5倍變焦距光學(xué)系統(tǒng)小型化設(shè)計

王 紅，田鐵印

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所

光學(xué)系統(tǒng)先進制造技術(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)對空中運動目標的自動跟蹤與測量，目標通過光學(xué)系統(tǒng)成像于CCD靶面上，是跟蹤和測量飛行目標的主要手段之一。為保證跟蹤目標的距離和精度，采用長焦距、小視場;為保證目標的捕獲和觀察，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。因此，為了滿足對近距離目標的快速捕獲及對遠距離目標的精確跟瞄與監(jiān)視，在動基座上探測、識別動態(tài)目標，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)對目標的捕獲;通過連續(xù)變倍，在長焦距實現(xiàn)對目標的高精度跟蹤［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)指標要求，采用機械補償法設(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、補償組移動準確，滿足高斯光學(xué)系統(tǒng)各焦距位置嚴格齊焦的前提下，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)計的準確性、合理性。

2 主要技術(shù)指標

為了提高彩色連續(xù)變焦距的探測與識別目標的能力，需要選擇小像元尺寸的探測器，以更好地滿足遠距離目標探測和識別。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)補償、雙組聯(lián)動及全動、機械補償4種結(jié)構(gòu)。

(1)對于光學(xué)補償方式實現(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)機械補償系統(tǒng)可以通過精密凸輪帶動運動組元進行準確移動，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。

機械補償分為正組補償和負組補償兩種形式。對于兩個移動組元的機械補償法變焦鏡頭，正組補償和負組補償兩種結(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)正組補償結(jié)構(gòu)細而長，負組補償結(jié)構(gòu)粗而短。

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

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

3.2 小型化考慮

減小變倍組和補償組的焦距是實現(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。

當長焦時設(shè)計為遠攝型，通過增加前固定組與變倍組之間的距離(相當于正光焦度的前組與負光焦度的后組之間的距離適當增大)減小遠攝比，這樣在保證各組元相對孔徑不變的前提下，縮短變倍組和補償組的焦距，在縮短導(dǎo)程和補償量的同時，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;補償組焦距為23.420 mm;導(dǎo)程為 20.394 mm，補償量為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光束像差，利用補償組校正中焦距的軸上點像差，使長、中、短焦距像差相等，利用后固定組相補償。

應(yīng)用CODEⅤ進行變焦距結(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，滿足性能指標要求。

4 測試結(jié)果

光學(xué)系統(tǒng)完成加工、裝調(diào)后進行傳遞函數(shù)測量。采用Optikos Corporation成像分析系統(tǒng)進行光學(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。本文采用機械補償法設(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)指標要求。目前已通過飛行試驗驗證，具有較強的工程實用性。

［1］ 田海霞，楊建峰，馬小龍.可見光變焦距電視光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計［J］.光子學(xué)報，2008，37:1797-1799.

TIAN H X，YANG J F，MA X L.Optical system design of visible zoom camera［J］.Acta Photonica Sinica，2008.37:1797-1799.(in Chinese)

［2］ 王平，張葆，程志峰，等.變焦距鏡頭凸輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計［J］.光學(xué) 精密工程，2010，18(4):893-898.

WANG P，ZHANG B，CHENG ZH F，et al..Optical design of cam structure of zoom lens［J］.Opt.Precision Eng.，2010，18(4):893-898.(in Chinese)

［3］ 蔡偉，張新，馮秀恒，等.變焦距系統(tǒng)的變倍補償方式［J］.光學(xué) 精密工程，2011，19(9):2063-2071.

CAI W，ZHANG X，F(xiàn)ENG X H，et al..Compensating mode for zoom system［J］.Opt.Precision Eng.，2011，19(9):2063-2071.(in Chinese)

［4］ ， ， . ［J］. ，2007，15(7):1038-1043.GAO H Y，XIONG T，YANG CH CH.Middle infrared continuous zoom optical system［J］.Opt.Precision Eng.，2007，15(7):1038-1043.(in Chinese)

［5］ 左保軍，況耀武.紅外/激光雙模導(dǎo)引頭的光學(xué)系統(tǒng)［J］.紅外與激光工程，2009，38(3):495-499.

ZUO B J，KUANG Y W.Optical design of the IR/laser dual-mode seeker［J］.Infrared and Laser Eng.，2009，38(3):495-499.(in Chinese)

［6］ 趙學(xué)顏.變焦距跟蹤測量的應(yīng)用［J］.裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2000，2:9-12.

ZHAO X Y.Application for changing focal length in the process of tracking measurement［J］.J.Institute of Command and Technology，2000，2:9-12.(in Chinese)

［7］ 趙陽，鞏巖，胡宜寧.變焦距光學(xué)系統(tǒng)降低公差靈敏度的方法［J］.光電工程，2009，36(7):121-125.

ZHAO Y，GONG Y，HU Y N.Method of tolerance sensitivity reduction of zoom optical system［J］.Opto-Electronic Eng.，2009，36(7):121-125.

［8］ FISCHER R E.Optical System Design［M］.New York:McGraw-HILL，Inc，2000.

［9］ SMITH W J.Modern Optical Engineering:The Design of the Optical System［M］.New York:McGraw-HILL，Inc，1990.

［10］ 張曉輝，韓昌元，潘玉龍.傳輸型CCD相機綜合像質(zhì)評價方法的研究［J］.紅外與激光工程，2008，37(4):697-701.

ZHANG X H，HAN C Y，PAN Y L.Evaluation of general image quality of transfer optical remote sensing CCD camera［J］.Infrared and Laser Eng.，2008，37(4):697-701.(in Chinese)

［11］ 史光輝.長焦距大視場折反射系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計［J］.光學(xué)學(xué)報，1991，11(7):651-655.

SHI G H.Optical design of catadioptric lenses with long focal length and wide field of view［J］.Acta Optica Sinica，1991，11(7):651-655.(in Chinese)

［12］ 李零印，王一凡，王驥.靶場光學(xué)測量中的變焦距光學(xué)系統(tǒng)［J］.中國光學(xué)，2011，4(3):240-246.

LI L Y，WANG Y F，WANG J.Varifocal optical system to optical measurement of shooting range［J］.Chinese Optics，2011，4(3):240-246.(in Chinese)

［13］ 徐亮，趙建科，周艷，等.長焦距、大視場空間觀測相機光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計［J］.光學(xué)與光電技術(shù)，2010，8(6):64-66.

XU L，ZHAO J K，ZHOU Y，et al..Optical design of the space observation camera with long focal length and wide field of view［J］.Optics Optoelectronic Technology，2010，8(6):64-66.(in Chinese)

［14］ 楊振剛，陳海清.紅外光學(xué)系統(tǒng)焦距測量的研究［J］.光學(xué)與光電技術(shù)，2011，9(6):33-35.

YANG ZH G，CHEN H Q.Infrared optic systems focus measurement［J］.Optics Optoelectronic Technology，2011，9(6):33-35.(in Chinese)