王紅偉，束慧琴，陳呂吉，嚴(yán) 敏，曾 怡

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20×長波紅外連續(xù)變焦熱像儀光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王紅偉，束慧琴，陳呂吉，嚴(yán) 敏，曾 怡

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

一款長波紅外熱像儀具有20︰1的變倍比，采用機(jī)械補(bǔ)償變焦方式實(shí)現(xiàn)熱像儀18.5～367mm范圍內(nèi)的連續(xù)變焦。本文對熱像儀的連續(xù)變焦機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。為保證光軸偏差滿足要求，變焦機(jī)構(gòu)內(nèi)部的直線性和平行度、變焦機(jī)構(gòu)與系統(tǒng)光軸間的平行度需進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。同時(shí)，通過調(diào)用溫度補(bǔ)償信息表可實(shí)現(xiàn)不同溫度條件下的溫度補(bǔ)償和快速變焦，使熱像儀具有較寬的溫度范圍。

長波紅外；熱像儀；連續(xù)變焦；光軸偏差；平行度；溫度補(bǔ)償

0 引言

連續(xù)變焦系統(tǒng)是一種焦距可以連續(xù)變化，而在變焦過程中像面保持穩(wěn)定且像質(zhì)保持良好的系統(tǒng)。連續(xù)變焦系統(tǒng)在視場轉(zhuǎn)換過程中具有不間斷觀察及鎖定目標(biāo)的能力，能夠保持圖像的連續(xù)性，可用于對目標(biāo)的搜索、跟蹤、偵查、預(yù)警等方面，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)和國防工業(yè)的很多領(lǐng)域[1-4]。

根據(jù)變焦過程中補(bǔ)償方式的不同可分為機(jī)械補(bǔ)償方式變焦距系統(tǒng)和光學(xué)補(bǔ)償式變焦距系統(tǒng)，光學(xué)補(bǔ)償式變焦距系統(tǒng)主要用于早期凸輪曲線技術(shù)不十分成熟且精細(xì)加工精度低的條件下，并不屬于完全意義上的連續(xù)變焦距系統(tǒng)；目前常用的是機(jī)械補(bǔ)償變焦光學(xué)系統(tǒng)。在文獻(xiàn)[3]中，作者綜合考慮冷光闌匹配、冷反射現(xiàn)象、加工精度、圖像失真、體積及重量等因素, 采用二次成像技術(shù)設(shè)計(jì)了20×機(jī)械補(bǔ)償連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)結(jié)構(gòu)圖如圖1[3]示，視場范圍為1.5°×1.1°～30°×22.5°，對應(yīng)焦距范圍為18.5mm～367mm。

本文針對文獻(xiàn)[3]所設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一款機(jī)械補(bǔ)償式連續(xù)變焦熱像儀。該熱像儀具有分辨率高、變倍比大、結(jié)構(gòu)緊湊和作用距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于地面防空警戒系統(tǒng)，武器平臺搜索、監(jiān)視、瞄準(zhǔn)跟蹤系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)對各種典型目標(biāo)的探測和識別。

1 熱像儀技術(shù)參數(shù)

該熱像儀探測器采用384×288長波量子阱焦平面探測器，像元大小為25mm×25mm，熱像儀技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 連續(xù)變焦光學(xué)結(jié)構(gòu)圖

表1 熱像儀技術(shù)參數(shù)

注：變焦范圍：是指為保證光學(xué)系統(tǒng)在整個(gè)焦距（短焦到長焦）范圍內(nèi)清晰成像，變倍組所移動的范圍；補(bǔ)償范圍：是指為保證光學(xué)系統(tǒng)在整個(gè)焦距（短焦到長焦）范圍內(nèi)清晰成像，補(bǔ)償組為補(bǔ)償所對應(yīng)不同的光學(xué)變倍比，相應(yīng)所移動的范圍。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及原理

熱像儀整機(jī)主要由前固定組、變倍機(jī)構(gòu)組、補(bǔ)償機(jī)構(gòu)組、探測器組件、后固定組、反射鏡組件、光機(jī)平臺和電子處理組件等構(gòu)成，如圖2所示。其中前固定組、變倍機(jī)構(gòu)組、補(bǔ)償機(jī)構(gòu)組、探測器組件、后固定組和反射鏡組件是光學(xué)裝配組部件，用于實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)紅外輻射的匯聚。光機(jī)平臺是光學(xué)部分和電子處理部分的安裝平臺。電子成像處理系統(tǒng)硬件上實(shí)現(xiàn)對熱像儀的信號處理，實(shí)現(xiàn)信號采樣、緩沖、處理及傳輸；軟件上實(shí)現(xiàn)非均勻校正、盲元修正、數(shù)字視頻圖像處理、伺服控制、通訊接口及協(xié)議等處理，將觀察目標(biāo)的紅外信息轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的圖像和電子信息，熱像儀工作原理的示意圖如圖3所示。

