空间TOF相机大视场光学镜头结构优化设计

张明奇

（江西联昊光电有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

TOF 相机能够深度获取所需信息，和其他的深度测量相机相比，TOF 相机具有质量轻、体积小、不敏感等优势。然而，随着科学技术的不断发展，对TOF 相机镜头的结构设计也有了更高的要求。因此该文将对探讨的TOF 相机进行光学镜头的优化设计，为后续该领域的试验与研究提供数据参考。

1 TOF 相机工作原理

TOF 相机是一种基于时间飞行原理的新型成像设备[1]，其工作原理是由光源向目标点发射出一种光脉冲信号，到达目标点表面后再经过一系列的反射至系统内，再经过系统测算出光信号在目标点与探测器之间的飞行时间，进而得出TOF 相机与目标点之间的距离。TOF 相机测距原理示意图如图1 所示。

图1 TOF 相机测距原理示意图

2 大视场光学镜头优化方案

2.1 镜头设计指标

该文所研究的空间TOF 相机大视场光学镜头光学系统设计指标见表1。

表1 镜头设计参数

2.2 镜头系统设计

根据TOF 相机的镜头测量标准及应用需求，该项目所采用的镜头类型为远心镜头，能够有效提升测量高度。作用原理是在特定的物距下，远心镜头能够控制目标点的图像放大倍率，这对被测物体不在同一物面上来说是一种有效的应用手段。此外，将远心镜头与小像素的图像传感器进行结合能够生成高分辨率的图像[2]。

2.2.1 镜头光学系统分析

针对选定的光学系统与结构形式进行详细的光学系统分析，通过大视场光学镜头（中心波长）在物距20m 处的MTF 曲线、点列图以及畸变光学系统分析结果。可以根据大视场光学镜头下的物距图像曲线得出，在有效视场角的范围内，并在25lp/mm 处传递函数值均大于0.8。因此可以得出该系统能够达到理想的成像质量。最后根据畸变分析数据可以判定出，当畸变控制在2.5%以内，再根据光学系统在其他物距范围（2m～20m）内的成像质量进行合理化分析，验证出该光学系统具有可行性。

2.2.2 镜头像质分析

在光学镜头的设计阶段需要对镜头进行像质分析，分析出的结果能够判断该镜头的参数指标是否与设计指标相符，如果符合则表示该镜头的成像效果较好。就目前情况来看，镜头像质分析的参数标准有很多种，最常见的分析方法是有调制传递函数。其中，调制传递函数值越大，表明镜头的像素差越低。因此，理想化的调制传递函数值是一条直线。镜头在有效视场角范围内，不同物距的调制传递函数均大于0.6，由此表明大视场镜头的镜头设计符合实际需求。点阵图是重要的参考图形，经过光学镜头的作用后会存在一定的像素差。这是因为光源到达像面后不会形成一个聚点，而是在成像处形成弥散形的斑点图案。根据实际情况可以得出，大视场下的光学镜头在物距3.5m 处的弥散直径符合实际标准要求，并且小于实际探测的像元尺寸标准。与此同时，畸变也是光学镜头的重要因素。畸变是因镜头系统内的主光线出现异常而导致的成像效果差。通过变化的曲线图可以得出，大视场下的光学镜头系统的畸变平均变化水平保持在2.6%左右，因此符合该项目的实际应用要求。

