20×長波紅外連續變焦熱像儀光機系統設計

王紅偉，束慧琴，陳呂吉，嚴 敏，曾 怡

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20×長波紅外連續變焦熱像儀光機系統設計

王紅偉，束慧琴，陳呂吉，嚴 敏，曾 怡

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

一款長波紅外熱像儀具有20︰1的變倍比，采用機械補償變焦方式實現熱像儀18.5～367mm范圍內的連續變焦。本文對熱像儀的連續變焦機構進行了設計。為保證光軸偏差滿足要求，變焦機構內部的直線性和平行度、變焦機構與系統光軸間的平行度需進行精確調節。同時，通過調用溫度補償信息表可實現不同溫度條件下的溫度補償和快速變焦，使熱像儀具有較寬的溫度范圍。

長波紅外；熱像儀；連續變焦；光軸偏差；平行度；溫度補償

0 引言

連續變焦系統是一種焦距可以連續變化，而在變焦過程中像面保持穩定且像質保持良好的系統。連續變焦系統在視場轉換過程中具有不間斷觀察及鎖定目標的能力，能夠保持圖像的連續性，可用于對目標的搜索、跟蹤、偵查、預警等方面，廣泛應用于國民經濟和國防工業的很多領域[1-4]。

根據變焦過程中補償方式的不同可分為機械補償方式變焦距系統和光學補償式變焦距系統，光學補償式變焦距系統主要用于早期凸輪曲線技術不十分成熟且精細加工精度低的條件下，并不屬于完全意義上的連續變焦距系統；目前常用的是機械補償變焦光學系統。在文獻[3]中，作者綜合考慮冷光闌匹配、冷反射現象、加工精度、圖像失真、體積及重量等因素, 采用二次成像技術設計了20×機械補償連續變焦光學系統，光學結構圖如圖1[3]示，視場范圍為1.5°×1.1°～30°×22.5°，對應焦距范圍為18.5mm～367mm。

本文針對文獻[3]所設計的光學系統，設計開發了一款機械補償式連續變焦熱像儀。該熱像儀具有分辨率高、變倍比大、結構緊湊和作用距離遠等優點，可廣泛應用于地面防空警戒系統，武器平臺搜索、監視、瞄準跟蹤系統等，實現對各種典型目標的探測和識別。

1 熱像儀技術參數

該熱像儀探測器采用384×288長波量子阱焦平面探測器，像元大小為25mm×25mm，熱像儀技術參數如表1所示。

圖1 連續變焦光學結構圖

表1 熱像儀技術參數

注：變焦范圍：是指為保證光學系統在整個焦距（短焦到長焦）范圍內清晰成像，變倍組所移動的范圍；補償范圍：是指為保證光學系統在整個焦距（短焦到長焦）范圍內清晰成像，補償組為補償所對應不同的光學變倍比，相應所移動的范圍。

2 系統總體結構及原理

熱像儀整機主要由前固定組、變倍機構組、補償機構組、探測器組件、后固定組、反射鏡組件、光機平臺和電子處理組件等構成，如圖2所示。其中前固定組、變倍機構組、補償機構組、探測器組件、后固定組和反射鏡組件是光學裝配組部件，用于實現對目標紅外輻射的匯聚。光機平臺是光學部分和電子處理部分的安裝平臺。電子成像處理系統硬件上實現對熱像儀的信號處理，實現信號采樣、緩沖、處理及傳輸；軟件上實現非均勻校正、盲元修正、數字視頻圖像處理、伺服控制、通訊接口及協議等處理，將觀察目標的紅外信息轉化為標準的圖像和電子信息，熱像儀工作原理的示意圖如圖3所示。

圖2 熱像儀構成圖（去除上蓋板）

圖3 系統工作原理圖

3 光學設計及評價[3]

