張衛(wèi)鋒，趙勁松，史衍麗，陶 亮，康麗珠，何紅星，唐 晗，徐參軍，鄭傳武，趙 強(qiáng)

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多視場(chǎng)熱像儀變倍機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)研究

張衛(wèi)鋒，趙勁松，史衍麗，陶 亮，康麗珠，何紅星，唐 晗，徐參軍，鄭傳武，趙 強(qiáng)

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

介紹了多視場(chǎng)熱像儀變倍機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，對(duì)多視場(chǎng)熱像儀常用的幾種變倍機(jī)構(gòu)的工作方式、光機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行分析與研究，指出不同機(jī)構(gòu)型式的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性?？偨Y(jié)了多視場(chǎng)熱像儀變倍機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要原則。

多視場(chǎng)熱像儀；變倍機(jī)構(gòu)；光機(jī)系統(tǒng)

0 引言

紅外成像技術(shù)是利用目標(biāo)和背景自身紅外輻射的差異或它們對(duì)自然光源的反射差異來(lái)成像的，一般用于夜間及晝間不良?xì)庀髼l件下對(duì)目標(biāo)的探測(cè)、識(shí)別、跟蹤和瞄準(zhǔn)，屬于被動(dòng)成像技術(shù)，因此具有較強(qiáng)的隱蔽性和抗干擾能力，在軍事和民用領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用[1-4]。一般紅外熱像儀的多種功能需要采取多視場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，多視場(chǎng)紅外光機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)決定著熱像儀的作用距離、外形尺寸、重量、光軸一致性和可靠性等主要技術(shù)指標(biāo)，也是高性能多視場(chǎng)熱像儀的主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)。本文針對(duì)多視場(chǎng)熱像儀變倍光機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了分析和研究。

1 熱像儀主要組成及其工作原理

一般熱像儀主要由紅外光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器/制冷機(jī)組件、殼體、調(diào)焦變倍機(jī)構(gòu)、成像電路組件等組成，其工作原理如圖1所示。紅外光學(xué)系統(tǒng)接收來(lái)自遠(yuǎn)處景物的紅外輻射，并將目標(biāo)紅外輻射匯聚成像在探測(cè)器的焦平面上，通過(guò)成像電路組件完成光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理，輸出標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)，最終顯示在顯示器上。熱像儀通過(guò)調(diào)焦變倍機(jī)構(gòu)控制相關(guān)透鏡組的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)焦距（視場(chǎng)）的變化，完成不同視場(chǎng)間的切換功能。

熱像儀根據(jù)其調(diào)焦變倍過(guò)程中光學(xué)系統(tǒng)的焦距值變化規(guī)律可分為2大類：一類是連續(xù)變焦（倍）光機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)變倍透鏡組及補(bǔ)償透鏡組的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)焦距值的連續(xù)變化；另一類是間斷變焦（倍）光機(jī)系統(tǒng)，即通過(guò)切換光學(xué)系統(tǒng)中的相關(guān)透鏡組來(lái)間斷地改變光學(xué)系統(tǒng)的焦距值，完成不同視場(chǎng)間的切換，變倍過(guò)程中光學(xué)系統(tǒng)不能清晰成像，這種間斷變焦光機(jī)系統(tǒng)又可分為軸向變倍光機(jī)系統(tǒng)和徑向變倍光機(jī)系統(tǒng)。

在變倍光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于單個(gè)透鏡的焦距是固定不變的，因此，一般需要通過(guò)改變系統(tǒng)中不同透鏡之間的間隔來(lái)實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)組合（等效）焦距的變化。變倍光機(jī)系統(tǒng)的基本原理是利用光機(jī)系統(tǒng)中1個(gè)或多個(gè)透鏡組的移動(dòng)來(lái)改變系統(tǒng)的組合焦距。但是，當(dāng)一個(gè)透鏡組移動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的像面位置也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，為了保證系統(tǒng)最終像面位置的穩(wěn)定，需要通過(guò)移動(dòng)另一個(gè)透鏡組來(lái)進(jìn)行像面位移補(bǔ)償。因此，習(xí)慣上把引起焦距變化的透鏡組稱為變倍組，起到補(bǔ)償像面位置作用的透鏡組稱為補(bǔ)償組。一般變倍光學(xué)系統(tǒng)通常由前固定透鏡組、變倍透鏡組、補(bǔ)償透鏡組、后固定透鏡組4個(gè)部分組成[5-10]，如圖2所示。根據(jù)變倍透鏡組和補(bǔ)償透鏡組運(yùn)動(dòng)型式的不同將變焦方式分為光學(xué)補(bǔ)償變焦和機(jī)械補(bǔ)償變焦。

