红外变焦系统结构设计

高子英，刘智颖

（长春理工大学　光电工程学院，长春　130022）

红外变焦系统结构设计

高子英，刘智颖

（长春理工大学光电工程学院，长春130022）

为了模拟目标成像大小的变化过程，设计了一款17x的红外变焦系统，为保证系统在变焦过程中像面的稳定性，应用动态光学知识在Matlab中建立数学模型，得到变焦拟合曲线。重点针对变焦系统的结构进行了设计与分析，由物理制约条件出发分析了凸轮直径、工作转角及螺旋升角间的关系。实验表明，基于动态光学设计的凸轮曲线可以保证系统在变焦过程中像面稳定，成像质量良好。

红外变焦；结构设计；变焦拟合曲线；凸轮

光学仪器通过不同的放大倍率来改变视场大小，从而达到详细观察的目的。在连续变焦概念出现以前，由于一个具有固定焦距的光学系统只能对一定的物平面成理想的像，人们往往是通过更换不同焦距的镜头实现变倍，从而改变视场来进行观察，然而这种方式不具备连续性，会导致景象的瞬间突变，而设计焦距能连续改变的光学系统可以克服这个缺点。变焦镜头［1-3］并不依靠更换镜头实现变焦，譬如相机变焦镜头是通过推拉或者旋转镜头的变焦环来实现的。在镜头变焦范围内的任何焦距都可以用来摄影，这更能实现构图的多样化。目前，在变焦系统设计中通常采用的补偿法有两种：光学补偿法和机械补偿法，其中机械补偿法结构上通常采用变焦凸轮作为动力传动机构［4］。

1958年，祖玛公司的弗兰克·巴克博士设计了世界上第一个照相机用变焦镜头Voigtlander Zoomer，它是当时最新式的光学补偿镜头，存在体积大和笨重的缺陷。1963年，尼康公司机械式补偿变焦镜头Zoom Nikkor，是第一个真正具有大众化意义的相机机械补偿变焦镜头。这个革新意义重大，它使变焦镜头能被设计得更加小巧轻盈，具有更佳的焦点补偿效果。影像质量和定焦镜头相比，已经非常接近。目前，变焦镜头已经应用于军事领域和民用领域，基于在拍照时不需要更换镜头以及体积和重量上的小巧轻盈带来的便捷，在民用领域，机械变焦变焦镜头的应用更为广泛。

本文研究了关于红外变焦系统的结构设计，考虑变焦过程中像面的稳定性，应用动态光学知识对变焦凸轮曲线进行了拟合，根据具体结构设计方案做出的样机，经实验验证变焦过程顺畅，像面稳定，成像质量良好满足使用要求。

图1　短焦位置光路图

图2　中焦位置光路图

图3　长焦位置光路图

图4　短焦时点列图

图5　中焦时点列图

图6　长焦时点列图

图7　短焦时传函曲线

图8　中焦时传函曲线

图9　长焦时的传函曲线

1　变焦光学系统的设计

依据变焦原理，并深入分析红外变焦光学系统［5-7］，对本实验指定的光学系统应用Zemxa软件进行优化分析，得到不同焦距的光路图以及点列图和传函曲线。

变焦系统的变焦范围为9.6～163.2mm，变倍比为17倍，图1、图2、图3分别为变焦系统长、短、中焦情况下光路图。

考虑到系统能量透过率要求高，尽量降低变焦系统的镜片数。通过对光学材料的合理选择及光焦度的合理分配情况下，该变焦系统由五片透镜构成，变焦系统光学总长为327mm。

光学系统在短焦，中焦，长焦各个位置下点列图如图4、图5、图6所示。传函曲线如图7、图8、图9所示。

系统在变焦过程中点列图均较圆整，弥散斑均方根半径均接近于30μm，与红外探测像元相当。变焦过程中传函曲线较为圆滑，并且均接近衍射极限，表明变焦系统变焦过程中像面稳定并且成像质量优良。

2　变焦光学系统的结构

2.1变焦系统的结构设计

由于变焦系统中的变倍组与补偿组属于运动部件，在设计过程中需考虑变倍组与补偿组的偏心量控制，所以移动组元需保证运动过程中倾斜量尽可能的小。其结构类似，均做成圆盘状，边缘材质采用铜以减小摩擦，且边缘各开有两个小孔用于镶入导钉以用于和固定筒、凸轮筒的配合。变倍组和补偿组的结构分别如图10、图11所示。

图10　变倍组结构图

图11　补偿组结构图

前固定组的固定筒做成圆柱形，注意要满足圆柱度要求，否则工作时易出现卡死现象。与凸轮筒配合时要满足精度要求，否则会出现光轴漂的现象，容易卡死。筒内径大小依光学镜片的大小而定。前后固定组的镜片都采用压圈固定。前后固定组的结构分别如图12、图13所示。

