基于光機(jī)集成分析的火情監(jiān)察紅外變焦鏡頭主動(dòng)消熱差設(shè)計(jì)

尹 晶，劉 旭，徐曉影，崔艷群，王 強(qiáng)，郭富城

基于光機(jī)集成分析的火情監(jiān)察紅外變焦鏡頭主動(dòng)消熱差設(shè)計(jì)

尹 晶，劉 旭，徐曉影，崔艷群，王 強(qiáng)，郭富城

（長(zhǎng)春電子科技學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130114）

紅外變焦監(jiān)視鏡頭的F數(shù)與焦深相對(duì)較小，因此溫度變化極易導(dǎo)致離焦現(xiàn)象，導(dǎo)致成像質(zhì)量下降。本文針對(duì)火情監(jiān)察紅外變焦鏡頭在－40℃～50℃范圍內(nèi)成像清晰的技術(shù)要求，采用有限元法分析溫度變化下各光學(xué)鏡片前后鏡面的剛體位移與旋轉(zhuǎn)量，將剛體位移導(dǎo)入至Sigit光機(jī)集成分析軟件中仿真出溫度變化工況下鏡頭的離焦量，分析結(jié)果表明焦距值變量在－0.16～＋0.4mm之間，調(diào)焦量為0.108～0.188。針對(duì)上述情況，采用兩個(gè)凸輪兩套執(zhí)行機(jī)構(gòu)來分別控制變倍組和補(bǔ)償組的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鏡頭的主動(dòng)消熱差保證溫度變化下成像仍舊清晰。最終通過溫度可靠性實(shí)驗(yàn)對(duì)鏡頭光學(xué)分辨率溫度適應(yīng)性的進(jìn)行考核，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在溫度變化過程中空間分辨率均大于30lp/mm，變焦過程成像質(zhì)量基本清晰。

火情監(jiān)察；光機(jī)集成分析；紅外變焦鏡頭；主動(dòng)消熱差

0 引言

1 紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)

本文以火情監(jiān)察紅外變焦光學(xué)鏡頭為研究對(duì)象，該光學(xué)系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

紅外變焦鏡頭基于庫克三分離物鏡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，變倍方式為移動(dòng)第二片玻璃，為了矯正滿足同時(shí)校正兩檔變焦系統(tǒng)的殘余像差，將經(jīng)典三片式最后的正透鏡拆分成分離的兩個(gè)正光焦度的透鏡，即系統(tǒng)設(shè)計(jì)用了4片玻璃，其中第一～第三片材料為鍺，第四片為硒化鋅，同時(shí)第二片～第四片中各設(shè)一個(gè)表面（共計(jì)3個(gè)表面）為非球面更好地矯正殘余像差。孔徑光闌的位置選擇在后固定組附近，位于第三片與第四片玻璃之間。紅外變焦鏡頭光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

在ZEMAX中對(duì)整個(gè)變焦系統(tǒng)的成像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出的變焦系統(tǒng)在20℃室溫狀態(tài)下長(zhǎng)焦及短焦時(shí)物距在無限遠(yuǎn)及有限遠(yuǎn)處的Modulation Transfer Function（MTF）曲線，如圖3(a)～(d)所示。由MTF曲線圖可以看出，各視場(chǎng)下MTF值均在0.4以上，接近衍射極限，成像質(zhì)量良好。

2 基于光機(jī)集成分析的紅外變焦鏡頭主動(dòng)消熱光機(jī)設(shè)計(jì)