圖1 熱像儀工作原理示意圖

Fig.1 Diagram of multiple field-of-view thermal imagers

圖2 變倍光機(jī)系統(tǒng)的變倍和補(bǔ)償工作原理示意圖

2 機(jī)械補(bǔ)償紅外連續(xù)變倍光機(jī)系統(tǒng)

機(jī)械補(bǔ)償紅外連續(xù)變焦光機(jī)系統(tǒng)一般為軸向運(yùn)動(dòng)2組透鏡實(shí)現(xiàn)連續(xù)變焦，如圖3所示。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要確保變倍透鏡組和補(bǔ)償透鏡組能夠沿光軸方向按照不同的移動(dòng)軌跡相向連續(xù)移動(dòng)，在保證像質(zhì)不變的情況下實(shí)現(xiàn)連續(xù)變焦功能。在實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，變倍透鏡組和補(bǔ)償透鏡組移動(dòng)過(guò)程中會(huì)引起系統(tǒng)光軸的跳動(dòng)，而光軸跳動(dòng)量的大小直接影響熱像儀的成像質(zhì)量和光軸一致性，因此變倍透鏡組和補(bǔ)償透鏡組的驅(qū)動(dòng)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)成為熱像儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。在連續(xù)變焦過(guò)程中，通常情況下是變倍透鏡組做線性移動(dòng)，補(bǔ)償透鏡組做非線性移動(dòng)。

為減少驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)數(shù)量，連續(xù)變倍的熱像儀通常采用的機(jī)構(gòu)是圓柱凸輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)圓柱凸輪的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)變倍透鏡組和補(bǔ)償透鏡組分別做線性運(yùn)動(dòng)和非線性運(yùn)動(dòng)，改變變倍透鏡組和補(bǔ)償透鏡組的相對(duì)位置，使光學(xué)系統(tǒng)的等效焦距產(chǎn)生連續(xù)性變化。但是，設(shè)計(jì)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)要確保在變倍過(guò)程中成像始終清晰，像面位置不變。在進(jìn)行圓柱凸輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)變倍組和補(bǔ)償組的運(yùn)動(dòng)曲線在圓柱的圓周上設(shè)計(jì)出相應(yīng)的曲線槽，變倍組和補(bǔ)償組分別通過(guò)各自的導(dǎo)向桿（或軸承）和圓柱凸輪關(guān)聯(lián)，如圖4所示。這種紅外連續(xù)變焦熱像儀的光機(jī)設(shè)計(jì)和變倍機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)均有較大難度，變倍凸輪槽鏡筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工更是實(shí)現(xiàn)連續(xù)變焦成像的關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮變倍機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的平滑性和變倍過(guò)程的快捷性。變倍凸輪槽設(shè)計(jì)與加工的精度，將直接影響到連續(xù)變焦成像質(zhì)量和光軸一致性。凸輪的導(dǎo)程與直徑是設(shè)計(jì)變倍凸輪槽的重要參數(shù)，因此在設(shè)計(jì)變倍凸輪槽時(shí)一定要對(duì)凸輪的導(dǎo)程和直徑進(jìn)行精確計(jì)算分析。采用這種變焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的前提是光學(xué)設(shè)計(jì)已對(duì)熱像差進(jìn)行了良好校正，因?yàn)闄C(jī)械凸輪曲線槽不能隨溫度而改變。

