跟瞄系統調焦結構分析

何佳融

（吉林省計量科學研究院 吉林省計量測試儀器與技術重點實驗室，吉林 長春 130103）

引 言

如何能實時地跟蹤瞄準目標是激光武器實施精確打擊的關鍵，這需要系統在捕捉到運動的目標后，根據目標的運動速度、運動方式對光學系統進行實時調焦，使目標所成的像清晰、穩定地呈現在CCD上。對被測目標進行跟蹤時，如果系統處于離焦的狀態，即物鏡組的像方焦平面沒有與目鏡組的物方焦平面重合，則CCD上呈現的像是不清晰的，這會影響系統對目標進行瞄準和精確打擊。此時我們會通過調節系統的調焦鏡組使兩焦平面重合，來獲得清晰圖像。由此可以看出，實時調焦、精確快速調焦是動態目標跟蹤瞄準系統的技術核心。如何對遠距離、高速運動的目標進行跟蹤瞄準，設計快速、高精度的調焦結構，使圖像系統能夠實時地采集到清晰、穩定的圖像是本文研究的重點。本文將設計一套對動態目標跟蹤瞄準的系統，滿足對遠距離、高速運動的目標進行實時調焦，精確對準，并且成像清晰、穩定[1-3]。

調焦光學系統可以分為外調焦系統和內調焦系統。外調焦是通過調節目鏡組和物鏡組的位置來進行焦距變化的。外調焦系統優點是：調焦方便，只需調節目鏡組與物鏡組的間距就可以完成調焦；機械結構簡單。外調焦系統缺點是：系統尺寸大；密封性差[4]。而本文采用的內調焦系統不需要改變系統的總體機械結構，只通過移動一組鏡片就可以完成調焦，使整個系統的結構更精密，同時保證了系統的小型化和密封性。

1 系統概述

本文設計的是一款基于內調焦光學系統的動態跟瞄設備。通過望遠機構對目標進行捕捉，并對被測目標成像后，由CCD采集圖像，將被測目標的圖片信息轉換成電信號，通過運算電路的處理，驅動伺服電機，帶動鏡組移動，進行調焦。當被測物體的像方焦面恰好與CCD重合時，伺服電機停止工作，完成調焦[5]。

本文設計的動態跟瞄系統如圖1所示，大致分為四個部分：前置望遠系統，內調焦光機系統，圖像處理系統，計算機控制系統。

圖1 系統簡圖Fig. 1 System diagram

動態目標通過望遠系統、調焦光學結構所成的像被CCD接收，由CCD將圖片信息轉換成電信號傳輸給圖像處理系統。當成像效果模糊時，計算機控制系統會發出信號驅動調焦結構，通過調節鏡組的移動，使系統能夠在1 000 m到4 000 m內的移動目標進行實時的調焦對準，成像清晰。

2 調焦機械結構設計

2.1 調焦鏡組鏡筒設計

根據優化后光學系統參數可知，調焦鏡組的半孔徑為30 mm，通過表1確定鏡片的大小，表1中D為壓圈內徑。

表1 壓圈固定法透鏡外徑與通光口徑的關系Tab. 1 The relation between the diameter of lens and the aperture of pressing ring mm

鏡片外徑為62.5 mm，設計鏡筒壁厚為5 mm，鏡筒二維圖如圖2所示。

2.2 調焦凸輪設計

在調焦光學系統中，調節各移動組之間的距離就可以使焦距發生變化。在調焦過程中，要想達到要求的焦距值，就必須應用某種機械結構滿足調焦要求。本文使用調焦凸輪機械結構進行調焦，用凸輪來控制調焦組的移動量，從而使調焦精確。完成光學系統的優化設計后，需要考慮的就是通過凸輪來實現設計要求的焦距。為了使焦距精確，需要計算調焦鏡組的移動量，用這個關系來加工凸輪運動的軌道，這樣加工出的凸輪就可以準確控制調焦組的移動量[6-9]。

圖2 鏡筒結構圖Fig. 2 Lens tube structure

2.2.1 凸輪曲線擬合

在對調焦光學系統進行優化的時候，需要對多個位置同時進行優化，使這些不同的位置都能達到像差的平衡。在進行凸輪曲線擬合的過程中，通過編程輸出的數據用MATLAB來合成曲線，得到理想的曲線。此種方法有著明顯的優點：

(1) 該方法主要是通過軟件來輸出數據、進行計算，減小了人工運算的工作量，簡單方便；

(2) 通過光學系統中組元頂點的位置來定義移動量，避開了對主面位置的討論；

(3) 此種方法非常快捷，可根據需要隨時擬合成曲線，便于研究曲線和光學系統反應的不同種情況[10-11]。

在1 000 m到4 000 m之間，每10 m一個步長，對物距變化和鏡組移動量進行采點，初步擬合一條曲線，如圖3所示。

圖3 物距變化與調焦鏡組位置關系Fig. 3 The distance change of object and a focusing lens group location sampling

物距變化和調焦鏡組位置擬合的二次方程為：

式中：x為物距；y為調焦鏡組的位置。

圖4中曲線a為初步采點曲線，曲線b為優化后的曲線。優化后的曲線更平滑，可以使調焦鏡組運動平穩、無卡滯。由于凸輪的旋轉角度為0～60°，則凸輪的轉動角度和鏡組的移動位置如圖5所示。

