红外连续变焦镜头
一、基本原理
利用光学系统中两个或两个以上透镜组的移动，改变光学系统的组合焦距，同时保持像面位置不动，且在变焦过程中像质始终保持良好。
二、光学系统
机械补偿变焦系统：各运动组元按不同的运动规律作相对复杂的对应移动，最终达到防止像面移动的目的。机械补偿法变焦镜头：一组透镜做线性移动(通称变倍组)以改变焦距，另一组透镜(通称补偿组)作少量非线性移动以补偿像面位移，来达到光学系统既变倍而像面位置又稳定的要求。变倍组一般是负透镜组,补偿组有取正透镜组,也有取负透镜组的。补偿透镜组的移动与变倍透镜组的移动方向不同且不等速，但它们的相对运动却有严格的对应关系，各透镜组通过一个复杂的凸轮机构实现相对运动。这类变焦距镜头的焦距在一定范围内连续改变。
三、光学结构
机械补偿变焦距镜头，其光学结构由前固定组，变倍组，补偿组，后固定组组成。
1、前固定组：其作用是给系统提供固定的像；
2、变倍组：担负着系统的变倍作用，做线性移动以改变焦距；
3、补偿组：按一定的曲线轨迹作非线性运动，以补偿变倍组在变倍过程中所产生的像面移动；
4、后固定组：用于将补偿组的像转化为系统的最后实像，并调整系统的合成焦距值、设备孔径光阑，保证在变焦运动中系统的相对孔径不变。
四、连续变焦机构
主要由电机、齿轮、变倍凸轮、限位装置、导向销、变倍组、补偿组、导向机构等组成，其中，导向机构和变倍凸轮设计是连续变焦机构的核心技术。工作原理为：当产品需要进行变焦时，由控制系统发给电机变倍信号，电机驱动齿轮，由齿轮带动变倍凸轮进行运动，此时，变倍组和补偿组通过导向销在满足函数关系的两条凸轮槽中进行运动，实现变倍组和补偿组直线运动，当变倍组和补偿组移动到两个极限位置时，通过压力开关来控制驱动电机的工作。精密电位计在齿轮的驱动下随变倍凸轮一起转动，电位计随着变倍凸轮转角的不同输出不同的电压，通过对电压值的换算可以得到系统的对应焦距。
1、变倍组导向机构
（1）一根光杠导轨和滚珠丝杠组合机构。这种结构精度较高，由于变倍和补偿同时移动的轨迹不同，需要两套导向驱动机构，占用较大空间，控制系统设计也有难度。
（2）两根圆柱导轨滑动机构。由于滑动部件为两根圆柱导轨，这种结构变倍精度高，承载的负荷也比第一种大。但是由于是超定位结构，光学通光口径太大，容易产生机构卡死现象，机构的径向尺寸也较大。一般适用通光口径30—80 mm的结构。
（3）三根圆柱导轨滑动机构。这种结构的优点是运动舒适、平
稳，不容易产生卡死现象，可以带动通光口径较大的光学组件。缺点是运动精度较前两种低，一般适用通光口径50—120mm 的结构。
2、变倍凸轮设计
凸轮机构功能：实现由电机旋转运动转化为变倍、补偿镜组沿光轴方向平移运动的执行机构。 在变倍凸轮设计时应注意导向销和凸轮槽的摩擦系数与自锁角密切相关，摩擦系数越大，自锁角越小，凸轮槽倾斜得也越平坦，对凸轮槽的曲线设计显得尤为重要。
为了在变倍过程中始终保持良好的像质，变倍组和补偿组的移动必须满足一定的函数关系。由几何光学理论可知两者必须符合如下方程式：
11110c c ci b b bi c ci b bi f f ββββββββ????+--++--= ? ?????
