红外连续变焦镜头的结构设计
非制冷长波红外连续变焦镜头的结构设计
非制冷长波红外连续变焦镜头的结构设计一、综述红外成像技术是流行的非计算机视觉技术，正在大量用于例如红外热成像，安全，飞行控制，火灾监控，环境控制等视觉和视觉检测应用。
之前，因为红外图像拍摄和检测的高成本，导致这种技术仅被工业上的大型企业使用，通常用于海洋航行或极端条件下的军事视觉应用。
随着红外传感器技术和镜头结构的发展，迅速变得易于获取和使用，并因此在新的市场上得到更多应用，如农业，野外数据采集，安全监控以及自动化过程等。
红外图像的拍摄和检测要求对焦镜头的精确控制，因此，对红外连续变焦镜头的结构设计就成为红外图像成像的关键。
本文将介绍一种非制冷长波红外连续变焦镜头的设计，以及其优点和不足。
二、结构设计结构分析1、镜片组合：本双筒望远镜采用具有较好长波红外能谱性能的塔可马多特（Takumar）非球面宽频镜片组合，由3片前片，3片后片组成，其镜片的绝对曲率介于-0.1与0.1mm-1之间，偏置角度α=2°，衍射清晰度（也称为迪氏指数，D-index），性能在视场角40°和76°时分别达到2.18与1.0。
2、镜筒：采用一种标准的镜筒结构，内径58mm，长182mm，横断截面为圆柱形，采用聚碳酸酯（PC）和四氟乙烯（PTFE）等新型热塑性材料构成，结实耐用，无污染。
3、连续变焦：采用一种新型的连续变焦结构，利用线性电机（dMc），反向闭环控制，精度可达到0.1px，避免折射变形，从而实现变焦功能，通过此功能可以满足条件变化时的变焦需求，以及多角度的图像拍摄和复杂元件检测需求。
三、优点与不足1、优点：（1）采用非常高的绝对曲率来获得良好的衍射清晰度，能提供良好的图像画面；（2）长波红外能谱性能良好；（3）抗震性、耐热性也较强；（4）精度可达0.1px，实现非常小的变焦变化；（5）高可靠性，能够在极端条件下正常工作2、不足：（1）复杂的结构设计，配件原料更复杂，成本和时间投入会更高；（2）聚碳酸酯和四氟乙烯等材料价格偏高；（3）极端环境下使用寿命较短。
中波红外连续变焦系统设计
中波 红 外连 续 变 焦 系统 设计
杨为锦 ， 强 孙
（． 科学院 长春光学精密 １ 中国 机械与物理研究 吉林 长春 １ ０３ 所， ３ ３； ０ ２ 中国 ． 科学院 研究生院， １０４） 北京 ００９
摘要 ： 基于制冷型 ３０Ｘ ４ ２ ２０凝视焦平 面阵列探测器 ， 设计 了一套高 变倍 比中波红外连续变焦光学 系统 ， 于机载光 电探 用 测和跟踪设 备。该 系统 由变焦物镜 系统 、 二次成像 系统 和两个反射镜构成 。介绍 了二次成像系统光瞳衔接 的方法 ； 通过 光学软件给出 了 系统 结 构 及其 参 数 ， 对 系 统 的像 质 和那 喀索 斯 效 应 进 行 了分 析。测 试 结 果 表 明 ， 并 系统 实 现 了 １ ２ ０ｍ／ １～ ０ ／ ／ 的连续变焦 ， 变倍 比为 １ Ｆ数为 ３ 工作波段 为 ３—５ ｍ， ８×， ， 满足 １０ ０ ％冷 光 阑效率 ， 空间频率 １ ／ ｍ 在 ６ｌ ｍ ｐ
处的 ＭＴ Ｆ值 ＞ ． ； ０ ６ 具有热灵敏度高 、 像质好 、 分辨率高等特点 ， 满足了设计 的要求。
关 键 词 ： 续 变焦 ； 外 系统 ； 瞳衔 接 ； 学 系统 连 红 光 光 文 献标 识码 ： Ａ 中 图 分 类 号 ：Ｎ １ Ｔ ２６
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｉ ｄ ｅ ｉ ｆ ａ ｅ ｏ ｔｎ ｏ ｓ ｚ ｏ ｙ ｔ ｍ ｓｇ ｆｍ ｄ ｌ ｎ ｒ ｒ ｄ ｃ ｎ ｉ ｕ ｕ ｏ ｍ ｓ ｓｅ
Ａｂｓｒ ｃ ｔ ａ ｔ：Ｏｎ ｔ ａ ｉ ｆａ ｃ ｏ ２ ４ ｅｅ ｔｒ ｗｉｈ ｓａ ｉ ｇ ｆ ｃ ｌｐ ａ ｅ ａ ｒｙ，ａ ｓ ｔｏ ｄ ｌ ｎｒ ｒ ｄ ｈｅ ｂ ｓｓ ｏ ｏ ｌ３ ０ Ｘ ２ ０ ｄ ｔ ｃｏ ｔ ｔｒｎ ｏ ａ ｌ ｎ ｒａ ｅ ｆ ｍｉ ｄ ｅ ｉｆａ ｅ ｃ ｎ ｉ ｕ ｕ ｏ ｍ ｙ ｔｍ ｓｄ ｓｇ ｅ ｏ ｉｂ ｒ ｅ ｏ ｔ ｅｅ ｔｏ ｉ ｅｅ ｔｏ ｎｄ ｔａ ｋ ｎ ｐ ａ ａｕ ．Ｔ ｅ ｓ ｓｅ ｉ ｏ ｔｎ ｏ ｓｚ ｏ ｓ ｓｅ ｉ ｅ ｉｎ ｄ ｆｒａｒ ｏ ｎ ｐ ｏ ｌ ｃｒ ｎ ｃ ｄ ｔ ｃｉｎ ａ ｒ ｃ ｉ ｇ ａ ｐ ｒ ｔ ｓ ｈ ｙ ｔ ｍ ｓ
