李零印，王一凡，王 驥

（1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春130033；2.中國科學(xué)院研究生院，北京100039；3.長春奧普光電技術(shù)股份有限公司，吉林長春130031）

靶場(chǎng)光學(xué)測(cè)量中的變焦距光學(xué)系統(tǒng)

李零印1，2，王一凡1，王 驥3

（1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春130033；2.中國科學(xué)院研究生院，北京100039；3.長春奧普光電技術(shù)股份有限公司，吉林長春130031）

變焦距光學(xué)系統(tǒng)通過調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)，改變光學(xué)系統(tǒng)的焦距來保證光學(xué)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)成像的需求。本文從變焦距光學(xué)系統(tǒng)的基本原理出發(fā)，簡(jiǎn)單描述了光學(xué)補(bǔ)償與機(jī)械補(bǔ)償變焦光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，闡述了常見變焦距光學(xué)系統(tǒng)的類型與結(jié)構(gòu)。指出了傳統(tǒng)變焦距光學(xué)系統(tǒng)存在的問題，結(jié)合DSP和步進(jìn)電機(jī)在變焦距光學(xué)系統(tǒng)中的最新應(yīng)用，概述了靶場(chǎng)光測(cè)設(shè)備的變焦距光學(xué)系統(tǒng)的最新動(dòng)態(tài)，分析了電機(jī)直傳技術(shù)在靶場(chǎng)光測(cè)設(shè)備應(yīng)用的可行性，意在為新一代數(shù)字變焦光學(xué)系統(tǒng)提供理論參考。

變焦距光學(xué)系統(tǒng)；靶場(chǎng)；DSP；步進(jìn)電機(jī)

1 引 言

靶場(chǎng)光測(cè)設(shè)備主要用于彈道和航天設(shè)備運(yùn)行軌跡的實(shí)時(shí)跟蹤與測(cè)量，記錄其有效的圖像及跟蹤數(shù)據(jù)。隨著我國國防與航天技術(shù)的飛速發(fā)展，靶場(chǎng)光測(cè)設(shè)備的發(fā)展［1］也在穩(wěn)步地向前邁進(jìn)。靶場(chǎng)光測(cè)設(shè)備是以光學(xué)成像理論為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用了光學(xué)、精密機(jī)械、控制理論、圖像處理等技術(shù)的現(xiàn)代化測(cè)量設(shè)備。靶場(chǎng)光學(xué)測(cè)量對(duì)象多為動(dòng)態(tài)目標(biāo)［2］，其運(yùn)動(dòng)速度快、運(yùn)動(dòng)距離也較長、成像設(shè)備的調(diào)焦系統(tǒng)很難全程捕獲其清晰的圖像。另外，設(shè)備工作環(huán)境的改變（溫度、壓力）對(duì)光學(xué)成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量也有影響，極易造成像點(diǎn)離散，從而降低目標(biāo)和背景的對(duì)比度，影響設(shè)備作用距離，使靶場(chǎng)光測(cè)設(shè)備無法發(fā)揮其效能。為了快速得到穩(wěn)定、清晰的成像數(shù)據(jù)［3］，使靶場(chǎng)光測(cè)設(shè)備發(fā)揮其優(yōu)良性能，光學(xué)系統(tǒng)焦距必須實(shí)時(shí)調(diào)整。目前，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者都在致力于設(shè)計(jì)與研究體積小、控制靈活、精度高的變焦距光學(xué)系統(tǒng)［4］。

本文介紹了變距光學(xué)系統(tǒng)的變焦光學(xué)，分析了光學(xué)補(bǔ)償與機(jī)械補(bǔ)償式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，討論了手動(dòng)調(diào)焦，干涉自動(dòng)調(diào)焦，智能化聚焦適用的精度和場(chǎng)合，最后，對(duì)傳統(tǒng)的螺紋傳動(dòng)、渦輪渦桿傳動(dòng)以及凸輪傳動(dòng)進(jìn)行分析，構(gòu)思了新型變焦距光學(xué)系統(tǒng)變焦形式。

