王 紅，田鐵印

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所

光學(xué)系統(tǒng)先進(jìn)制造技術(shù)中國科學(xué)院重點實驗室，吉林長春130033)

1 引言

電視成像系統(tǒng)可實現(xiàn)對空中運動目標(biāo)的自動跟蹤與測量，目標(biāo)通過光學(xué)系統(tǒng)成像于CCD靶面上，是跟蹤和測量飛行目標(biāo)的主要手段之一。為保證跟蹤目標(biāo)的距離和精度，采用長焦距、小視場;為保證目標(biāo)的捕獲和觀察，采用短焦距、大視場。如果采用定焦距光學(xué)系統(tǒng)，則很難滿足使用要求;采用兩檔或三檔切換的光學(xué)系統(tǒng)，在換檔變焦時，易丟失目標(biāo)。因此，為了滿足對近距離目標(biāo)的快速捕獲及對遠(yuǎn)距離目標(biāo)的精確跟瞄與監(jiān)視，在動基座上探測、識別動態(tài)目標(biāo)，需要采用連續(xù)變焦距光學(xué)系統(tǒng)。該變焦距鏡頭利用其短焦距、大視場實現(xiàn)對目標(biāo)的捕獲;通過連續(xù)變倍，在長焦距實現(xiàn)對目標(biāo)的高精度跟蹤［1-6］。

近年來，隨著變焦距光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計理論及設(shè)計軟件的完善，以及加工工藝的日臻成熟，變焦距的設(shè)計更加豐富，成像質(zhì)量更為優(yōu)良，廣泛應(yīng)用于國防、軍事和人們生活的各個領(lǐng)域［7］。

飛行器導(dǎo)引頭連續(xù)變焦距系統(tǒng)的設(shè)計比較復(fù)雜，要求在確保探測性能的基礎(chǔ)上，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)盡量小型化、輕量化。對變焦距鏡頭的體積和重量要求越來越苛刻，以滿足空間有限尺寸的要求，因此在保證成像質(zhì)量的前提下，變焦距光學(xué)系統(tǒng)的小型化設(shè)計是必要的。

本文首先根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，采用機(jī)械補(bǔ)償法設(shè)計變焦距光學(xué)系統(tǒng)，選擇合適的光學(xué)材料及各組元光焦度的合理匹配，在長焦位置，選取遠(yuǎn)攝結(jié)構(gòu)的前固定組實現(xiàn)變焦系統(tǒng)小型化，最后應(yīng)用CODE V軟件優(yōu)化設(shè)計，在確保變倍組、補(bǔ)償組移動準(zhǔn)確，滿足高斯光學(xué)系統(tǒng)各焦距位置嚴(yán)格齊焦的前提下，得到成像質(zhì)量優(yōu)良的變焦距小型化設(shè)計結(jié)果。加工、裝調(diào)后，光學(xué)系統(tǒng)的測試結(jié)果驗證了設(shè)計的準(zhǔn)確性、合理性。

2 主要技術(shù)指標(biāo)

為了提高彩色連續(xù)變焦距的探測與識別目標(biāo)的能力，需要選擇小像元尺寸的探測器，以更好地滿足遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測和識別。在滿足性能、外形尺寸和數(shù)據(jù)傳輸接口的同時，還要求滿足彩色、數(shù)字圖像輸出、幀頻及曝光時間可調(diào)等具體要求。選定高動態(tài)范圍 CMOS探測器，像元數(shù)為1 280 pixel×1 024 pixel，像素尺寸為5.3 μm。主要設(shè)計指標(biāo)要求如表1所示。

表1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)Tab.1 Parameters of optical system

3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)型式確定

連續(xù)變焦距系統(tǒng)可分為光學(xué)補(bǔ)償、雙組聯(lián)動及全動、機(jī)械補(bǔ)償4種結(jié)構(gòu)。

(1)對于光學(xué)補(bǔ)償方式實現(xiàn)的變焦，只有幾個特定位置的像差得到校正，不適用于高精度制導(dǎo)要求的變焦系統(tǒng);

(2)雙組聯(lián)動系統(tǒng)長度較短，像質(zhì)較好，但機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，精度控制難度較大;

(3)全動系統(tǒng)比雙組聯(lián)動系統(tǒng)更為復(fù)雜，對于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)長度要求特別苛刻時，具有很大的優(yōu)勢;

(4)機(jī)械補(bǔ)償系統(tǒng)可以通過精密凸輪帶動運動組元進(jìn)行準(zhǔn)確移動，可有效防止像面移動，實現(xiàn)連續(xù)變焦，各焦距位置像質(zhì)良好。

機(jī)械補(bǔ)償分為正組補(bǔ)償和負(fù)組補(bǔ)償兩種形式。對于兩個移動組元的機(jī)械補(bǔ)償法變焦鏡頭，正組補(bǔ)償和負(fù)組補(bǔ)償兩種結(jié)構(gòu)型式相比較，若變倍組焦距相同，主要有如下不同之處:

(1)正組補(bǔ)償結(jié)構(gòu)細(xì)而長，負(fù)組補(bǔ)償結(jié)構(gòu)粗而短。

(2)負(fù)組補(bǔ)償?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)二級光譜和光闌球差比正組補(bǔ)償大。

考慮到鏡頭通光口徑小的要求，該變焦距系統(tǒng)采用機(jī)械補(bǔ)償法中的正組補(bǔ)償型式。

3.2 小型化考慮

減小變倍組和補(bǔ)償組的焦距是實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)小型化的有效手段。但變倍組和補(bǔ)償組焦距的減小是有一定限度的，其受到高級像差增大的限制。

當(dāng)長焦時設(shè)計為遠(yuǎn)攝型，通過增加前固定組與變倍組之間的距離(相當(dāng)于正光焦度的前組與負(fù)光焦度的后組之間的距離適當(dāng)增大)減小遠(yuǎn)攝比，這樣在保證各組元相對孔徑不變的前提下，縮短變倍組和補(bǔ)償組的焦距，在縮短導(dǎo)程和補(bǔ)償量的同時，降低后固定組的入射光線高度，縮短后工作距離，實現(xiàn)變焦系統(tǒng)的小型化。

通過高斯光學(xué)求解前固定組、變倍組和補(bǔ)償組的焦距及各組之間的間隔，考慮到變焦距光學(xué)系統(tǒng)小型化的要求，經(jīng)過反復(fù)計算和比較，最終確定的各組焦距如下:前固定組焦距為92.438 mm;變倍組焦距為 －15.897 mm;補(bǔ)償組焦距為23.420 mm;導(dǎo)程為 20.394 mm，補(bǔ)償量為13.104 mm。

3.3 像差的校正

保證各個焦距位置像質(zhì)滿足成像的要求難度較大。通過分析、比較多種像差校正方案，篩選多種玻璃材料，確定選擇LAK2、ZK9和ZF6普通材料。

考慮利用前固定組和變倍組校正長焦距的像差，使之接近短焦距;利用變倍組校正了短焦距軸外細(xì)光束像差，利用補(bǔ)償組校正中焦距的軸上點像差，使長、中、短焦距像差相等，利用后固定組相補(bǔ)償。

應(yīng)用CODEⅤ進(jìn)行變焦距結(jié)組優(yōu)化設(shè)計，需要保證凸輪曲線的連續(xù)與光滑及各焦距位置的嚴(yán)格齊焦，各個焦距位置的像差均得以校正，滿足使用要求。光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。光學(xué)系統(tǒng)的口徑為37.5 mm，光學(xué)筒長為145 mm，滿足技術(shù)指標(biāo)要求，實現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)小型化。

圖1 不同焦距位置的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Optical configuration diagram of in different zoom position

3.4 成像質(zhì)量評價

表2為光學(xué)系統(tǒng)各焦距的傳遞函數(shù)值，其傳遞函數(shù)曲線如圖2～4所示。

表2 光學(xué)系統(tǒng)各焦距的傳遞函數(shù)值Tab.2 MTF values at each focal of zoom camera (頻率:50 lp/mm)

圖2 長焦距各視場傳遞函數(shù)曲線Fig.2 MTF curves of optical system at long-focal

圖3 中焦距各視場傳遞函數(shù)曲線Fig.3 MTF curves of optical system at mid-focal

圖4 短焦距各視場傳遞函數(shù)曲線Fig.4 MTF curves of optical system at short-focal

可見光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量優(yōu)良，各焦距、各視場的傳遞函數(shù)平均值在50 lp/mm時為0.695，滿足性能指標(biāo)要求。

4 測試結(jié)果

光學(xué)系統(tǒng)完成加工、裝調(diào)后進(jìn)行傳遞函數(shù)測量。采用Optikos Corporation成像分析系統(tǒng)進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的測量，得到的實測結(jié)果如表3所示。測試結(jié)果表明，變焦距光學(xué)系統(tǒng)在各焦距、各視場的平均傳遞函數(shù)為0.562(頻率:50 lp/mm)，滿足成像質(zhì)量要求。

表3 變焦距光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)實測結(jié)果(頻率:50 lp/mm)Tab.3 MTF tested results of zoom lens(frequency:50 lp/mm)

5 結(jié)論

用于導(dǎo)引頭的高精度連續(xù)變焦距系統(tǒng)的小型化設(shè)計，比一般變焦距光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的難度大。本文采用機(jī)械補(bǔ)償法設(shè)計的變焦距光學(xué)系統(tǒng)，綜合考慮了加工、裝調(diào)等方面的要求，長焦距位置采用遠(yuǎn)攝型前固定組、變倍組組合的型式，采用3種普通光學(xué)材料設(shè)計得到小型化連續(xù)變焦距光學(xué)系統(tǒng)，加工裝調(diào)完成后光學(xué)系統(tǒng)的測試結(jié)果優(yōu)良，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。目前已通過飛行試驗驗證，具有較強(qiáng)的工程實用性。

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