大面阵中波红外连续变焦光学系统设计
大面阵中波红外连续变焦光学系统设计骆守俊;何伍斌;李文虎;徐明轩【摘要】A mid-wavelength continuous zoom optical system was presented for a staring Focal Plane Array(FPA) infrared detector by cooling assembly. The optical system with an optical configuration of reflect mirror fold was composed of a zoom object lens system and a secondary imaging system including seven lenses and two reflectors. On the basis of zoom principles, the systemic structure and design parameters were given by using special optical design software, then the schematic diagram and imaging quality were investigated. Finally, the performance and indexes of the system were verified. The results indicate that the system can offer a 50-500 mm continuous zoom and 100% cold shield efficiency. Moreover, the Modulation Transfer Function (MTF) in whole fields at Nyquist frequency is over 0. 35 and the whole field distortion is below 2%. These results show that the system is characterized by high resolution, thermal sensibility,excellent images and smooth zoom locus.%针对制冷式大面阵640×512凝视焦平面阵列探测器,设计了一套中波红外连续变焦光学系统.该系统由变焦系统和二次成像系统构成,包括7片透镜和2个反射镜组成的折叠光路.首先,根据变焦原理和专业光学设计软件给出了系统结构及其参数.然后,分析了系统的像质和冷反射效应.最后,验证了系统的性能指标.结果表明:该系统可以实现50～500 mm的连续变焦,变焦过程中目标景物始终清晰可见;系统在耐奎斯特频率处的全视场光学传递函数大于0.35,全视场畸变小于2％,无冷反射现象;具有分辨率高、热灵敏度高、像质好、变焦轨迹平滑等特点,基本满足设计要求.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2012(020)010【总页数】6页(P2117-2122)【关键词】红外光学系统;连续变焦;大面阵探测器;光学设计【作者】骆守俊;何伍斌;李文虎;徐明轩【作者单位】华北光电技术研究所,北京100015;华北光电技术研究所,北京100015;华北光电技术研究所,北京100015;华北光电技术研究所,北京100015【正文语种】中文【中图分类】TN2161 引言红外成像系统以被动工作方式，具有抗电子干扰、隐蔽性好、图像直观、易于观察、精度高、低空探测性能好等优势，在警戒、侦察、地面防空和制导等军事领域中得到了广泛应用，从而受到各国相关研究机构及人员的关注［1－3］。
红外光学镜头设计方案
光学系统设计方案设计参数：1) ICCD分辨率：1248х10242) 像元尺寸：6μmх6μm3) 靶面尺寸：7.48mmх6.14mm4) 系统焦距：1500mm5) F数：3.756) 波段范围：450nm～800nm系统初步设计如下：口径Ф400mm，系统长度500mm。
光路二维图如下图所示。
系统为折返射式光学系统，前部采用施密特矫正镜，后端采用卡式系统，达到减小系统尺寸的目的。