對(duì)于殘留有熱像差的光學(xué)系統(tǒng)，采用電子凸輪是可行的技術(shù)方案，因?yàn)槠錄Q定的變倍透鏡組和補(bǔ)償透鏡組運(yùn)動(dòng)軌跡可以根據(jù)溫度變化而作適應(yīng)性地改變。見圖5所示，變倍組和補(bǔ)償組兩套機(jī)構(gòu)軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)，它們之間的運(yùn)動(dòng)曲線可以根據(jù)熱像儀機(jī)內(nèi)溫度傳感器數(shù)值實(shí)時(shí)進(jìn)行修正，因此稱作電子凸輪。

紅外連續(xù)變焦與多檔變倍熱像儀的最大區(qū)別在于可以實(shí)現(xiàn)從大視場(chǎng)到小視場(chǎng)連續(xù)變倍,并且在視場(chǎng)變化過(guò)程中保持圖像的連續(xù)性，但光軸一致性較差，視場(chǎng)切換時(shí)間較慢，一般應(yīng)用于對(duì)高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的搜索和跟蹤。

3 間斷變倍光機(jī)系統(tǒng)

間斷變倍光機(jī)系統(tǒng)是在視場(chǎng)變換過(guò)程中，變焦機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)是非連續(xù)的，一般只在兩個(gè)或多個(gè)間斷位置清晰成像。根據(jù)調(diào)焦變倍機(jī)構(gòu)的不同，可以將間斷變倍光機(jī)系統(tǒng)分為徑向變倍光機(jī)系統(tǒng)、軸向變倍光機(jī)系統(tǒng)及兩者復(fù)合的變倍光機(jī)系統(tǒng)。

圖3 機(jī)械補(bǔ)償連續(xù)變焦光機(jī)系統(tǒng)原理圖

圖4 機(jī)械補(bǔ)償連續(xù)變焦光機(jī)系統(tǒng)圓柱凸輪結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 機(jī)械補(bǔ)償連續(xù)變焦光機(jī)系統(tǒng)電子凸輪設(shè)計(jì)方案示意圖

3.1 徑向變倍光機(jī)系統(tǒng)

徑向變倍光機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)是根據(jù)需要將不同的透鏡組切入切出以實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)切換，如圖6所示。多視場(chǎng)紅外光機(jī)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)通常是把小視場(chǎng)作為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，以確定熱像儀作用距離，及其大概的外形包絡(luò)和重量。然后根據(jù)不同視場(chǎng)變化的需求設(shè)計(jì)出相應(yīng)的大/中變倍透鏡組，在進(jìn)行視場(chǎng)變換時(shí)，根據(jù)需要將相應(yīng)透鏡組切入到小視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)中，從而組成一個(gè)新的光學(xué)視場(chǎng)，如中視場(chǎng)、大視場(chǎng)。其變倍機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足切換時(shí)間短、定位準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、沒(méi)有機(jī)械干涉和光路遮擋等要求。采用徑向變倍光機(jī)系統(tǒng)，盡量減少每個(gè)視場(chǎng)中透鏡的數(shù)量，可將不參與成像的透鏡暫時(shí)移出光路，能夠明顯提高紅外光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率。根據(jù)變倍透鏡組切入和切出光路的運(yùn)動(dòng)方式不同，可將徑向變倍光機(jī)系統(tǒng)分為旋轉(zhuǎn)式切換機(jī)構(gòu)和平移式切換機(jī)構(gòu)2種形式。

旋轉(zhuǎn)式切換變倍機(jī)構(gòu)有一個(gè)垂直于光軸并與之相交的回轉(zhuǎn)軸，回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)以帶動(dòng)不同的透鏡組切入/切出光路，實(shí)現(xiàn)不同視場(chǎng)間的切換（變倍）。旋轉(zhuǎn)切換式變倍機(jī)構(gòu)在雙視場(chǎng)變倍光機(jī)系統(tǒng)中較為常見，但多視場(chǎng)紅外光機(jī)系統(tǒng)的切換很少有采用這種方式的，因?yàn)樵摲桨腹鈱W(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)較容易，但機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度較大，而且光軸一致性難以滿足設(shè)計(jì)要求，不利于減量化設(shè)計(jì)。