2 變焦距光學(xué)系統(tǒng)的變焦原理

變焦距光學(xué)系統(tǒng)的基本原理是利用系光學(xué)統(tǒng)中兩個(gè)或兩個(gè)以上的透鏡組的移動(dòng)，改變系統(tǒng)的組合焦距，同時(shí)保持像面不變，使系統(tǒng)在變焦過程中獲得連續(xù)清晰的像。

變焦光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由前組物鏡、變倍組、補(bǔ)償組、調(diào)光組、后固定組和CCD成像器件組成。變倍組與補(bǔ)償組通過調(diào)焦機(jī)構(gòu)控制進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，以保證像面位置不變，從而保證CCD能夠接收清晰圖像［5］。

由光學(xué)成像理論可知：

圖1 變焦光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Frame of varifocal optical system

可化簡(jiǎn)為：其中：

由高斯光學(xué)成像公式得：

式中，f1′，f2′，f3′分別為前固定組、變倍組、補(bǔ)償組的焦距；β1，β2，β3分別為初始位置前固定組、變倍組、補(bǔ)償組的垂軸放大率；分別為調(diào)整后光學(xué)系統(tǒng)變倍組與補(bǔ)償組的垂軸放大率；dS12為短焦時(shí)前固定組與變倍組之間的距離；dS23為短焦時(shí)變倍組與補(bǔ)償組之間的距離。

通過確定光學(xué)系統(tǒng)各個(gè)常數(shù)，可解出變倍組與補(bǔ)償組各自的運(yùn)動(dòng)曲線，從而指導(dǎo)變焦系統(tǒng)的機(jī)械與控制單元設(shè)計(jì)。

3 變焦距光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

變焦光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)是個(gè)比較復(fù)雜的設(shè)計(jì)過程，本文主要對(duì)光學(xué)補(bǔ)償式和機(jī)械補(bǔ)償式變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

3.1 光學(xué)補(bǔ)償

光學(xué)補(bǔ)償調(diào)焦系統(tǒng)出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代，其原理［9］如圖2所示，前后鏡頭組固定，“聯(lián)動(dòng)鏡頭組Ⅰ與Ⅲ”同時(shí)做線性補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，“中固定組Ⅱ”保持位置不變，從而改變焦距和完成焦點(diǎn)補(bǔ)償。現(xiàn)代變焦鏡頭的光學(xué)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一個(gè)典型的變焦鏡頭，一般都是由15片以上（分為若干組）透鏡組成。這樣復(fù)雜的鏡頭組，在組裝上比簡(jiǎn)單鏡頭產(chǎn)生差錯(cuò)的可能性要大得多。同時(shí)變焦鏡頭內(nèi)部存在著為數(shù)甚多的空氣間隙和鏡片接觸面，因而非常容易產(chǎn)生料想不到的光暈，但這種弊病隨著50年代光學(xué)鍍膜技術(shù)的發(fā)展而有所改善。

圖2 光學(xué)補(bǔ)償原理Fig.2 Principle of optical compensation

3.2 機(jī)械補(bǔ)償

機(jī)械補(bǔ)償調(diào)焦系統(tǒng)，由德國光學(xué)家赫爾穆特于1932年首次提出，但由于當(dāng)時(shí)機(jī)械加工水平的限制而發(fā)展緩慢。60年代后期，伴隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械補(bǔ)償逐步登上變焦距調(diào)焦舞臺(tái)，機(jī)械補(bǔ)償系統(tǒng)如圖3所示?！扒肮潭ńMⅠ”和“后固定組Ⅳ”位置保持不變，由調(diào)焦機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)“變倍組Ⅱ”做線性移動(dòng)，“補(bǔ)償組Ⅲ”做相對(duì)少量的非線性運(yùn)動(dòng)，“變倍組”與“補(bǔ)償組”的相互運(yùn)動(dòng)完成變焦，而成像平面不改變位置。與光學(xué)補(bǔ)償相比，變倍補(bǔ)償適用于大孔徑、長焦距變焦距光學(xué)系統(tǒng)［7，8］。