图 1 光学系统二维图图 2 光学系统三维图图 3 光路剖视图表 1线视场分析距离（km） 1 5 10 30线视场（m）5×4.125×20.550×41150×123图 4系统球差及场曲曲线系统传递函数曲线如下图所示，根据探测器像元尺寸，MTF截频计算至83lp/mm处，从下图可以看出，系统MTF在100lp/mm处，水平最大视场及垂直最大视场均高于0.5，对角线视场MTF高于0.5。
图 5 系统MTF曲线系统弥散圆的大小如下图所示，弥散圆表示点源物体经过系统后的发散情况，其半径越小、能量越集中，说明成像质量越好。
通常接近衍射极限的系统弥散圆直径小于接收器的单个像素值。
本系统采用的探测器像元尺寸为6μm，系统的弥散圆直径最大值为3.8μm，说明系统的成像质量接近衍射极限。
图 6畸变网格及畸变曲线系统的畸变网格和畸变曲线如下图所示，畸变的大小能直接反映出系统图像的变形情况，从下图中可以看出，系统的最大畸变小于0.01%，图像变形肉眼无法分辨。
图 7畸变网格及畸变曲线系统成像的二维仿真效果如下图所示，左图为目标图像，右图为经系统后所成图像，从图中可以看出，系统成清晰倒像。
图 8二维成像仿真公差分析镜头最终的成像质量受到材料、加工、装配等各方面的影响，为保证系统最终获得良好的成像质量，设计时应充分考虑系统各部分的公差分配，使材料、加工及装配的误差均在可接受的范围内，避免某类误差过大使最终的成像质量下降过多。
25倍中红外连续变焦光学系统设计_周昊
光 学 学 报 ＡＣＴＡ ＯＰＴＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．４ Ａｐｒｉｌ，２０１２
２５倍中红外连续变焦光学系统设计
周 昊１，２ 刘 英１ 孙 强１
（ ） １ 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 １３００３３ ２ 中国科学院研究生院，北京 １０００４９
图１ 光学系统原理图 Ｆｉｇ．１ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ
２．１ 变 焦 系 统 连续变焦系统需要满足系统焦距连续改变和像
面位置保持稳定这两个条件。机械补偿式连续变焦 系统可以通过变倍组和补偿组的移动来实现这两个 要求。为了提高变 焦 系 统 的 变 焦 比，采 用 两 个 机 械 补偿式变焦系统串联的方式来组成一个变焦系统， 其原理如图２ 所 示。 各 透 镜 组 的 焦 距 不 变，三 个 固 定组 Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３ 的 位 置 保 持 固 定。 通 过 两 个 变 倍 组（ｚｏｏｍ）Ｍ１、Ｍ２ 和两个 补 偿 组 （ｃｏｍｐ）Ｃ１、Ｃ２ 的 移
就是要保证 冷 光 阑 效 率 １００％，除 此 之 外 二 次 成 像
系统还可以起到压缩物镜口径的作用。光学系统原
理如图１所示：无穷 远 物 体 经 变 焦 系 统 成 像 在 一 次
像面Ｉ１ 处，一 次 像 面Ｉ１ 再 经 二 次 成 像 系 统 成 像 在
二次像面Ｉ２ 处。 用 ｆｚ 表 示 变 焦 系 统 的 焦 距，βｒ 表 示一次像面经二次 成 像 系 统 成 像 时 的 放 大 倍 率，则
０４２２００１－１光 学 学 报２ Nhomakorabea设计原理
本文所设计的中波红外连续变焦光学系统由变
连续变焦红外热像仪结构设计及装调工艺研究
连续变焦红外热像仪结构设计及装调工艺研究
石彰;贺媛;潘栋
【期刊名称】《激光与红外》
【年(卷),期】2024(54)3
【摘要】本文研究了连续变焦红外热像仪的结构设计和装调工艺。
在设计阶段进行了振动、冲击仿真分析。
提出了连续变焦组件的光机装调工艺方法。
搭建了小视场与安装基准偏轴度的测量方法。
完成了该红外热像仪的光轴一致性检测和光轴稳定性验证试验。
检测和试验验证结果表明各项关键机械性能指标优良,证明该红外热像仪的整机系统结构设计满足工程化应用需求。
【总页数】7页(P404-410)
【作者】石彰;贺媛;潘栋
【作者单位】中电科光电科技有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TH702;TN216
【相关文献】