目前，常用旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)方式主要有以下2種構(gòu)型：

1）力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式。使用這種旋轉(zhuǎn)切換方式要求不同的變倍透鏡組全部固定在同一個(gè)結(jié)構(gòu)框架上，旋轉(zhuǎn)軸系是框架的幾何中心，力矩電機(jī)直接套裝在旋轉(zhuǎn)軸系的一端，位置傳感器在軸系的另一端。這種形式的變倍機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)裝調(diào)相對(duì)簡(jiǎn)單，且控制精度較高，它只需要占用較少的軸向空間和徑向空間。

2）伺服電機(jī)間接驅(qū)動(dòng)方式。這種間接驅(qū)動(dòng)方式的變倍機(jī)構(gòu)，每一個(gè)變倍透鏡組都有自己的支撐框架、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、位置傳感器、限位裝置等零部件，不同的變倍透鏡組間相互獨(dú)立。根據(jù)熱像儀內(nèi)部光機(jī)結(jié)構(gòu)的布局不同，可以采用齒輪傳動(dòng)或鋼帶傳動(dòng)，選擇合適的伺服電機(jī)帶動(dòng)齒輪或鋼帶實(shí)現(xiàn)從一個(gè)視場(chǎng)到另一個(gè)視場(chǎng)的切換。這種驅(qū)動(dòng)方式結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要較多的零部件，裝調(diào)也較復(fù)雜，對(duì)空間有較大要求。平移式切換變倍機(jī)構(gòu)是通過(guò)將變倍透鏡組沿著垂直光軸的方向平移，實(shí)現(xiàn)變倍透鏡組切入/切出光路功能，完成不同視場(chǎng)間的切換。

圖7是一款典型的平移式切換變倍光機(jī)系統(tǒng)，當(dāng)需要進(jìn)行視場(chǎng)變換時(shí)，大或中視場(chǎng)透鏡組沿著圖中所示的變倍透鏡組移動(dòng)路線平移切入/切出光路，完成視場(chǎng)變換。這種平移式切換變倍機(jī)構(gòu)通常包括變倍透鏡組、結(jié)構(gòu)支撐零件、精密軸承、導(dǎo)軌滑塊、高精度滾珠絲杠和螺母、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、位置傳感器、限位裝置等。當(dāng)需要進(jìn)行視場(chǎng)切換時(shí)，控制系統(tǒng)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)送信號(hào)指令，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠螺母把電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，最后絲杠螺母帶動(dòng)變倍透鏡組沿著導(dǎo)軌移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)不同視場(chǎng)間的平移切換。

圖6 徑向變倍光機(jī)系統(tǒng)原理圖

圖7 平移式切換變倍機(jī)構(gòu)

在進(jìn)行徑向變倍光機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：首先，當(dāng)變倍機(jī)構(gòu)進(jìn)行視場(chǎng)變換時(shí)，變倍透鏡組要能快速準(zhǔn)確的切換到位，且重復(fù)定位精度高，能充分保證熱像儀的成像質(zhì)量和光軸的一致性，這就要求變倍機(jī)構(gòu)具有較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，精確的定位和限位功能。其次，當(dāng)變倍透鏡組運(yùn)動(dòng)到指定位置后，為了保證系統(tǒng)能在沖擊、振動(dòng)、高低溫等惡劣的環(huán)境條件下正常工作，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)考慮設(shè)計(jì)鎖定裝置，防止由于外界變化使變倍透鏡組位置出現(xiàn)變動(dòng)，影響熱像儀的正常使用。再次，為滿足中/大變倍透鏡組與熱像儀小視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)的同軸度和視場(chǎng)誤差的要求，變倍機(jī)構(gòu)中必須預(yù)留工藝調(diào)整環(huán)節(jié)。最后，為提高變倍透鏡組的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定精度，變倍機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)和裝調(diào)過(guò)程中必須進(jìn)行精確配平。