2.3 TOF 相机镜头结构设计

2.3.1 镜筒结构材料

TOF 相机的镜筒结构占整机比例的绝大部分，所以需要对镜筒的结构进行轻量化处理，才能达到TOF 相机整机质量轻、体积小的目的。目前的优化方式主要是从镜筒的结构优化设计与机械结构选材两方面进行轻量化[3]。当前国内外空间相机的常用结构材料主要有铸钛合金、玻璃钢（GFRP）和铝合金（7A09）等。其具体材料性能参数见表2。无论国内还是国外，光学镜头均采用的是铸合金、复合碳纤维、铝合金等材料。此外，进行TOF 相机光学镜头的设计时，为了能够满足相应的设计指标，要求镜头的结构性能与材料性能能够符合实际需求。这就要求镜头结构材料，包括镜座与镜筒等性能与透镜的材料性能相适应，由于相机的工作温度在-10℃～55℃，为保证相机的成像质量，就需要镜头结构材料具有较高的热稳定性。热膨胀系数、热导率与比热容是常用的衡量材料热性能的3 个物理量，选材要求是高导热、低线胀与低比热容。除要求TOF 相机的镜头结构材料有良好的热稳定性之外，还需要结构材料能够适应动力学环境下的载荷变化，衡量力学标准一般采用的参数是比刚度。其中的比刚度比值是指材料的弹性性能与材料的密度之比，具有高弹性能力和低密度的材料便是理想的结构材料。

表2 镜筒结构材料参数

因此，综合各个方面的因素来说，铸钛合金ZTC4 的热稳定性符合设计标准，该项目选择ZTC4 作为镜头光学设计的最佳方案。

2.3.2 TOF 相机整机结构优化

2.3.2.1 镜头结构设计

图2 大视场镜筒模型图

在TOF 相机中，镜头的作用是确保透镜镜片的中心面能够与光轴有效重合[4]，进而能够使透镜的间隔参数符合实际应用标准。要做到这些，就需要对镜头的所有结构进行优化调整。此外，还要对镜头的结构进行消热设计。该项目采用的是钛合金材料，根据上述试验与分析可以得出，TOF 相机光学镜头的工作温度一般在-10℃～50℃。因此将成像面的最大值设为0.3μm，调制传递函数值控制在5%之内[5]，能够确保经过消热设计后的该项目TOF 相机光学镜头有好的成像效果。由于镜片的作用效果良好，因此能够保证镜头结构具有良好的稳定性。

2.3.2.2 光源器组件设计

该项目的空间TOF 相机采用的光源是VCSEL 激光器组件。VCSEL 与传统的光源相比存在一定差异。由于其具有特殊的优势，因此更符合TOF 相机的光学镜头设计。此外，在光源的照射方面，与传统光源相比，VCSEL 的照射所生成的图像质量效果更好。由此可见，VCSEL 具有高效的发光效率[6]，并且照射的距离也符合实际应用需求，能够生成高质量的图像，所以VCSEL 作为TOF 相机的光源组件是非常合适的。

激光器组件主要结构有透镜、隔圈、铜隔板、连接板、加热器等。其中连接板与铜隔板相连，主要作用是给激光器散热，而透镜与压圈相连，主要作用是改变VCSEL 照射的激光角度大小。

2.4 光学镜头组件结构优化

镜筒作为TOF 相机镜头结构中的重要部件，其结构稳定性能够直接影响镜头的光学性能。因此，为了使TOF 相机的光学镜头结构能够符合实际设计标准，需要对镜筒的相关结构及设计进行优化。

2.4.1 优化参数模型

TOF 相机光学镜头中的镜筒属于主体结构，能够对镜头的各个零部件起到相应的支撑和保护作用，并且对整个TOF相机光学镜头的结构有直接影响。此外，还需要对光学镜头结构进行消热设计。该文选择钛合金作为各透镜之间的机械间隔隔圈材料，根据相关分析可得，在-10℃～50℃工作温度范围内的成像质量较好。因此，该项目将光学镜头的镜筒壁厚作为相关变量，以此来进行镜筒轻量的对比试验，进而对镜筒的结构进行优化，选取最佳的镜筒参数应用于实际项目中。

通过有限元软件的相关功能对镜筒壁的特定节点进行固定[7]，通过调整固定的节点模拟镜筒壁的变化厚度。通过人工搭建的镜筒壁网格模型，并根据相关的设计空间及实践经验提升镜筒壁性能的变形，进而选取出最佳的镜筒壁位置。

2.4.2 优化参数结果

对镜筒的结构进行优化后，再经过迭代计算能够得出最适合的变量尺寸。试验表明，大视场下的光学镜头以及镜筒经过17 次迭代后能够完全收敛。经过优化后的大视场下的镜筒质量有了明显的变化，从初始质量的75g 下降至52g 左右，整体减重约33%，质量有了明显的减轻，也达到了预期的目标。考虑镜筒结构的工艺要求，还需要对减轻后的镜筒进行大小和尺寸方面的调整。