图12　前固定组结构

图13　后固定组结构

结构选材时，应按照光学设计过程中温度分析对应的材料进行选择，并且保证在凸轮曲线盘布后的刚度与强度，所以镜筒选用硬铝。为了抑制杂散光，镜筒内壁需做特殊染黑处理。变焦光学系统结构设计图如图14所示。

图14　整体结构图（半剖视图）

2.2变焦系统的凸轮结构设计

变焦系统的结构设计，主要需要考虑如何将凸轮曲线［8-12］合理盘布于镜筒上，并且保证镜筒口径的合理性，使得凸轮曲线行程较长时可以具有足够的盘布空间。

根据动态光学原理，在Matlab中编写程序进行建模，可以得到补偿组与变倍组的关系曲线，如图15所示。

图15　拟合变焦曲线

通过得到拟合的变焦曲线，可知变倍组运动路径为一条倾斜直线，当变倍组依附凸轮运动时，这条直线便形成了螺旋线。由此，可以得到凸轮直径D、工作转角Φ以及能够满足变焦过程的螺旋升角α的关系式：

式中H为已知的光学导程（H=178.46mm）。

考虑到变倍组在凸轮上的运动情况，必须选取一个合适的螺旋升角α。这关系到变倍组能否依附凸轮上的螺旋槽做平稳顺畅的运动，抑或出现迟滞或者卡死的现象，因此需要考虑螺旋升角α的合理取值。当α较小时，虽然转动力矩减小，能够实现小功率控制而达到稳定变焦，但通过上式可知，光学导程H和工作转角Φ一定时，过小的螺旋升角会导致凸轮直径过大，而且导致变焦过程变慢，显然不合理；另外，如果螺旋升角过大，则违反了机械力学中要求其小于45°的原理，从而出现迟滞或者卡死现象。此外，工作转角Φ的取值不绝对，合理就好，结合实际，考虑到对凸轮的刚度要求，显然要小于180°。

根据上述讨论，取Φ=8π/9，又已知光学导程H=178.46mm，那么根据公式显然能够得到凸轮直径D和螺旋升角α的关系式，再结合实际玻璃镜片的尺寸对凸轮直径D的制约，利用公式计算即可得到合理的取值为D=169mm，α=37.1°。

为了保证变焦顺畅，通常使用三组曲线槽来传动动力，但根据本设计的变焦曲线来分析，由于变倍组行程较长，补偿组基本平滑，如果用三组曲线槽，变倍组螺旋升角太大，所以最终设计取两组曲线槽。变倍组与补偿组曲线槽在回转方向相差90°。凸轮一端设计有齿轮，与驱动电机齿轮连接，驱动凸轮筒旋转。凸轮筒结构图如图16所示。

图16　凸轮筒结构图

3　实验结果

设计后系统加工实物如图17所示。

图17　变焦结构实物图

应用Optikos公司传函仪提供被测目标，经由该变焦系统成像，对其成像结果与变焦倍率进行了测试，图18与图19分别给出了对应长焦与短焦成像的最大光斑和最小光斑，测试结果表明系统变焦过程中像面稳定，成像质量良好。

图18　最大成像光斑

图19　最小成像光斑

4　结论

本文对一款17x的红外变焦系统做了结构设计及分析，并通过应用动态光学知识在Matlab中建立数学模型，得到变焦拟合曲线以及结合凸轮直径、工作转角及螺旋升角间的关系，最终设计出有两组曲线槽、凸轮直径为D=169mm、螺旋升角为α=37.1°的凸轮结构。考虑到减小偏心量、摩擦力以达到更好配合、避免卡死等目的，变倍组与补偿组均做成以铜为材质的圆盘状结构，固定筒做成以硬铝为材质的圆柱状结构，并在内壁做染黑处理来抑制杂散光。在最后的实验测试中，本系统在变焦过程中像面稳定，成像质量良好。

［1］ 李永刚，张葆，丁金伟.红外连续镜头的结构设计［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2009，32（1）：61-63.

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［3］ 秦志鹏，车新宇，肖颖.大相对孔径红外变焦距光学系统设计［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2013，36 （5）：27-44.

［4］ 石永刚，吴央芳.凸轮机构设计与应用创新［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［5］ 王志坚，王鹏，刘智颖.光学工程原理［M］.北京，国防工业出版社，2010：170-171.

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［7］ 陶纯堪.变焦距光学系统设计［M］.北京：国防工业出版社，1998.

［8］ 唐剑兵.变焦凸轮曲线的优化设计［J］.光学技术，1994，20（1）：20-45.

［9］ 石彰，杨春红.连续变焦光机系统凸轮轮廓设计［J］.激光与红外，2010，40（9）：1006-1009.

［10］ 孟军和，张振，孙兴文.变焦距镜头的凸轮优化设计［J］.红外与激光工程，2002，31（1）：51-54.

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［12］ 高天元，侯振岩.变焦曲线拟合方法的比较和研究［J］.光子学报，2013，42（1）：95-96.

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，硕士研究生，E-mail：695046404@qq.com

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