圖2 熱像儀構(gòu)成圖（去除上蓋板）

圖3 系統(tǒng)工作原理圖

3 光學(xué)設(shè)計(jì)及評價(jià)[3]

文獻(xiàn)[3]的作者根據(jù)相應(yīng)的指標(biāo)、綜合考慮冷光闌匹配/冷反射現(xiàn)象/圖像失真/體積及重量等因素,采用二次成像設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)了20×連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng),光學(xué)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸小于230mm×175mm×128mm（長×寬×高），系統(tǒng)視場范圍為1.5°×1.1°～30°×22.5°，對應(yīng)焦距范圍為18.5mm～367mm。該光學(xué)系統(tǒng)中，作者采用1個(gè)二元衍射面和2個(gè)高次非球面來有效地校正像差[5]，提高像質(zhì)和透過率；采用放置的45°反射鏡實(shí)現(xiàn)光學(xué)結(jié)構(gòu)的緊湊設(shè)計(jì)；光學(xué)材料采用Ge和ZnSe的合理搭配實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的消色差設(shè)計(jì)。

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中變焦方式采用機(jī)械補(bǔ)償方式，其中變倍行程為74mm，對應(yīng)的補(bǔ)償行程為48mm。變焦功能由變倍組和補(bǔ)償組共同完成，變倍組起變倍作用，補(bǔ)償組起補(bǔ)償變倍組運(yùn)動引起的像面位移作用[6]；同時(shí)在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，為保證變焦過程任何一個(gè)視場的成像質(zhì)量，補(bǔ)償組同時(shí)起調(diào)焦及溫度補(bǔ)償作用，全焦范圍內(nèi)光學(xué)系統(tǒng)圖如圖4所示。為保證成像質(zhì)量，變倍組及補(bǔ)償組的運(yùn)行軌跡應(yīng)平滑無跳躍，變倍和補(bǔ)償曲線如圖5所示。

圖4 光學(xué)系統(tǒng)圖

圖5 變焦及補(bǔ)償曲線

調(diào)制傳遞函數(shù)、點(diǎn)列圖和近焦距離是評價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的常用判據(jù)。文獻(xiàn)[3]給出的光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)圖表明，在奈奎斯特頻率（20lp/mm）處的MTF均接近衍射限（最上面的黑實(shí)線為衍射限），說明變焦系統(tǒng)的成像質(zhì)量優(yōu)良，足以滿足光學(xué)系統(tǒng)在整個(gè)焦距變化范圍內(nèi)的成像質(zhì)量；文獻(xiàn)[3]給出的點(diǎn)列圖表明，說明變焦光學(xué)系統(tǒng)與紅外探測器具有良好的匹配性，很好地滿足了系統(tǒng)的使用要求。

4 設(shè)計(jì)及調(diào)試

熱像儀由主殼體和上蓋板構(gòu)成密封艙體，光電主要部分安裝在主殼體內(nèi)，如圖2所示，熱像儀整機(jī)尺寸405mm×210mm×165mm。熱像儀連續(xù)變焦功能由變倍機(jī)構(gòu)組和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)組共同實(shí)現(xiàn)，變倍機(jī)構(gòu)組和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)組采用相同的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文采用變倍機(jī)構(gòu)組進(jìn)行描述。變倍機(jī)構(gòu)組如圖6所示，由電機(jī)帶動絲桿做螺旋運(yùn)動，通過連接到鏡架上的消間隙螺母把絲桿的螺旋運(yùn)動轉(zhuǎn)化為鏡組的直線運(yùn)動，在主導(dǎo)軌的定向作用下，實(shí)現(xiàn)沿光軸方向的直線運(yùn)動。鏡架通過一個(gè)絲桿和消間隙螺母沿著光軸方向進(jìn)行定位安裝，消間隙螺母采用法蘭盤接口形式安裝到鏡架上，絲桿兩端分別安裝有支撐軸承。主導(dǎo)軌上安裝有兩個(gè)直線軸承，次導(dǎo)軌上安裝有一個(gè)直線軸承，采用主導(dǎo)軌和次導(dǎo)軌可以有效消除鏡架運(yùn)動過程中絲桿的螺旋運(yùn)動引起的鏡架繞絲桿軸的旋轉(zhuǎn)。高精度位置編碼器可以實(shí)時(shí)有效地反饋機(jī)構(gòu)的位置信息。在產(chǎn)品調(diào)試過程中，在不同溫度條件下讀取位置編碼器的位置信息，形成溫度位置信息表（實(shí)際情況中，考慮到產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性，通常采用讀取有限個(gè)溫度點(diǎn)，并根據(jù)某一函數(shù)關(guān)系擬合形成該溫度和位置關(guān)系）并固化到熱像儀軟件中，在熱像儀開機(jī)時(shí)，通過調(diào)用該信息表，可實(shí)現(xiàn)在不同溫度條件下熱像儀能快速清晰成像和快速變倍。