式中：b f 为变倍组元的焦距；c f 为补偿组元焦距；b c ββ、分别为初始位置时变倍组元、补偿组元的垂轴放大率(可以是任意初始位置，如长焦距状态或者短焦距位置)；bi ci ββ、分别为变倍过程中新位置变倍组元、补偿组元的垂轴放大率。
如果变倍组的位移量为x ，补偿组的位移量为y ，且规定向右移动为正值，向左移动为负值。其表达式为：
()()
1/1/b b bi c ci c x f y f ββββ?=-??=-?? 为保证凸轮的精确性和变焦运动的平滑性、快速性，要求凸轮线步长在0.02~0.05mm ，同时，两组凸轮曲线的升角应尽量小而且平衡。
万方数据
第１期李永刚．等：红外连续变焦镜头的结构设计６１ 统，共有１４片透镜，包括变焦物镜系统和二次成像系统。镜片数日的增加，有利于校正像差，可提高像质；二次成像系统的作用是为了减小物镜的直径同时保证１００％的冷屏效率。 １．２变倍组导向机构选型 连续变焦镜头在连续变焦的过程中，光轴随着变倍和补偿镜组的位移始终在跳动，而光轴跳动量的大小直接影响系统的性能指标。所以变倍、补偿镜组的导向机构设计是此红外变焦距镜头结构设计的核心。变焦距镜头导向机构的种类很多，按接触摩擦性质可分成两大类：滑动摩擦机构和滚动摩擦机构。滑动摩擦机构是导轨与移动镜组之间采用滑动接触方式，滚动机构是导轨与移动镜组之间采用滚动方式…。常用的变倍机构有以下几种形式¨】：１．圆柱导轨滑动机构。这种结构变倍精度高，径向结构尺寸小，适用于变倍和补偿组光学通光口径较小的结构。 ２．两根圆柱导轨滑动机构。由于滑动部件为两根圆柱导轨，这种结构变倍精度高，承载的负荷也比第一种大。但是由于是超定位结构，光学通光口径太大，容易产生机构卡死现象，机构的径向尺寸也较大。一般适用通光口径３０—８０ｍｍ的结构。 ３．三根圆柱导轨滑动机构。这种结构的优点是运动舒适、平稳，不容易产生卡死现象，可以带动通光口径较大的光学组件。缺点是运动精度较前两种低，一般适用通光口径５０—１２０ｍｍ的结构。 滚动摩擦机构就是在上述滑动摩擦机构的基础上，加上精密轴承或者精密钢球等，来减小摩擦力矩，提高系统总体性能。 根据以上经验，本文选用两根圆柱导轨形式，并且在变倍、补偿镜组与圆柱导轨之间采用精密直线轴承配合，使该机构由滑动摩擦变为滚动摩擦。１．３调焦机构选型 调焦组的作用是通过调焦机构，使调焦镜组沿光轴方向移动，以保证在远近不同距离上的物体，都能清晰地成像在像面上。因此，它的机构优劣直接影响到变焦距镜头的成像质量。 光学系统调焦机构大体有三种方式，一种是凸轮调焦¨１，一种是采用直线电机调焦…，另一种是丝杠丝母调焦。考虑到调焦系统行程短，通光口径比较大，如果采用丝杠丝母调焦或者直线推进调焦机构，对加工装配要求就很严格，而且很容易出现卡滞现象。而采用简单的凸轮机构实现调焦过程，可以避免上述的缺点。 ２主要机械结构设计 ２．１凸轮机构设计 由于补偿组作非线性移动，直接的直线驱动很难控制其与变倍组线性同步，而采用圆柱凸轮，由凸轮的旋转同时带动变倍、补偿镜组实现直线移动，可使得驱动控制简单易行。 凸轮机构是实现由电机旋转运动转化为变倍、补偿镜组沿光轴方向平移运动的执行机构，凸轮机构主要由带齿轮的凸轮、轴承环、导轨、导钉、导环等组成，结构简图如图１所示。当电机带动带齿轮的凸轮转动时，通过导环、导钉将运动传递给变倍、补偿镜组，通过导轨的导向作用，将凸轮的旋转运动转化为变倍、补偿镜组光轴方向的平行移动。 图１变倍、补偿镜组凸轮机构简图 Ｆｉｇ．１Ｃａｍｇｕｉｄｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｋｅｔｃｈｏｆ ｖａｒｉｆｏｃｕｓｉｎｇａｎｄｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ 图２凸轮结构图 Ｆｉｇ．２Ｓｋｅｔｃｈｏｆｃａｍｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ 凸轮圆周上开有两条空间曲线槽，通过这样的曲线轨迹实现确定的轨迹。其中一条为变倍用，一 条为补偿用。使变倍镜组移动时，补偿镜组做相应 万方数据
红外连续变焦镜头的结构设计 摘要：随着红外光学技术的长足发展及其实际应用范围的不断扩展，对红外连续变焦光学系统的需求日益增强。为了验证红外连续变焦镜头的变倍性能及其成像质量，根据某红外连续变焦镜头的光学设计特点，通过对其机械结构进行选型，最终采用不同形式的凸轮机构来实现红外变焦距镜头变倍、调焦过程，对凸轮机构、变倍导向机构、调焦机构等作了较详细的说明，并从机械设计的角度出发，对系统的杂散辐射提出了抑制措施。装调结果表明，采用凸轮机构、变倍导向机构可以实现红外连续变焦镜头的变倍及调焦过程，提出的杂散辐射措施可以有效地抑制系统的杂散辐射，提高镜头的成像质量。 关键词：红外连续变焦镜头；凸轮机构；导向机构；杂散辐射 中图分类号：TN216文献标识码：A文章编号：1672－9870（2009）01－0060－04 收稿日期：200801 作者简介：李永刚（1979