紅外材料具有較大的溫度系數(shù)，溫度變化時(shí)折射率和阿貝系數(shù)將發(fā)生較大變化影響光學(xué)系統(tǒng)的成像性能[6]。針對(duì)上述問題，無熱化設(shè)計(jì)則可以保證光學(xué)系統(tǒng)在使用溫度范圍內(nèi)的正常工作。消熱化設(shè)計(jì)主要有3種方法：光學(xué)被動(dòng)式[7-8]、機(jī)電主動(dòng)式[9]和機(jī)械被動(dòng)式[10]。機(jī)電主動(dòng)式消熱設(shè)計(jì)可根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)帶來的焦面位移進(jìn)行調(diào)焦，不需額外增加鏡片，所以本文采用機(jī)電主動(dòng)式熱分析方式。為了準(zhǔn)確地分析出光機(jī)系統(tǒng)在使用溫度范圍內(nèi)的離焦量，采用光機(jī)集成方法分析得出后截距即像面位置移動(dòng)量。

表1 紅外變焦鏡頭設(shè)計(jì)參數(shù)與技術(shù)要求

圖1 短焦（f′=34.5mm）紅外光學(xué)系統(tǒng)圖

圖2 長(zhǎng)焦（f′=77.5mm）紅外光學(xué)系統(tǒng)圖

圖3 20℃長(zhǎng)/短焦組態(tài)紅外鏡頭MTF曲線

2.1 有限元模型建立

在有限元通用前處理Hypermesh軟件平臺(tái)對(duì)紅外變焦鏡頭的兩檔變焦組態(tài)建立有限元模型，手動(dòng)劃分167856個(gè)高質(zhì)量網(wǎng)格，網(wǎng)格群雅各比大于0.7的網(wǎng)格占比大于86%，同時(shí)等效耦合節(jié)點(diǎn)，針對(duì)螺紋連接以及螺栓連接等進(jìn)行節(jié)點(diǎn)耦合處理簡(jiǎn)化處理，光學(xué)玻璃周向上劃分平均厚度為0.2mm的硫化型硅橡膠層（room temperature vulcanized silicone rubber, RTV），有限元模型如圖4所示，鏡頭所選各材料參數(shù)如表2所示。

2.2 有限元分析結(jié)果

將有限元模型導(dǎo)入至Patran & Nastran軟件平臺(tái)下進(jìn)行熱變形仿真計(jì)算，設(shè)定20℃室溫為紅外變焦鏡頭的初始參考溫度，根據(jù)－40℃～50℃范圍內(nèi)成像清晰的技術(shù)要求，將兩個(gè)極限溫度（－40℃和50℃）作為溫度載荷施加在紅外變焦鏡頭光機(jī)系統(tǒng)整機(jī)。鏡頭外框與底座連接位置設(shè)為位移約束。經(jīng)計(jì)算，隨溫度變化過程中－40℃極低溫度下變焦鏡頭在兩檔焦距組態(tài)下的剛體位移形變量云圖如圖5所示。

圖4 紅外變焦鏡頭有限元模型

表2 紅外變焦鏡頭各材料參數(shù)表

圖5 －40℃工況下紅外變焦鏡頭熱變形位移云圖

2.3 光機(jī)集成分析

將上述熱變形分析后的紅外變焦鏡頭的各鏡片前后表面的剛體位移提取出來，并導(dǎo)入至Sigfit光機(jī)集成仿真平臺(tái)軟件基于37項(xiàng)Fringe Zernike多項(xiàng)式[11]，擬合出熱變形后的面型信息，包括形變后的鏡面偏移、旋轉(zhuǎn)。表3和表4分別為紅外變焦鏡頭在極限溫度（－40℃）下兩檔變焦組態(tài)下Sigfit生成的FIT結(jié)果文件中剛體位移、旋轉(zhuǎn)的變化量。