文獻[3]的作者根據相應的指標、綜合考慮冷光闌匹配/冷反射現象/圖像失真/體積及重量等因素,采用二次成像設計技術設計了20×連續變焦光學系統,光學結構圖如圖1所示。光學系統外形尺寸小于230mm×175mm×128mm（長×寬×高），系統視場范圍為1.5°×1.1°～30°×22.5°，對應焦距范圍為18.5mm～367mm。該光學系統中，作者采用1個二元衍射面和2個高次非球面來有效地校正像差[5]，提高像質和透過率；采用放置的45°反射鏡實現光學結構的緊湊設計；光學材料采用Ge和ZnSe的合理搭配實現系統的消色差設計。

光學系統設計中變焦方式采用機械補償方式，其中變倍行程為74mm，對應的補償行程為48mm。變焦功能由變倍組和補償組共同完成，變倍組起變倍作用，補償組起補償變倍組運動引起的像面位移作用[6]；同時在整個工作溫度范圍內，為保證變焦過程任何一個視場的成像質量，補償組同時起調焦及溫度補償作用，全焦范圍內光學系統圖如圖4所示。為保證成像質量，變倍組及補償組的運行軌跡應平滑無跳躍，變倍和補償曲線如圖5所示。

圖4 光學系統圖

圖5 變焦及補償曲線

調制傳遞函數、點列圖和近焦距離是評價光學系統的常用判據。文獻[3]給出的光學系統調制傳遞函數圖表明，在奈奎斯特頻率（20lp/mm）處的MTF均接近衍射限（最上面的黑實線為衍射限），說明變焦系統的成像質量優良，足以滿足光學系統在整個焦距變化范圍內的成像質量；文獻[3]給出的點列圖表明，說明變焦光學系統與紅外探測器具有良好的匹配性，很好地滿足了系統的使用要求。

4 設計及調試

熱像儀由主殼體和上蓋板構成密封艙體，光電主要部分安裝在主殼體內，如圖2所示，熱像儀整機尺寸405mm×210mm×165mm。熱像儀連續變焦功能由變倍機構組和補償機構組共同實現，變倍機構組和補償機構組采用相同的原理進行設計，本文采用變倍機構組進行描述。變倍機構組如圖6所示，由電機帶動絲桿做螺旋運動，通過連接到鏡架上的消間隙螺母把絲桿的螺旋運動轉化為鏡組的直線運動，在主導軌的定向作用下，實現沿光軸方向的直線運動。鏡架通過一個絲桿和消間隙螺母沿著光軸方向進行定位安裝，消間隙螺母采用法蘭盤接口形式安裝到鏡架上，絲桿兩端分別安裝有支撐軸承。主導軌上安裝有兩個直線軸承，次導軌上安裝有一個直線軸承，采用主導軌和次導軌可以有效消除鏡架運動過程中絲桿的螺旋運動引起的鏡架繞絲桿軸的旋轉。高精度位置編碼器可以實時有效地反饋機構的位置信息。在產品調試過程中，在不同溫度條件下讀取位置編碼器的位置信息，形成溫度位置信息表（實際情況中，考慮到產品的經濟性，通常采用讀取有限個溫度點，并根據某一函數關系擬合形成該溫度和位置關系）并固化到熱像儀軟件中，在熱像儀開機時，通過調用該信息表，可實現在不同溫度條件下熱像儀能快速清晰成像和快速變倍。

圖6 變倍機構組

對于變倍成像系統，光軸偏差是產品性能的一個重要性能參數。該系統中變倍組軸向移動行程為74mm，在如此大范圍實現對光軸偏差的控制是一個巨大的挑戰。為保證光軸偏差滿足系統要求，在裝配過程中不僅需要對變倍機構組和補償機構組的主導軌、絲桿和次導軌的各自直線度進行調節，還需要對絲桿、主導軌和次導軌間的平行度進行調節。如果運動單元的直線度或者相互間的平行度不能滿足要求，變倍組和補償組在運動過程中會出現運動不平穩現象，在低溫條件下由于電機性能的下降出現卡滯（視場轉換時間超時）甚至是卡死的現象，抑或是出現變倍組和補償組運動不匹配，系統不能清晰成像，從而造成產品不能有效地對可疑目標進行觀測、搜索跟蹤、探測和識別。同時，變倍機構組/補償機構組和系統光軸之間的平行度也應進行調節，如果變倍機構組/補償機構組和系統光軸間的平行度超差，光學性能和視場會受到影響，產品的作用距離會下降。