统，共有14片透镜，包括变焦物镜系统和二次成像系统。镜片数目的增加，有利于校正像差，可提高像质；二次成像系统的作用是为了减小物镜的直径同时保证100％的冷屏效率。 1.2变倍组导向机构选型 连续变焦镜头在连续变焦的过程中，光轴随着变倍和补偿镜组的位移始终在跳动，而光轴跳动量的大小直接影响系统的性能指标。所以变倍、补偿镜组的导向机构设计是此红外变焦距镜头结构设计的核心。变焦距镜头导向机构的种类很多，按接触摩擦性质可分成两大类：滑动摩擦机构和滚动摩擦机构。滑动摩擦机构是导轨与移动镜组之间采用滑动接触方式，滚动机构是导轨与移动镜组之间采用滚动方式［1］。常用的变倍机构有以下几种形式［2］： 1.圆柱导轨滑动机构。这种结构变倍精度高，径向结构尺寸小，适用于变倍和补偿组光学通光口径较小的结构。 2.两根圆柱导轨滑动机构。由于滑动部件为两根圆柱导轨，这种结构变倍精度高，承载的负荷也比第一种大。但是由于是超定位结构，光学通光口径太大，容易产生机构卡死现象，机构的径向尺寸也较大，一般适用通光口径30～80mm的结构。 3.三根圆柱导轨滑动机构。这种结构的优点是运动舒适、平稳，不容易产生卡死现象，可以带动通光口径较大的光学组件。缺点是运动精度较前两种低，一般适用通光口径50～120mm的结构。 滚动摩擦机构就是在上述滑动摩擦机构的基础上，加上精密轴承或者精密钢球等，来减小摩擦力矩，提高系统总体性能。 根据以上经验，本文选用两根圆柱导轨形式，并且在变倍、补偿镜组与圆柱导轨之间采用精密直线轴承配合，使该机构由滑动摩擦变为滚动摩擦。 1.3调焦机构选型 调焦组的作用是通过调焦机构，使调焦镜组沿光轴方向移动，以保证在远近不同距离上的物体，都能清晰地成像在像面上。因此，它的机构优劣直接影响到变焦距镜头的成像质量。 光学系统调焦机构大体有三种方式，一种是凸轮调焦［3］，一种是采用直线电机调焦［4］，另一种是丝杠丝母调焦。考虑到调焦系统行程短，通光口径比较大，如果采用丝杠丝母调焦或者直线推进调焦机构，对加工装配要求就很严格，而且很容易出现卡滞现象。而采用简单的凸轮机构实现调焦过程，可以避免上述的缺点。 2主要机械结构设计 2.1凸轮机构设计 由于补偿组作非线性移动，直接的直线驱动很难控制其与变倍组线性同步，而采用圆柱凸轮，由凸轮的旋转同时带动变倍、补偿镜组实现直线移动，可使得驱动控制简单易行。 凸轮机构是实现由电机旋转运动转化为变倍、补偿镜组沿光轴方向平移运动的执行机构，凸轮机构主要由带齿轮的凸轮、轴承环、导轨、导钉、导环等组成，结构简图如图1所示。当电机带动带齿轮的凸轮转动时，通过导环、导钉将运动传递给变倍、补偿镜组，通过导轨的导向作用，将凸轮的旋 转运动转化为变倍、补偿镜组光轴方向的平行移动。 图1变倍、补偿镜组凸轮机构简图 Fig.1Cam guide mechanism sketch of varifocusing and compensating 图2凸轮结构图 Fig.2Sketch of cam configuration 凸轮圆周上开有两条空间曲线槽，通过这样的曲线轨迹实现确定的轨迹。其中一条为变倍用，一条为补偿用。使变倍镜组移动时，补偿镜组做相应 李永刚，等：红外连续变焦镜头的结构设计 第1期61
中波红外连续变焦光学系统设计 尹 娜，孟庆超，齐雁龙，张运强 （中国空空导弹研究院，河南洛阳 471009） 摘要：针对中波红外制冷式凝视焦平面阵列探测器，探讨了红外连续变焦系统的设计方法，并在考虑红外吊舱使用要求的基础上，设计了结构紧凑、质量轻便的机械补偿5×连续变焦光学系统。该系统工作波段3～5μm，F#为2.0，变焦范围30～150mm，变焦轨迹短而平滑，且在全焦距范围内成像质量良好。系统由7片透镜组成，采用二次成像结构，在实现冷光阑效率100%的同时缩小了系统径向尺寸。关键词：吊舱；连续变焦；二次成像；冷光阑效率 中图分类号：TN216 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2009)12-0694-04 Middle Infrared Continuous Zoom Optical System YIN Na，MENG Qing-chao，QI Yan-long，ZHANG Yun-qiang (China Airborne Missile Academy, Luoyang Henan 471009, China) Abstract：The designing process of infrared continuous zoom system for cooling detector with staring focal plane array has been discussed and a mechanical compensation 5× continuous zoom optical system with compact size and low weight has been