表3 紅外變焦鏡頭短焦組態(tài)（f′=34.5mm）－40℃溫度載荷下各鏡面剛體位移、旋轉(zhuǎn)變化量

表4 紅外變焦鏡頭長(zhǎng)焦組態(tài)（f′=77.5mm）－40℃溫度載荷各鏡面剛體位移、旋轉(zhuǎn)變化量

由表3和表4觀察可知，在－40℃溫度載荷下的紅外鏡頭兩檔焦距組態(tài)的各光學(xué)組元前后鏡面的旋轉(zhuǎn)量微乎其微，可以忽略不計(jì)，但是剛體位移量較大，說明溫度變化對(duì)空氣間隔以及鏡片厚度變化的影響較為嚴(yán)重。將Sigfit生成的FIT結(jié)果文件中的鏡片間距及厚度變化、鏡片面型變化的Zernike系數(shù)、鏡片材料折射率變化等參數(shù)分別導(dǎo)入到Zemax宏文件中，分析過程中發(fā)現(xiàn)由于紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)與焦深相對(duì)較小，焦平面偏離光學(xué)系統(tǒng)的高斯成像面，光機(jī)集成仿真分析結(jié)果表明，－40℃～50℃范圍內(nèi)，紅外光學(xué)系統(tǒng)焦距及離焦量的變化如表5和表6所示。

由表5可知焦距改變量在－0.16～0.4mm之間，其中短焦焦距改變量在－0.16～0.34mm之間，長(zhǎng)焦焦距改變量在－0.2～0.4mm之間。

由表6可知后截距即像面位置移動(dòng)量在－0.092～0.808mm之間，其中從無窮遠(yuǎn)到有限距離的調(diào)焦量為0.108～0.188mm，為補(bǔ)償熱變形帶來的焦面位移而帶來的離焦量為－0.092～0.808mm。經(jīng)過光機(jī)集成分析出的對(duì)應(yīng)的不同溫度下的離焦量作為主動(dòng)消熱差設(shè)計(jì)的離焦補(bǔ)償量，將這一對(duì)應(yīng)關(guān)系采用最小二乘法進(jìn)行擬合。例如經(jīng)過光機(jī)集成分析后的短焦組態(tài)對(duì)于物距為無窮遠(yuǎn)的離焦量為＋0.44～－0.215mm，其對(duì)應(yīng)的溫度為－40℃～50℃，建立二者的關(guān)系方程與對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線如圖6所示。在主動(dòng)消熱差設(shè)計(jì)中，根據(jù)擬合后多項(xiàng)式方程解算不同溫度、組態(tài)下的離焦量，該值則作為溫度補(bǔ)償電機(jī)驅(qū)動(dòng)消熱補(bǔ)償凸輪的軸向位移量，從而實(shí)現(xiàn)消熱溫度精確補(bǔ)償。

表5 不同溫度下的焦距值

表6 不同溫度下的離焦量

圖6 紅外變焦鏡頭短焦組態(tài)離焦量與溫度對(duì)應(yīng)曲線

2.4 主動(dòng)消熱光機(jī)設(shè)計(jì)

由表5和表6可以看出溫度由－40℃變到50℃時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)的焦距值和離焦量都會(huì)發(fā)生變化，且離焦量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過半焦深，采用常見的變焦調(diào)焦機(jī)構(gòu)（即采用一個(gè)凸輪實(shí)現(xiàn)變倍組和補(bǔ)償組的移動(dòng)）很難滿足成像質(zhì)量要求，因?yàn)橥煌馆唭H能保證變倍組和補(bǔ)償組唯一的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，但是從表5和表6可知，對(duì)于長(zhǎng)/短焦不同的組態(tài)、溫度以及物距，變倍量與補(bǔ)償量并非線性的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，需要各自具備驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。因此采用兩個(gè)凸輪以及兩套執(zhí)行機(jī)構(gòu)來分別控制變倍組和補(bǔ)償組的移動(dòng)。變焦完成后通過補(bǔ)償組的移動(dòng)來補(bǔ)償由于溫度的變化產(chǎn)生的離焦，實(shí)現(xiàn)成像質(zhì)量要求，主動(dòng)消熱調(diào)焦鏡頭光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果如圖7所示。

根據(jù)仿真分析得到溫度載荷下的離焦量進(jìn)行焦距補(bǔ)償，重新分析主動(dòng)消熱補(bǔ)償后的紅外變焦近鏡頭的物距在無限遠(yuǎn)及有限遠(yuǎn)處的MTF曲線，如圖8所示。