旋轉(zhuǎn)式切換變倍機(jī)構(gòu)和平移式切換變倍機(jī)構(gòu)相比，前者所需要的軸向和徑向空間較小，結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊，但結(jié)構(gòu)形式比較單一，光機(jī)系統(tǒng)的裝調(diào)相對(duì)簡(jiǎn)單，但系統(tǒng)工作一段時(shí)間后，變倍透鏡組光軸與熱像儀整機(jī)光軸的同軸度下降較為嚴(yán)重，一定程度上影響產(chǎn)品可靠性。文獻(xiàn)[11]介紹的就是一種通過(guò)切換變倍透鏡組實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)轉(zhuǎn)換的方案。平移式切換變倍機(jī)構(gòu)所占徑向尺寸較大，結(jié)構(gòu)型式比較靈活，光機(jī)系統(tǒng)的裝調(diào)相對(duì)困難，變倍機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中，變倍透鏡組的光軸與光學(xué)系統(tǒng)的光軸不易產(chǎn)生偏離，能夠保證產(chǎn)品可靠性。

3.2 軸向變倍光機(jī)系統(tǒng)

軸向變倍機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是變倍透鏡組沿光學(xué)系統(tǒng)的光軸移動(dòng)實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)切換，這是目前最為常用的調(diào)焦變倍技術(shù)方案，如圖8所示。變倍透鏡組移動(dòng)到不同的位置形成一個(gè)不同的光學(xué)視場(chǎng)。軸向變倍光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度較大，但軸向變倍機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度較小，裝調(diào)工藝比較復(fù)雜，容易保證良好的光軸一致性，徑向尺寸緊湊，但需要適當(dāng)增加軸向尺寸。由于參與成像的透鏡數(shù)目較多，光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率相對(duì)降低，加之材料均勻性和鍍膜均勻性隨口徑有所變化，尤其對(duì)熱像儀小視場(chǎng)的熱靈敏度有一定的影響。

圖8 光學(xué)補(bǔ)償軸向變倍光機(jī)系統(tǒng)原理圖

軸向變倍機(jī)構(gòu)在雙視場(chǎng)或多視場(chǎng)光機(jī)系統(tǒng)中很常用，其變倍機(jī)構(gòu)與平移式切換變倍機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式相似，只不過(guò)是變倍鏡組移動(dòng)方向變?yōu)檠毓廨S方向，通過(guò)變倍透鏡組和補(bǔ)償透鏡組同時(shí)沿光軸方向移動(dòng)，停靠在預(yù)定位置以實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)切換。

圖9為三視場(chǎng)長(zhǎng)波紅外熱像儀光學(xué)補(bǔ)償變倍機(jī)構(gòu)的三維設(shè)計(jì)圖，圖中，調(diào)焦變倍機(jī)構(gòu)是沿光軸移動(dòng)實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)切換功能，它包括變倍透鏡組、補(bǔ)償透鏡組、結(jié)構(gòu)支撐零件、精密軸承、導(dǎo)軌滑塊、高精度滾珠絲杠和螺母、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、位置傳感器、限位裝置等零部件。其中變倍透鏡組和補(bǔ)償透鏡組由一個(gè)U形變倍架固聯(lián)，整個(gè)熱像儀的調(diào)焦變倍只用1套運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。當(dāng)進(jìn)行視場(chǎng)切換時(shí)，控制電路向驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)送控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠螺母把電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，最后絲杠螺母帶動(dòng)變倍透鏡組沿著導(dǎo)軌移動(dòng)，導(dǎo)軌的安裝方向平行于光學(xué)系統(tǒng)光軸，由此實(shí)現(xiàn)不同視場(chǎng)間的切換和調(diào)焦功能。