presented based on the requirements of pod-using. The spectral band of the system is 3～5μm. and F#is 2.0. It can realize 30～150mm continuous zoom with a short and smooth zoom path. In the whole zoom arrange it holds high image quality. The system has 7 lenses adopts secondary imaging structure. It has 100% cold shield efficiency and can reduce the radial size of the system. Key words：pod-using；continuous zoom；secondary imaging；cold shield efficiency 引言 近些年红外前视侦查、瞄准系统中越来越多的使用红外变焦系统，其中大视场用于在大范围内搜索目标，提高捕获概率，小视场分辨率较高，用于对目标进行识别、分析。目前多见的该类变焦系统为双视场变焦系统，这种系统结构简单，易于实现，但在两档切换的过程中会出现短时的目标模糊，影响探测跟踪的连续性[1,2]。基于上述现状，本文针对红外吊舱使用，设计了了一个用于中波红外制冷探测器的、结构紧凑、质量轻便、变焦曲线短而平滑的5×连续变焦光学系统。该系统在满足吊舱光学系统对空间、重量等因素的限制条件下，通过焦距连续变化，实现对不同视场目标成像，且在变焦过程中目标不会丢失。可以预见其在各种军事目标跟踪系统中应用前景广阔。 1 系统设计方案 1.1 原理分析 连续变焦光学系统是一种机械补偿变焦系统，机械补偿根据补偿镜组的光焦度正负分为正组补偿和负组补偿两种[3]。一般而言，若假设变倍组焦距取一样，正组补偿与负组补偿比较，正组补偿细而长，负组补偿短而粗，负组补偿二级光谱和光阑球差均比正组补偿大。对于小视场和对光阑球差、二级光谱要求较低的情况下，可选负组补偿；对于大视场光学系统，或焦距较长的大倍率光学系统，考虑需要的镜头通光口径和二级光谱小，采用正组补偿较好。本文系统设计参数要求最大视场±11.9°，通光孔径75mm，属视场和孔径偏大的系统，其色差和二级光谱较难校正，因此拟采用正组补偿结构形式进行系统初始结构计算。 本文系统采用的是中波红外制冷型探测器。与非制冷探测器相比，针对制冷型设计红外变焦光学系统还有其需要特别注意的地方：制冷型探测器本身携带的冷光阑决定了所设计的光学系统的出瞳位置和大小，这是由光学设计中光瞳衔接原则[4]决定的，满足该原则即满足所谓的冷光阑效率100%。否则，若冷 694
红外连续变焦镜头 一、基本原理 利用光学系统中两个或两个以上透镜组的移动，改变光学系统的组合焦距，同时保持像面位置不动，且在变焦过程中像质始终保持良好。 二、光学系统 机械补偿变焦系统：各运动组元按不同的运动规律作相对复杂的对应移动，最终达到防止像面移动的目的。机械补偿法变焦镜头：一组透镜做线性移动(通称变倍组)以改变焦距，另一组透镜(通称补偿组)作少量非线性移动以补偿像面位移，来达到光学系统既变倍而像面位置又稳定的要求。变倍组一般是负透镜组,补偿组有取正透镜组,也有取负透镜组的。补偿透镜组的移动与变倍透镜组的移动方向不同且不等速，但它们的相对运动却有严格的对应关系，各透镜组通过一个复杂的凸轮机构实现相对运动。这类变焦距镜头的焦距在一定范围内连续改变。 三、光学结构 机械补偿变焦距镜头，其光学结构由前固定组，变倍组，补偿组，后固定组组成。 1、前固定组：其作用是给系统提供固定的像； 2、变倍组：担负着系统的变倍作用，做线性移动以改变焦距； 3、补偿组：按一定的曲线轨迹作非线性运动，以补偿变倍组在变倍过程中所产生的像面移动；
4、后固定组：用于将补偿组的像转化为系统的最后实像，并调整系统的合成焦距值、设备孔径光阑，保证在变焦运动中系统的相对孔径不变。 四、连续变焦机构 主要由电机、齿轮、变倍凸轮、限位装置、导向销、变倍组、补偿组、导向机构等组成，其中，导向机构和变倍凸轮设计是连续变焦机构的核心技术。工作原理为：当产品需要进行变焦时，由控制系统发给电机变倍信号，电机驱动齿轮，由齿轮带动变倍凸轮进行运动，此时，变倍组和补偿组通过导向销在满足函数关系的两条凸轮槽中进行运动，实现变倍组和补偿组直线运动，当变倍组和补偿组移动到两个极限位置时，通过压力开关来控制驱动电机的工作。精密电位计在齿轮的驱动下随变倍凸轮一起转动，电位计随着变倍凸轮转角的不同输出不同的电压，通过对电压值的换算可以得到系统的对应焦距。 1、变倍组导向机构 （1）一根光杠导轨和滚珠丝杠组合机构。这种结构精度较高，由于变倍和补偿同时移动的轨迹不同，需要两套导向驱动机构，占用较大空间，控制系统设计也有难度。 （2）两根圆柱导轨滑动机构。由于滑动部件为两根圆柱导轨，这种结构变倍精度高，承载的负荷也比第一种大。但是由于是超定位结构，光学通光口径太大，容易产生机构卡死现象，机构的径向尺寸也较大。一般适用通光口径30—80 mm的结构。 （3）三根圆柱导轨滑动机构。这种结构的优点是运动舒适、平