由圖8的MTF曲線圖可以看出，經(jīng)過主動(dòng)消熱差設(shè)計(jì)后鏡頭在－40℃變到50℃物距在無限遠(yuǎn)及有限遠(yuǎn)處的MTF值均在0.4以上，接近衍射極限，成像質(zhì)量良好，說明系統(tǒng)成像質(zhì)量能夠滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

最終對(duì)紅外變焦鏡頭進(jìn)行分辨率溫度可靠性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的原理示意圖如圖9所示，不同溫度工況下的多桿靶的圖像如圖10所示，由圖10觀察可見不同溫度工況下基于光機(jī)集成分析的主動(dòng)消熱差設(shè)計(jì)后的紅外鏡頭的多桿靶標(biāo)圖像基本清晰，空間分辨率均大于30lp/mm。

圖7 主動(dòng)消熱調(diào)焦鏡頭光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖8 主動(dòng)消熱設(shè)計(jì)后的光機(jī)集成分析結(jié)果

圖9 紅外鏡頭分辨率溫度可靠性實(shí)驗(yàn)原理圖

圖10 不同溫度工況下分辨率溫度可靠性實(shí)驗(yàn)多桿靶圖像

3 結(jié)論

本文基于火情監(jiān)察紅外變焦鏡頭在－40℃～50℃范圍內(nèi)成像清晰的技術(shù)要求，針對(duì)紅外變焦監(jiān)視鏡頭的F數(shù)與焦深相較于可見光變焦鏡頭相對(duì)較小、溫度變化極易導(dǎo)致紅外鏡頭離焦現(xiàn)象，利用光機(jī)集成分析技術(shù)分析紅外變焦鏡頭在溫度載荷下的離焦量，并采用主動(dòng)消熱補(bǔ)償結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決上述溫度變化導(dǎo)致成像不清晰的問題，為其他類似的工作在溫度環(huán)境變化的紅外光機(jī)鏡頭提供一種仿真方法及設(shè)計(jì)思路。

[1] 劉藍(lán), 謝明江, 高珊, 等. 基于無線傳感技術(shù)的秸稈焚燒火點(diǎn)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2020, 51(9): 89-96.

LIU Lan, XIE Mingjiang, GAO Shan, et al. Design and implementation of online monitoring system for straw burning places based on wireless sensor technology[J]., 2020, 51(9): 89-96.

[2] 郭小虎, 趙辰霄, 周平, 等. 變焦光學(xué)系統(tǒng)的景/焦深延拓及其分析[J]. 光學(xué)技術(shù), 2019, 45(3): 263-268.

GUO Xiaohu, ZHAO Chenxiao, ZHOU Ping, et al. Application and analysis of the extension of depth of field and focus in zoom system[J]., 2019, 45(3): 263-268.

[3] 范哲源, 高立民, 張志,等. 中波紅外三視場(chǎng)變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 紅外與激光工程, 2014, 43(2): 523-527.

FANG Zheyuan, GAO Limin, ZHANG Zhi, et al. Design of three-field middle-wave infrared zoom system[J]., 2014, 43(2): 523-527.

[4] 杜偉峰, 劉永志, 高文杰, 等. 空基跟蹤平臺(tái)變焦鏡頭光機(jī)熱集成分析[J]. 激光與紅外, 2020, 50(5): 615-622.

DU Weifeng, LIU Yongzhi, GAO Wenjie, et al. Thermal structure optical integrated analysis of zoom lens for airborne tracking platform[J]., 2020, 50(5): 615-622.

[5] 王雷, 楊照金, 黎高平, 等. 紅外光學(xué)材料折射率溫度系數(shù)測(cè)量裝置[J]. 應(yīng)用光學(xué), 2005, 26(3): 54-54.

WANG Lei, YANG Zhaojin, LI Gaoping, et al. An equipment for Measuring the Temperature Coefficient of Refractive Index of Infrared Materials[J]., 2005, 26(3): 54-54.