圖9 三視場(chǎng)熱像儀光學(xué)補(bǔ)償變倍機(jī)構(gòu)三維設(shè)計(jì)圖

事實(shí)上，圖3中的機(jī)械補(bǔ)償紅外連續(xù)變倍光機(jī)系統(tǒng)也屬于軸向變倍方式，如果簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，該方案也能實(shí)現(xiàn)多視場(chǎng)間斷軸向變倍光機(jī)系統(tǒng)。圖7中的光學(xué)補(bǔ)償多視場(chǎng)間斷軸向變倍光機(jī)系統(tǒng)如果完善設(shè)計(jì)，也能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)變倍，見參考文獻(xiàn)[12]。如果簡(jiǎn)單軸向移動(dòng)1個(gè)透鏡組，一般只能夠獲得雙視場(chǎng)[13]。在二次成像方案中，軸向變倍光機(jī)系統(tǒng)一般設(shè)計(jì)在物鏡組部位；但在文獻(xiàn)[14]中，軸向變倍機(jī)構(gòu)從中繼組跨渡到了物鏡組部位。軸向變倍技術(shù)方案比較易于兼顧熱像儀作用距離、小型化、輕量化和光軸一致性等設(shè)計(jì)指標(biāo)，一般適用于高性能多功能的觀瞄型熱像儀。

3.3 徑向與軸向變倍復(fù)合的光機(jī)系統(tǒng)

隨著紅外熱成像技術(shù)的不斷發(fā)展，用戶對(duì)熱像儀的作用距離和光軸一致性提出了越來(lái)越高的要求。能根本上提高熱像儀作用距離的技術(shù)途徑只有2個(gè)：增大光學(xué)系統(tǒng)的長(zhǎng)焦距，或提高探測(cè)器的面陣規(guī)模并減小其像元間距。而顯著提高小視場(chǎng)光軸穩(wěn)定性的技術(shù)途徑是小視場(chǎng)沒(méi)有任何運(yùn)動(dòng)部件。

為實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)目標(biāo)，提出了一種新的光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，即多視場(chǎng)之間的視場(chǎng)切換采用了徑向和軸向變倍復(fù)合的光機(jī)系統(tǒng)方案，或者稱為“雙通道光機(jī)系統(tǒng)”，如圖10所示。小視場(chǎng)沒(méi)有任何運(yùn)動(dòng)部件。旋轉(zhuǎn)切入反射鏡M，轉(zhuǎn)換為中/大視場(chǎng)光學(xué)通道；軸向移動(dòng)中/大視場(chǎng)調(diào)焦變倍透鏡組，可實(shí)現(xiàn)中/大視場(chǎng)轉(zhuǎn)換及其調(diào)焦。由于小視場(chǎng)的焦距較長(zhǎng)，為了盡可能減小熱像儀外形尺寸，可采用立體三次折疊光路的技術(shù)措施[15]。整個(gè)熱像儀只用2套調(diào)焦變倍機(jī)構(gòu)，有利于減小外形尺寸和重量，提高可靠性。

圖10 雙通道光機(jī)系統(tǒng)原理圖

這種設(shè)計(jì)方案還有利于減少小視場(chǎng)的透鏡數(shù)量，保證小視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率，并能顯著縮短中/大視場(chǎng)的調(diào)焦變倍機(jī)構(gòu)的軸向行程，從而有效保證小視場(chǎng)光軸穩(wěn)定性和三視場(chǎng)間的光軸平行性。這種熱像儀的兩套變倍機(jī)構(gòu)類似，主要包括變倍透鏡組（或反射鏡組）、結(jié)構(gòu)支撐零件、精密軸承、導(dǎo)軌滑塊、高精度滾珠絲杠和螺母、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、位置傳感器、限位裝置等零件。當(dāng)需要進(jìn)行視場(chǎng)切換時(shí)，控制系統(tǒng)向目標(biāo)驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)送控制指令，目標(biāo)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠螺母把電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，最后絲杠螺母帶動(dòng)變倍透鏡組（或光路切換平面反射鏡）沿著導(dǎo)軌移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)不同視場(chǎng)間的平移切換。圖11所示為一個(gè)長(zhǎng)焦距三視場(chǎng)復(fù)合變倍熱像儀的軸向和徑向變倍機(jī)構(gòu)三維設(shè)計(jì)圖。這種方案適用于機(jī)載長(zhǎng)焦距小型化高性能觀瞄熱像儀。