入口引入空間的設(shè)計(jì)采用的是先抑后揚(yáng)的手法，不僅增加了院落空間的層次，還符合現(xiàn)代居住景觀的功能要求，即居住私密性的要求。

圖3 機(jī)械補(bǔ)償原理Fig.3 Principle of mechanical compensation

變焦距光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在理論上可以保證像面穩(wěn)定，但是在靶場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用過程中，由于變焦距軌跡的實(shí)現(xiàn)靠機(jī)械與控制部分來完成，而機(jī)械和控制部分不可避免地存在誤差，同時(shí)，由于外部環(huán)境的（例如溫度，濕度）變化也會(huì)造成光學(xué)系統(tǒng)焦距的變化。根據(jù)實(shí)際靶場(chǎng)光測(cè)設(shè)備光學(xué)系統(tǒng)的不同形式［9］（折射式、反射式和折反式）可以采取3種調(diào)焦方法：焦面調(diào)焦、透鏡調(diào)焦和反射鏡調(diào)焦［10］。焦面調(diào)焦，成像面與接收面不重和，因此調(diào)整接收平面的位置，使之與成像面重合，但在靶場(chǎng)光測(cè)設(shè)備中，由于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度和結(jié)構(gòu)尺寸的限制增加了焦面調(diào)焦的難度，所以焦面調(diào)焦主要用于簡(jiǎn)單的光學(xué)成像系統(tǒng)；透鏡調(diào)焦，就是在含有透鏡的光學(xué)系統(tǒng)通過調(diào)整透鏡的位置來改變透鏡間的距離，調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)在參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)焦；反射鏡調(diào)焦，適用于反射式系統(tǒng)中。結(jié)合上述3種調(diào)焦機(jī)構(gòu)與靶場(chǎng)光測(cè)設(shè)備的使用現(xiàn)狀，透鏡調(diào)焦［11］用途最廣。

4 變焦距光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)焦形式

由于靶場(chǎng)光學(xué)設(shè)備種類繁多，在變焦距系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域中涉及的調(diào)焦方式與需要的調(diào)焦精度相關(guān)，因此在靶場(chǎng)光測(cè)設(shè)備中產(chǎn)生了基于變焦距基本理論的各種調(diào)焦系統(tǒng)［12］。

4.1 手動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)

手動(dòng)調(diào)焦是指采用人工補(bǔ)償方式調(diào)整成像面與接受面之間的距離（屬于焦面調(diào)焦的一種），使二者距離盡量重合或者使二者差距在允許控制范圍內(nèi)。這種調(diào)焦方式調(diào)焦精度低，且調(diào)焦精度受操作人員影響，用于精度等級(jí)不高的靶場(chǎng)變焦距光學(xué)系統(tǒng)，如在單桿瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中。

4.2 激光干涉自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)

自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了數(shù)字圖像處理時(shí)代，運(yùn)用計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)和圖像處理技術(shù)，可對(duì)采集的圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)。

激光干涉自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)（如圖4所示）采用分束器BS1，BS2以及激光擴(kuò)束鏡和準(zhǔn)直鏡L3，L4等光學(xué)元件組成的干涉系統(tǒng)。He-Ne激光器為光源，CCD為接收器件，調(diào)焦時(shí)，激光束經(jīng)L3，L4擴(kuò)束準(zhǔn)直，經(jīng)過BS1反射后偏轉(zhuǎn)90°傳播，在BS2處分為兩光束，一束經(jīng)BS2和CP通過M反射后沿原光路返回再經(jīng)過BS1后入射到CCD面上，成為參考光E1；另一束經(jīng)BS2反射，偏轉(zhuǎn)90°傳播，被L1聚焦呈現(xiàn)在該透鏡的焦面上，該像點(diǎn)可視為光點(diǎn)，經(jīng)位于焦面附近或焦面上的像面反射，成為L1再次成像的物點(diǎn)，由它發(fā)射的光束沿原光路返回作為物光E2，參考光E1與物光E2相干，在CCD上產(chǎn)生干涉環(huán)，根據(jù)干涉圖的變化對(duì)主光路的調(diào)焦?fàn)顟B(tài)進(jìn)行反饋。這種方法在原有的光學(xué)系統(tǒng)上，增加了一套激光干涉光路，在一定程度上增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

