中要求其小于45°的原理，從而出現遲滯或者卡死現象。此外，工作轉角Φ的取值不絕對，合理就好，結合實際，考慮到對凸輪的剛度要求，顯然要小于180°。

根據上述討論，取Φ=8π/9，又已知光學導程H=178.46mm，那么根據公式顯然能夠得到凸輪直徑D和螺旋升角α的關系式，再結合實際玻璃鏡片的尺寸對凸輪直徑D的制約，利用公式計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傳動動力，但根據本設計的變焦曲線來分析，由于變倍組行程較長，補償組基本平滑，如果用三組曲線槽，變倍組螺旋升角太大，所以最終設計取兩組曲線槽。變倍組與補償組曲線槽在回轉方向相差90°。凸輪一端設計有齒輪，與驅動電機齒輪連接，驅動凸輪筒旋轉。凸輪筒結構圖如圖16所示。

圖16　凸輪筒結構圖

3　實驗結果

設計后系統加工實物如圖17所示。

圖17　變焦結構實物圖

應用Optikos公司傳函儀提供被測目標，經由該變焦系統成像，對其成像結果與變焦倍率進行了測試，圖18與圖19分別給出了對應長焦與短焦成像的最大光斑和最小光斑，測試結果表明系統變焦過程中像面穩定，成像質量良好。

圖18　最大成像光斑

圖19　最小成像光斑

4　結論

本文對一款17x的紅外變焦系統做了結構設計及分析，并通過應用動態光學知識在Matlab中建立數學模型，得到變焦擬合曲線以及結合凸輪直徑、工作轉角及螺旋升角間的關系，最終設計出有兩組曲線槽、凸輪直徑為D=169mm、螺旋升角為α=37.1°的凸輪結構。考慮到減小偏心量、摩擦力以達到更好配合、避免卡死等目的，變倍組與補償組均做成以銅為材質的圓盤狀結構，固定筒做成以硬鋁為材質的圓柱狀結構，并在內壁做染黑處理來抑制雜散光。在最后的實驗測試中，本系統在變焦過程中像面穩定，成像質量良好。

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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