3 空间TOF 相机整机优化设计

对TOF 相机整机进行仿真分析[8]能够更直观地展示出该项目试验的成果。采用三维设计软件UG 对TOF 相机的整体结构进行模拟，将整机的三维模型导入至建模软件中搭建模型图，再将TOF 相机的整机与卫星系统连接，模拟TOF相机镜头的全过程运行状态。TOF 相机的有限元模型如图3所示。

图3 有限元模型图

3.1 过载适应性分析

将TOF 相机装置在实际设备上模拟过载试验，整个试验过程中，TOF 相机会受到来自3 个载荷方向上的力（X、Y、Z），这种力是TOF 相机在设备运行过程中产生的一种类似于稳定的加速度。因此，该试验的目的是要求TOF 相机在此力学环境下，整机及零部件不会有任何变形或破损，并且原有的光学性能也要保持不变。过载适应性结果分析见表3。

表3 过载适应性结果分析

根据表3 可知，TOF 相机受到X、Y、Z这3 个不同方向上的力时，发生最大应力变化的是在Y方向，并且最大的应力值7.18MPa 也是在Y方向，符合设计材料的应力标准。所以TOF 相机在Y方向的载荷作用下是不会发生屈服变形的。虽然Y方向的最大形变量为35μm，但这个变形量相对较小，并且经过一系列测试之后，结果表明最大形变值35 不足以影响相机成像效果。

3.2 温度适应性分析

TOF 相机在空间环境下工作时，相机的工作温度会受空间环境温度及自身电子器件工作时产生的热量的影响而发生变化，所以需要在温变载荷作用下来考察相机的热应力与热应变。该文在-10℃～55℃温度载荷工况下进行温度适应性分析。其中，当温度处于55℃时，TOF 相机的最大应力为120MPa，最大变形为177μm，该应力产生的环境位于镜罩与电箱接口处，二者均采用铝合金材料，并且该应力小于铝合金本身的屈服程度，所以结构不会发生屈服变形。

3.3 模态分析

模态分析的目的是测量TOF 相机整体结构的动态刚度[9]。通过模态分析法能够有效获取空间TOF相机的初始频率、固定频率以及振幅大小，以避免共振现象的出现。对TOF 相机的整机进行模态分析可以得出如图4 所示的振动模型。

图4 振动云图模型

从图4 可以看出，当温度处于55℃载荷作用时，相机的最大应力为120MPa，最大变形为177μ。该应力发生在镜罩与电箱的接口处，属于应力集中现象，同时镜罩与电箱均采用铝合金材料，该应力小于铝合金的屈服极限，所以结构不会发生屈服变形。

3.4 频率分析

通过频率响应试验能够分析出TOF 相机整体结构的动力响应结果。由于TOF 空间相机在运载阶段会受到力学环境的影响，因此通过频率响应分析能够得到TOF 相机整机结构组件在不同频率下的振动情况以及应力表现，并且还需要分析TOF 相机整机结构是否能够避免在力学环境下出现共振现象。

4 镜头最终优化效果

通过上述试验分析与优化，该项目成功加工出了TOF 环境下的镜筒，并且根据该项目的实际要求，最终将TOF 相机镜头实物装配完成，如图5 所示。

图5 空间TOF 相机光学镜头实物

5 结语

综上所述，该文通过对TOF 相机的大视场光学镜头进行相关结构优化与分析试验，并对TOF 相机进行成像性能分析和有限元分析，提出了相关的镜筒结构优化措施，最后对TOF 相机的整机结构进行过载分析、模态分析等，得出该项目的TOF 相机结构能够满足实际的应用标准。此外，该文经过一系列的试验与分析，成功装配出一枚TOF 相机大视场下的光学镜头实物，并且对实物镜头进行检测，结果表明该镜头的各项指标均符合实际应用标准。

随着科技的不断发展与进步，相信TOF 相机的测量领域在未来将得到进一步发展，为我国空间探测事业做出新的贡献。