5 試驗圖像

在某試驗中，熱像儀安裝于某車載防空設備的轉塔上，在環境溫度35℃、濕度85%、天空多云且云層較厚的條件下，對某型靶機進行了搜索跟蹤試驗。圖7為采用車載設備錄取的試驗圖像，從圖7可以看出熱像儀可以在不同的距離條件下，不同焦距范圍清晰成像且圖像質量優良，能夠實現對目標的搜索、跟蹤和識別。

圖7 不同焦距條件下熱圖像

6 結論

針對僅用6片透鏡設計的焦距范圍為18.5mm～367mm的光學系統，采用機械補償變焦方式設計開發了一款熱像儀。在熱像儀調試過程中，為保證全焦范圍內系統光軸偏差滿足產品要求，需要對機械補償變焦機構內部直線度及相互間的平行度和機械補償變焦機構與系統光軸間的平行度進行精確調整。光學軟件仿真和外場試驗結果表明，該熱像儀具有像質髙、變倍比大、體積小、作用距離遠等優點，可廣泛應用于機載穩瞄或預警系統、地面防空警戒系統、艦載偵察與跟蹤系統、戰場偵察搜索與監視系統、武器平臺瞄準跟蹤系統等，滿足不同用戶的應用需求。

[1] 許照東, 劉欣, 董濤. 機載高分辨率連續變焦紅外熱像儀設計[J]. 紅外與激光工程, 2007, 36(5): 619-621.

XU Zhaodong, LIU Xin, DONG Tao. Design of airborne high resolution and continuous magnification IR thermal imager[J].. 2007, 36(5): 619-621.

[2] 陳呂吉, 李萍, 馬琳. 緊湊中波紅外連續變焦光學系統設計[J]. 紅外技術, 2010, 32(11): 645-648.

CHEN Lvji, LI Ping, MA Lin. Optically compensated MWIR zoom system[J]., 2010, 32(11) :645-648

[3] 陳呂吉, 李萍, 孫琪艷. 20×長波紅外連續變焦光學系統設計[J].紅外技術, 2012, 34(8): 458-462.

CHEN Lvji, LI Ping, SUN Qiyan. Design of LWIR zoom optical system with 20:1 zoom range[J]., 2012, 34(8):458-462.

[4] 賈星蕊, 李訓牛, 王海洋, 等. 大變倍比長波紅外連續變焦光學系統設計[J]. 紅外技術, 2012, 34(8): 463-466.

JIA Xingrui, LI Xunniu, WANG Haiyang, et al. Design of a LWIR continuous zooming optic system with large zooming range[J]., 2012,34(8):463-466.

[5] Betensky E I. Role of aspherics in zoom lens design[C]//, 1990, 1354: 656-662.

[6] Sanson M C, Cornell J. MWIR Continuous zoom with large zoom range[C]//, 2010, 7660: 76601X-1-12.

Optical and Mechanical Design of LWIR Continuous Zoom Thermal Imager with 20×Zoom Range

WANG Hongwei，SHU Huiqin，CHEN Lvji，YAN Min，ZENG Yi

(, Kunming 650223, China)

The long-wave thermal imager has a zoom ratio of 20:1. It's focal length can be continuously varied from 18.5 mm to 367 mm by the mechanical compensation zoom approach. We designed the continuous zoom mechanism. In order to make optical axis error reaches requirements of the system, the inner linearity/parallelism of zoom mechanism, the parallelism between the zoom mechanism and the optical axis of the system needs to be adjusted accurately. By using thermal compensation table, temperature compensation and fast zoom at different temperatures can be achieved in this thermal imager, while a broad temperature range is covered.

LWIR，thermal imager，continuous zoom，deviation of optical axis，parallelism，temperature compensation

TN216

A

1001-8891(2015)10-0924-04

2013-05-22；

2016-10-30.

王紅偉（1978-），男，高級工程師，主要從事紅外系統總體技術研究及整機產品研發。