圖4 優化曲線Fig. 4 The profile of optimization

圖5 鏡組位置與凸輪轉動角度關系圖Fig. 5 The relationship between the position of the mirror group and the angle of rotation of the cam

凸輪轉動角度和調焦鏡組位置擬合的二次方程為：

式中：θ為凸輪轉動角度；y為調焦鏡組的位置。

2.2.2 凸輪結構設計

本文設計的調焦光學結構通過齒輪和凸輪相結合的方法來完成光學系統的調焦。齒輪和凸輪結合的方法綜合了齒輪傳動和凸輪結構的優點，齒輪傳動使用性能優良，可以保證運動的穩定性，實現整周的回轉；調焦凸輪通過加工出不同的凸輪槽，可完成任意種類復雜的機械運動。

齒輪傳動優點在于：傳動功率和速度適應范圍大；傳動比精準、可靠；機械效率高；傳遞相同的功率時，系統結構更加緊密，尺寸更小。本文設計的齒輪模數m=1，通過對鏡片和鏡筒尺寸的計算，確定齒輪分度圓的直徑d為90 mm，α為20°，則通過以下公式：

圖6 調焦系統裝配圖Fig. 6 Assembly drawing of focusing system

2.3 材料的選擇

對某一系統進行機械設計的過程中，不但要考慮如何滿足所需要的機械性能，還要對機械零件的輕量化進行分析。由于系統在實際工作中外界溫度環境會產生變化，為了使鏡片和機械零件不因溫度變化產生形變，從而影響成像質量，所以鏡片的線膨脹系數和機械固定件的線膨脹系數必須吻合。如表2所示，在選擇材料的過程中，既要使其能夠滿足整體的機械性能，又要考慮透鏡和金屬零件的線膨脹系數以及性價比。調焦凸輪和鏡筒選擇機械性能好，材料密度小的鈦合金鍛件(TC4)，考慮工作環境，齒輪表面需要鍍防冷焊膜時需要選用不銹鋼(9Cr18)。

表2 材料性能Tab. 2 Material performance

在選材過程中，光學元件與機械零件的線膨脹系數必須相吻合。當溫度發生改變時，透鏡鏡片和機械零件之間就會出現間隙。如果在設計的過程中預留的間隙小于實際溫度間隙，在使用過程中溫度的改變會使透鏡鏡片和機械零件之間出現應力，從而使透鏡鏡片出現形變，甚至破裂，使成像質量降低。所以，如果系統的實際應用環境溫度變化較大，在設計的時候應考慮溫度間隙，計算式為

式中：D為內工作件的直徑；為內工作件的線膨脹系數；為外工作件的線膨脹系數；T1為最低溫度；T2為檢驗時的溫度。

在對整個系統進行結構設計時，不僅要遵循溫度間隙公式，還要將機械零件加工誤差考慮進去。

3 像質評價與精度分析

3.1 像質評價

光學系統像質評定的基準有：能量集中程度、低對比分辨力和OTF值。這個標準并不適用所有情況，必須由采集到的特征信號確定。MTF可以表示目標位于不同頻率的分辨效果，全面表征像質。在MTF圖中，低頻部分、中頻部分、高頻部分分別體現的是物體輪廓、層次和細節的傳遞效果，綜合來看，MTF可以準確、客觀、全面地評價光學系統的像質。但是，MTF由于其計算量大，在優化初期通常選用幾何像差，設計完成后再用MTF來評價。如表3為整組移動調焦的MTF值[12-13]。

表3 鏡組調焦過程 MTF 值Tab. 3 The MTF value of mirror group in focusing process

在整個過程中能夠保證系統的MTF值在0.6以上，系統會有很好的成像質量，達到了技術要求。

3.2 誤差合成

影響調焦精度的因素有：透鏡放置誤差、齒輪傳遞誤差和曲線加工誤差三個方面。齒輪傳遞誤差Δ2由兩部分組成，大致分為齒輪誤差和安裝誤差。由于本文設計的凸輪曲線采用數控加工方法，曲線為平滑曲線，且有三組相同的曲線同時控制位置，可起到誤差均化的作用。由此引入的凸輪曲線加工誤差Δ3可控制在1 μm以內。

由于在齒輪傳遞過程中和凸輪曲線的加工過程中都會存在一定的誤差，因此需要對兩種誤差進行合成：Δ2=0.487 μm，Δ3=1 μm，所以

計算Δ總為±1.1 μm。則系統精度為±1.1 μm，滿足系統要求。

4 結 論

本文對調焦系統進行了設計，并選取了調焦凸輪作為調焦機械結構。該光學系統與望遠系統、調焦系統和圖像處理系統組合在一起，實現對長距離高速運動的目標進行捕捉、跟蹤和成像功能。調焦系統設計過程中，全面理解其工作原理和技術指標，利用光學自動設計軟件Zemax中的MTF值對該系統結構參數進行優化與驗證，像差基本達到平衡，成像圖像清晰，可滿足實際應用要求。利用誤差理論對伺服電機帶動調焦凸輪的結構進行誤差分析，調節精度為±1.1 μm。