1.20×长波红外连续变焦热像仪光机系统设计
2.用于160×120元非制冷热像仪的红外连续变焦镜头
3.减小连续变焦红外热像仪中光轴漂移的方法研究
4.机载红外热像仪(连续变焦红外热像仪)
5.一种长焦大变倍连续变焦光机组件结构设计及装调
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连续变焦镜头焦距输出结构的设计
（ ｈ ｎ ｃｕ ｎｔｕ ｐｉ ， ｉ ｃａ ｉ ｎ ｈｓ ｓＣ ｉ ｓ Ｃ ａ ｇ ｈ ｎＩｓ ｔｔ ｏ Ｏ ｔｓＦ ｎ Ｍｅｈ ｎ ｓａｄ Ｐ ｙｉ ， ｈｎ ｅ பைடு நூலகம் ｅｆ ｃ ｅ ｃ ｃ ｅ Ａ ａ ｅ ｙｏ ｉ ｃ ， ｈ ｎ ｃ ｕ ３ ０ ３ Ｃ ｉａ ｃｄｍ Ｓ ｅ ｅ Ｃ ａ ｇｈ ｎ１０ ３ ， ｈｎ ） ｆ ｃｎ
第 ３卷
第 ６期
中 国光 学 与 应 用 光 学
Ｃｈ ｎ ｓ ｏ ｒ ａ ｆＯｐ ｉ ｓａ ｄ Ａｐ ｌｅ ｔｃ ｉ ｅ ｅ Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｔ ｎ ｐ ｉｄ Ｏｐ ｉｓ ｃ
Ｖｏ ． Ｎｏ． １３ ６
Ｄｅ ． ０１ ｃ２ ０
２１ ０ ０年 ｌ ２月
文章编号
行 固定连接来保证镜组 的移动量直接反馈为位移传感器 的电压值 。与传统的通过齿轮传动将焦距变化反馈 到旋转 电位 器 的结构相 比 ， 该结构消除 了由齿轮传 动 的空 回、 凸轮带 动钉 的间隙 以及 电位 器 的误 差值 等带来 的影 响。精度 分析 表 明， 采用 这种高精度的直线位移传感器 ， 加在其上的 电压 的变化可 直接换算 成焦距的变化 ， 因此提高了焦距 输出的精度。
ｚ ｏ ｌ ｎ ，Ｓ ｈ ｔｔ ｅ ｍｏ ｉｎ ｖ ｌ ｅ ｆｚ ｏ ｌ ｎ ｓ ｄ ｒ ｃｌ ｏ ｍ ｅ ｓ Ｏ ｔ ａ ｈ ｔｏ ａ ｕ ｓｏ ｏ ｍ ｅ ｓｗａ ｉｅ ｔｙ￣ｅ ｅ ａ ｋ ｔ ｈ ｏ ｔｇ ｆｌ ｉｐ ａ ｅ ｎ ｄ ｄ ｂ ｃ ｏ ｔ ｅ ｖ ｌａ ｅ ｏ ｉ ｄ ｓ ｌｃ ｍｅ ｔ ｎｅ ｓ ｎｓ ｒ ｅ ｏ ．Ａｓｃ ｍｐａｅ ｔ ｒ ｄ ｔ ｎ ｌｍｅ ｈ ｎ ｓ ｓｒ ｃｕ ｅ ｔａ ｈ ｏ ａ —ｅ ｇｈ ｗａ ａｃ ｌ ｔｄ ｂ ｈ ｅａ ｉｎ ｏ ｏ ｒ ｄ ｗｉ ｔａ ｉ ｏ ａ ｃ ａ ｉｍ ｔｕ ｔｒ ｈ ｔｔｅ ｆ ｃ ｌｌ ｎ ｔ ｓｃ ｌ ｕ ａｅ ｙ ｔ ｅ ｒ ｌｔｏ ｆ ｈ ｉ
红外连续变焦镜头
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。
offner型连续变焦中波红外光谱成像系统设计
第7期
红外与激光工程
第48卷
0引言
红外光学系统具有隐蔽性好、抗干扰能力强以 及在一定程度上能够识别伪装目标等特点"役光谱 成像技术是光谱分析技术和图像分析技术发展的必 然结果，是二者完美结合的产物，光谱成像技术不仅 具有光谱分辨能力，还具有图像分辨能力，利用光谱 成像技术不仅可以对物体进行定性和定量分析，而 且还能进对其进行定位分析131 o连续变焦中波红外 光谱成像系统更被广泛应用在大气科学、地质、天 文、生态和海洋等学科，其在识别目标、资源调查、精 细农业和生物医学等众多领域也具有广泛的应用前 景。另外由于连续变焦距光学系统可以在连续变焦 过程中，在无需调整系统的位置情况下始终保持像 面上接收到的目标物体的清晰图像，避免丢失快速 运动的目标，是红外成像系统同时解决大视场搜索 目标和小视场观察目标的最佳选择，所以若把连续 变焦距光学系统与光谱成像系统相结合，将变焦光 学系统应用到光谱成像系统当中 ，就可以更有效地 提高系统的探测效率一"。
摘 要：为了适应不同视场光谱仪的应用需求，设计了一款offner型连续变焦中波红外光谱成像系
统。该系统引入前置变焦系统实现60-300 mm范围连续变焦，同时采用光栅型offner同心结构进行
光谱分光及成像，系统工作波段为3~5 |xm,选用制冷型红外探测器，系统F#=4.0o根据物像交换原则
及光焦度分配原则对前置变焦系统和中继系统的初始结构进行了计算，并应用zemax软件对各子系