圖4 激光干涉自動(dòng)調(diào)焦原理Fig.4 Theory of auto-focusing on laser interference

4.3 智能化自動(dòng)聚焦系統(tǒng)

智能化自動(dòng)聚焦系統(tǒng)［13］，作為現(xiàn)在靶場(chǎng)光學(xué)測(cè)量中的變焦距調(diào)焦系統(tǒng)的主要調(diào)焦方法之一，其原理如圖5所示，該方法通過對(duì)CCD輸出的預(yù)視頻信號(hào)的分析，設(shè)定理論比較值。聚焦開始時(shí)，檢測(cè)視頻信號(hào)閾值，與理論設(shè)定值相比較，如果大于誤差范圍，自動(dòng)向某一方向移動(dòng)，而不考慮聚焦結(jié)果的好壞。運(yùn)動(dòng)結(jié)束后比較兩次的聚焦效果，如果調(diào)焦效果優(yōu)化，則繼續(xù)向同相移動(dòng)，否則，反向移動(dòng)，直到找到最佳聚焦點(diǎn)位置，保持調(diào)焦的動(dòng)態(tài)平衡。

圖5 智能化聚焦系統(tǒng)Fig.5 System of auto-focusing

5 傳統(tǒng)變焦距光學(xué)系統(tǒng)中存在的問題

圖6 凸輪調(diào)焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Cam focus mechanism structure

近幾十年來，國內(nèi)調(diào)焦技術(shù)在穩(wěn)步地向前發(fā)展，靶場(chǎng)設(shè)備對(duì)調(diào)焦系統(tǒng)的性能要求也隨之提高。在傳統(tǒng)的變焦距光學(xué)系統(tǒng)中，調(diào)焦機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)形式大多憑借螺紋、渦輪、蝸桿、絲杠螺母、或者凸輪作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如圖6所示），控制部分大多采用單片機(jī)作為控制元件，其特點(diǎn)如下：

（1）螺紋傳動(dòng)式調(diào)焦機(jī)構(gòu) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但對(duì)機(jī)械裝配質(zhì)量要求高，需要對(duì)調(diào)焦輪與調(diào)焦筒進(jìn)行精確研磨［14］，以達(dá)到最佳傳動(dòng)效果。

（2）渦輪、蝸桿傳動(dòng)調(diào)焦方式 大傳動(dòng)比，適合于微調(diào)焦機(jī)構(gòu)，而且具有自鎖性，但體積大，機(jī)械慣性對(duì)精度影響很大。

（3）絲杠螺母調(diào)焦方式 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、成本低，但結(jié)構(gòu)裝配繁瑣，裝配精度要求過高，且在惡劣環(huán)境下容易發(fā)生卡滯現(xiàn)象，抗震動(dòng)、沖擊能力差。

（4）凸輪傳動(dòng)調(diào)焦方式 結(jié)構(gòu)裝配工藝簡(jiǎn)單，工作可靠，經(jīng)過防冷焊處理后不會(huì)產(chǎn)生冷焊、卡滯現(xiàn)象，但對(duì)凸輪曲線的加工精度要求高，磨損后無法補(bǔ)償，可修復(fù)性差。

傳統(tǒng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)需要經(jīng)過驅(qū)動(dòng)元件、傳動(dòng)元件、執(zhí)行元件3部分，由于傳動(dòng)部分為各種機(jī)械結(jié)構(gòu)，從而使得傳動(dòng)過程中不可避免地產(chǎn)生傳動(dòng)誤差，降低了調(diào)焦系統(tǒng)的精度［15］。同時(shí)單片機(jī)作為核心控制單元，數(shù)據(jù)處理能力弱，控制系統(tǒng)通訊能力和接口性能差。

6 光測(cè)變焦距光學(xué)系統(tǒng)最新動(dòng)態(tài)