[6] 張林. 紅外望遠(yuǎn)鏡溫度自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)研究[D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2004: 12-16.

ZHANG Lin. Research on Automatic Temperature Compensation Technology for Infrared Telescope[D]. Nangjing: Nangjing University of Science And Technology, 2004: 12-16.

[7] 王學(xué)新, 焦明印. 光學(xué)被動(dòng)式和機(jī)電式組合消熱差方法的研究[J]. 應(yīng)用光學(xué), 2010, 31(3): 354-359.

WANG Xuexin, JIAO Mingyin. Combination of optical passive and mechanical-electrical athermalisation[J]., 2010, 31(3): 354-359.

[8] 劉光. 基于光機(jī)熱集成的空間相機(jī)主動(dòng)熱光學(xué)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 長(zhǎng)春: 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所), 2019: 11-15.

LIU Guang. Research on key technologies of active thermal optics for space camera based on optical-mechanical-thermal integration[D]. Changchun: University of the Chinese Academy of Sciences, 2019:11-15.

[9] 楊瑞宇, 樊佩琦, 吳誠(chéng), 等. 一種具有溫度補(bǔ)償?shù)募t外熱像儀自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)及方法[P]. CN109068073A. 2018.

YANG Ruiyu, FAN Peiqi, WU Cheng, et al. The invention relates to an automatic focusing system and method for infrared thermal imager with temperature compensation[P]. CN109068073A. 2018.

[10] 朱峰, 張宇, 陳驥, 等. 消熱差紅外鏡頭熱光學(xué)特性分析[J]. 激光與紅外, 2017, 47(10): 1299-1304.

ZHU Feng, ZHANG Yu, CHEN Ji, et al. Analysis of thermal optical properties for athermal infrared lens[J]., 2017, 47(10): 1299-1304.

[11] 米振洲. 非制冷型紅外雙波段連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 西安: 西安工業(yè)大學(xué), 2014: 21-23.

MI Zhenzhou. Design of uncooled infrared dual-band continuous zoom optical system[D]. Xi'an: Xi'anTechnologicalUniversity, 2014: 21-23.

Active Athermalization Design of Infrared Zoom Lens for Fire Monitoring Based on Opto-mechanical Integration Analysis

YIN Jing，LIU Xu，XU Xiaoying，CUI Yanqun，WANG Qiang，GUO Fucheng

(Changchun College of Electronic Technology, Changchun 130114, China)

The F-number and focal depth of infrared monitoring zoom lens are relatively small; therefore, the temperature change can easily cause defocusing, resulting in the deterioration of imaging quality. This article is aimed at the technical requirements for the clear imaging of the fire monitoring infrared zoom lens in the range of －40℃ to 50℃. The finite element method is used to analyze the rigid body displacement and rotation of the front and rear mirrors of each lens under temperature changes and import the rigid body displacement into the Sigit optical-mechanical integrated analysis software to simulate the defocus of the lens under temperature change conditions. The analysis result shows that the focal length variable is between -0.16 to 0.4mm and the focusing amount is 0.108 to 0.188. In response to the above situation, two cams and two sets of actuators are used to control the movement of the zoom group and the compensation group respectively, for realizing the active athermalization design of the lens to ensure that the imaging is still clear under the condition of temperature change. Finally, the temperature adaptability of the lens optical resolution is evaluated through a temperature reliability experiment. The experimental results show that the spatial resolution is greater than 30lp/mm during temperature change. The image quality is basically clear during zooming process.

burning monitoring, opto-mechanical integration analysis, infrared zoom lens, initiative athermatlization design

O439

A

1001-8891(2021)11-1073-08

2021-05-14；

2021-06-15.

尹晶（1983-），女，副教授，研究方向?yàn)楣怆姍z測(cè)技術(shù)及儀器。E-mail: 621232@qq.com。

劉旭（1982-），男，副教授，研究方向?yàn)殡姎饪刂蒲芯俊-mail: 65493440@qq.com。