4 多視場(chǎng)熱像儀變倍機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要原則

多視場(chǎng)熱像儀變倍機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要原則為：

1）實(shí)現(xiàn)多視場(chǎng)變換功能，并保證各視場(chǎng)圖像質(zhì)量、光軸精度和可靠性。

2）盡可能減少變倍光機(jī)系統(tǒng)的數(shù)量，并進(jìn)行小型化和輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖11 三視場(chǎng)熱像儀的徑向(a)和軸向(b)變倍機(jī)構(gòu)三維設(shè)計(jì)圖

3）在具體設(shè)計(jì)中，應(yīng)避免結(jié)構(gòu)干涉、光路遮擋和引入雜散光。

4）在設(shè)計(jì)時(shí)，就應(yīng)該考慮機(jī)械零件的加工工藝性和裝調(diào)工藝方案。

5）如果采用新的變倍機(jī)構(gòu)或電機(jī)，應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境要求提前進(jìn)行相關(guān)技術(shù)驗(yàn)證。

6）熱像儀多視場(chǎng)變倍機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)力求簡(jiǎn)化、實(shí)用和可靠。復(fù)雜的多視場(chǎng)紅外光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)果，必然導(dǎo)致復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和控制電路設(shè)計(jì)結(jié)果，其結(jié)果往往技術(shù)難點(diǎn)堆積、可靠性和批生產(chǎn)性較差。

7）不同的多視場(chǎng)熱像儀變倍機(jī)構(gòu)型式所涉及的光學(xué)、結(jié)構(gòu)和控制電路的技術(shù)難度不一樣，可以根據(jù)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)各專業(yè)的技術(shù)力量作合理的方案調(diào)整和難度轉(zhuǎn)化。最終目的是研制出合格的熱像儀產(chǎn)品。

5 結(jié)論

紅外熱像儀的變倍機(jī)構(gòu)型式多種多樣，不同的視場(chǎng)切換方式有不同的實(shí)現(xiàn)途徑、技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)和適用性。應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)技術(shù)要求和用戶使用要求，選擇合理可行的多視場(chǎng)熱像儀變倍光機(jī)系統(tǒng)方案。在具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要針對(duì)光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)變換的特點(diǎn)及空間尺寸的限制條件選擇合適的變倍機(jī)構(gòu)型式開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一般徑向變倍和軸向變倍光機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)使用比較普遍，徑向和軸向變倍復(fù)合的光機(jī)系統(tǒng)使用還比較少見。因?yàn)橛行?fù)合方式采取把大視場(chǎng)分離出來(lái)作為一個(gè)成像通道，而把小/中視場(chǎng)組合為一個(gè)成像通道，則所獲得的應(yīng)用效果會(huì)很有限?？傊?，在多視場(chǎng)熱像儀設(shè)計(jì)中應(yīng)該遵循一定的設(shè)計(jì)原則，優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程就是不斷完善設(shè)計(jì)的過(guò)程，優(yōu)秀的變倍光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不能顧此失彼。

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Study on Zoom Mechanisms of Thermal Imagers

ZHANG Wei-feng，ZHAO Jin-song，SHI Yan-li，TAO Liang，KANG Li-zhu，HE Hong-xing，TANG Han，XU Can-jun，ZHENG Chuan-wu，ZHAO Qiang

(,650223,)

Technologies in zoom mechanism design for thermal imagers are studied in this paper. For multiple field-of-view thermal imagers, principle and feature of several zoom mechanisms are presented respectively. Furthermore, the main fundamentals in the mechanical design are concluded.

multiple field-of-view thermal imager，zoom mechanism，optical-mechanical system

TH702

A

1001-8891(2015)12-0993-06

2015-11-16；

2015-12-02.

張衛(wèi)鋒（1978-），男，博士研究生，高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱像儀總體設(shè)計(jì)技術(shù)、熱像儀測(cè)試技術(shù)。

趙勁松（1972-），男，博士，研高工。主要研究方向?yàn)榧t外光學(xué)和熱像儀總體設(shè)計(jì)技術(shù)、紅外光學(xué)及熱像儀測(cè)試技術(shù)。

云南省重點(diǎn)項(xiàng)目，編號(hào)：2015FA040。