隨著控制電機(jī)技術(shù)的發(fā)展及控制技術(shù)的成熟，基于直線電機(jī)［16］、步進(jìn)電機(jī)為直接驅(qū)動(dòng)源的調(diào)焦機(jī)構(gòu)已經(jīng)有了初步發(fā)展。因此，參考國內(nèi)外最新靶場(chǎng)光測(cè)設(shè)備，新型電動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)已經(jīng)在高精尖產(chǎn)品中嶄露頭角，在設(shè)計(jì)調(diào)焦機(jī)構(gòu)時(shí)，可以直接采用驅(qū)動(dòng)元件、執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。基于DSP的控制系統(tǒng)與高精度導(dǎo)軌的使用，促進(jìn)了調(diào)焦機(jī)構(gòu)向著體積小、傳動(dòng)精密、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和響應(yīng)速度快的方向發(fā)展［17］。

步進(jìn)電機(jī)的調(diào)焦機(jī)構(gòu)［18，19］在一些光測(cè)設(shè)備中已經(jīng)開始使用［20～22］。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就會(huì)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的，可以通過控制脈沖頻率來控制點(diǎn)擊轉(zhuǎn)速和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。利用其沒有積累誤差的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制，圖7為基于DSP步進(jìn)電機(jī)的數(shù)字調(diào)焦系統(tǒng)框圖［23～25］。與此同時(shí)，DSP為核心的控制單元，有更快的數(shù)據(jù)處理能力和信息轉(zhuǎn)換功能，能夠通過其接口技術(shù)，與多臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)通訊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的集成化，使得整個(gè)光學(xué)、機(jī)械、控制、計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)整合在一起，符合光機(jī)電一體化發(fā)展的新動(dòng)向。

圖7 基于DSP的調(diào)焦控制系統(tǒng)流程Fig.7 Process of focusing mechanism based on DSP

7 結(jié)束語

靶場(chǎng)光學(xué)測(cè)量中的變焦距光學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)光、機(jī)、電的綜合系統(tǒng)。本文著眼于靶場(chǎng)光測(cè)設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)變焦調(diào)焦機(jī)構(gòu)的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，針對(duì)DSP、步進(jìn)電機(jī)在變焦距光學(xué)系統(tǒng)的最新應(yīng)用，討論了電機(jī)直傳技術(shù)在靶場(chǎng)光測(cè)設(shè)備應(yīng)用的可行性，為新一代數(shù)字變焦距光學(xué)系統(tǒng)［26］提供了理論參考。

隨著我國光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及靶場(chǎng)光學(xué)測(cè)量設(shè)備的進(jìn)步，變焦距光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)廣泛的發(fā)展，靶場(chǎng)光測(cè)設(shè)備對(duì)變焦距調(diào)焦系統(tǒng)的要求會(huì)進(jìn)一步提高，因此，對(duì)新型調(diào)焦機(jī)構(gòu)與調(diào)焦理論的研究有很重要的現(xiàn)實(shí)意義，基于變焦距光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)字調(diào)焦系統(tǒng)將成為靶場(chǎng)光測(cè)設(shè)備的新一代產(chǎn)品。

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Varifocal optical system to optical measurement of shooting range

LI Ling-yin1，2，WANG Yi-fan1，WANG Ji3

（1.Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China；2.Graduate University of Chinese Academy of Science，Beijing 100039，China；3.Changchun UP Optotech Co.，Ltd.，Changchun 130033，China）

Varifocal optical system can meet the requirements of dynamic optical systems by changing optical parameters of optical components to adjust optical paths.This paper firstly introduces the fundamentals of varifocal optical system，and describes the design of the varifocal optical systems based on optical compensation and mechanical compensation.Then，it elaborates the type and structures of common focusing mechanisms and analyzes their advantages and disadvantages.It points out that along with the DSP control technology and stepping motor development，the varifocal optical mechanism has entered a new prospect.By making a reference to domestic and international engineering applications，the research shows that the numerical control technology based on stepping motors and DSP has an extensive forecast on varifocal optical mechanisms in the range equipment.

varifocal optical system；range；DSP；stepping motor

2011-01-12；

2011-03-13

TB851；TH745

A

1674-2915（2011）03-0240-07

李零?。?988—），男，黑龍江佳木斯人，碩士研究生，主要從事變焦距調(diào)焦系統(tǒng)方面的研究。

E-mail：lilingyin_02@163.com

王一凡（1958—），男，吉林長春人，研究員，主要從事光機(jī)電總體設(shè)計(jì)方面的研究。

E-mail：wangyifan1958@163.com