圖6 變倍機(jī)構(gòu)組

對于變倍成像系統(tǒng)，光軸偏差是產(chǎn)品性能的一個(gè)重要性能參數(shù)。該系統(tǒng)中變倍組軸向移動行程為74mm，在如此大范圍實(shí)現(xiàn)對光軸偏差的控制是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。為保證光軸偏差滿足系統(tǒng)要求，在裝配過程中不僅需要對變倍機(jī)構(gòu)組和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)組的主導(dǎo)軌、絲桿和次導(dǎo)軌的各自直線度進(jìn)行調(diào)節(jié)，還需要對絲桿、主導(dǎo)軌和次導(dǎo)軌間的平行度進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果運(yùn)動單元的直線度或者相互間的平行度不能滿足要求，變倍組和補(bǔ)償組在運(yùn)動過程中會出現(xiàn)運(yùn)動不平穩(wěn)現(xiàn)象，在低溫條件下由于電機(jī)性能的下降出現(xiàn)卡滯（視場轉(zhuǎn)換時(shí)間超時(shí)）甚至是卡死的現(xiàn)象，抑或是出現(xiàn)變倍組和補(bǔ)償組運(yùn)動不匹配，系統(tǒng)不能清晰成像，從而造成產(chǎn)品不能有效地對可疑目標(biāo)進(jìn)行觀測、搜索跟蹤、探測和識別。同時(shí)，變倍機(jī)構(gòu)組/補(bǔ)償機(jī)構(gòu)組和系統(tǒng)光軸之間的平行度也應(yīng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，如果變倍機(jī)構(gòu)組/補(bǔ)償機(jī)構(gòu)組和系統(tǒng)光軸間的平行度超差，光學(xué)性能和視場會受到影響，產(chǎn)品的作用距離會下降。

5 試驗(yàn)圖像

在某試驗(yàn)中，熱像儀安裝于某車載防空設(shè)備的轉(zhuǎn)塔上，在環(huán)境溫度35℃、濕度85%、天空多云且云層較厚的條件下，對某型靶機(jī)進(jìn)行了搜索跟蹤試驗(yàn)。圖7為采用車載設(shè)備錄取的試驗(yàn)圖像，從圖7可以看出熱像儀可以在不同的距離條件下，不同焦距范圍清晰成像且圖像質(zhì)量優(yōu)良，能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)的搜索、跟蹤和識別。

圖7 不同焦距條件下熱圖像

6 結(jié)論

針對僅用6片透鏡設(shè)計(jì)的焦距范圍為18.5mm～367mm的光學(xué)系統(tǒng)，采用機(jī)械補(bǔ)償變焦方式設(shè)計(jì)開發(fā)了一款熱像儀。在熱像儀調(diào)試過程中，為保證全焦范圍內(nèi)系統(tǒng)光軸偏差滿足產(chǎn)品要求，需要對機(jī)械補(bǔ)償變焦機(jī)構(gòu)內(nèi)部直線度及相互間的平行度和機(jī)械補(bǔ)償變焦機(jī)構(gòu)與系統(tǒng)光軸間的平行度進(jìn)行精確調(diào)整。光學(xué)軟件仿真和外場試驗(yàn)結(jié)果表明，該熱像儀具有像質(zhì)髙、變倍比大、體積小、作用距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于機(jī)載穩(wěn)瞄或預(yù)警系統(tǒng)、地面防空警戒系統(tǒng)、艦載偵察與跟蹤系統(tǒng)、戰(zhàn)場偵察搜索與監(jiān)視系統(tǒng)、武器平臺瞄準(zhǔn)跟蹤系統(tǒng)等，滿足不同用戶的應(yīng)用需求。

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Optical and Mechanical Design of LWIR Continuous Zoom Thermal Imager with 20×Zoom Range

WANG Hongwei，SHU Huiqin，CHEN Lvji，YAN Min，ZENG Yi

(, Kunming 650223, China)

The long-wave thermal imager has a zoom ratio of 20:1. It's focal length can be continuously varied from 18.5 mm to 367 mm by the mechanical compensation zoom approach. We designed the continuous zoom mechanism. In order to make optical axis error reaches requirements of the system, the inner linearity/parallelism of zoom mechanism, the parallelism between the zoom mechanism and the optical axis of the system needs to be adjusted accurately. By using thermal compensation table, temperature compensation and fast zoom at different temperatures can be achieved in this thermal imager, while a broad temperature range is covered.

LWIR，thermal imager，continuous zoom，deviation of optical axis，parallelism，temperature compensation

TN216

A

1001-8891(2015)10-0924-04

2013-05-22；

2016-10-30.

王紅偉（1978-），男，高級工程師，主要從事紅外系統(tǒng)總體技術(shù)研究及整機(jī)產(chǎn)品研發(fā)。