第15卷 第7期 2007年7月 光学精密工程 Optics and Precision Engineering Vol.15 No.7 J ul.2007 收稿日期:2007201222;修订日期:2007203220. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.60471024) 文章编号 10042924X (2007)0721038206 中波红外连续变焦光学系统 郜洪云1,熊 涛2,杨长城2 (1.武汉理工大学,湖北武汉430070;2.华中光电技术研究所,湖北武汉430074) 摘要:针对制冷式320×240凝视焦平面阵列探测器,设计了一个中波红外连续变焦光学系统。该系统由变焦物镜系统和二次成像系统构成,包括7片透镜,引入一个非球面,并采用两个反射镜折叠光路。利用变焦系统原理和光学设计软件给出了系统的光学参数和外形结构图,并对其像质和冷反射进行了系统分析。该系统可以实现50～500mm 的连续变焦,工作波段为3.7～4.8μm ,满足100%冷光阑效率。结构紧凑,像质较好,变焦行程短,变焦轨迹平滑。关 键 词:红外光学系统;连续变焦;光学设计中图分类号:TN216 文献标识码:A Middle infrared continuous zoom optical system GAO Hong 2yun 1,XION G Tao 2,YAN G Chang 2cheng 2 (1.W uhan Uni versit y of Technolog y ,W uhan 430070,Chi na; 2.H uaz hon g I nstit ute of O ptoelect ronic Technolog y ,W uhan 430074,Chi na ) Abstract :For cool 320×240detector wit h staring focal plane array ,a middle inf rared continuous zoom a optical system was presented.The optical system using optical configuration of reflect mirror fold is composed of a zoo m object lens system and a secondary imaging system ,including seven lenses and two reflectors.Based on t he p ractical requirement and feat ure parameters of detector ,t he optical de 2sign parameters were given.U sing zoom system principle and optical design software ,t he schematic diagram ,modulatio n t ransfer f unction (M TF )curve ,spot diagram ,and Root Mean Square (RMS )value of t he spot diameter were investigated.Finally ,t he cold reflection ray 2t racing of short EFL end was st udied and t he correlative schematic diagram was also given.The result s indicate t hat t he optical system wit h 3.7～4.8μm spect ral region can realize 50～500mm continuous zoom and satisfy 100%cold shield efficiency.It has t he advantages of simple st ruct ure ,high image quality ,short zoom pat h and smoot h zoom locus.And moreover ,only one asp heric surface is adopted in t he system ,so t he system is in a low p rice and easy to machine and adjust. K ey w ords :infrared optical system ;continuous zoo m ;optical design