Abstract: In order to adapt to the application requirements of different field of view spectrometers, a continuous zoom medium-wave infrared spectrum imaging system based on offner scheme was designed. The front zoom system to achieve continuous zoom in the range of 60 -300 mm was introduced in the system, and a grating -type offner concentric structure was used for spectral splitting and imaging. The working band was 3-5 |xm, the cooled medium -wave infrared detector was used, the F#=4.0 in this system. According to the object image exchange principle and the power distribution principle, the initial structure of the front zoom system and the relay system were calculated, and the zemax software was used to optimize each subsystem to meet the design parameters. The modulation transfer function of the final continuous zoom medium-wave infrared spectrum imaging system based on offner scheme was close to the diffraction limit at a spatial frequency of 33 lp/mm, and the root mean square radius of the spot was smaller than one pixel. The design results show that the system structure is simple, and the image quality is good and meets the design indicator requirements at each focal length position and each spectral segment. Key words: spectral imaging; continuous zoom; medium wave infrared system;
20×长波红外连续变焦光学系统设计
量子 阱探 测器 由于具 有均 匀性好 、成本低 、性能 高、多色 、可生产 大列 阵等优 点 ，获 得 了广 泛 关注和 迅 猛发展 【 】 ３ 。目前在 美 国和欧 洲等先 进 国家 ，量子 阱 ， ４
焦 平 面 已发 展成 为长 波 制 冷 型焦 平 面 器 件 的两 大 主
要 分支 之一 ，许 多国家纷 纷研 制 出了基 于不 同规模 量 子 阱探 测 器 的热 像 仪 产 品 。 如Ｆ Ｉ Ｌ Ｒ系 统 公 司 的 Ｔ ｅ Ｖｉｏ Ｔ ０ ０ ｈ ｍ ｏ ｉｎ Ⅵ３ ０ ｈｒ ｍｏ ｓ ｎ ２ ０ ，Ｔ ｅ Ⅵｓ ¨ ０ ０热像 仪 ， ｉＭ ０
优点，并用Ｚ ＭＡ 光学设计软件进行 了仿真计算和像质评价，在奈奎斯特频率 ２ ／ ｍ处，系统全 Ｅ Ｘ ０ｌ ｍ ｐ 焦距范围内的ＭＴ 接近衍射极限。 Ｆ 关键词：红外光学系统；连续变焦；量子阱焦平面探测器；光学设计 中图分 类号 ：Ｔ １ Ｎ２ ６ 文献标 识码 ：Ａ 文章编 号 ：１ ０ —８ １２ １ ）８０ ５ ．５ ０ １８ ９ （０ ２０ ．４ ８０
ｌ ｎ ｔ ｓｃ ｎ ｉ ｕｏ ｌ ｈ ｎｇ ａ ｌ ｏ ｍ ． ｏ ３ ７ｉ ／． ｅ ｓ ｓｅ ｃ ｎｓｓｓｏ ｃ ｎ ｃ ｌ ｏ ｅ ｇ ｈ ｉ ｏ ｔｎ ｕｓｙ ｃ ａ ｅ ｂ ｅ ｆ ｒ １ ５ ｔ ６ １ Ｔｈ ｙ ｔ ｍ ｏ ｉｔ ｆａｍｅ ｈａ ｉ ａ ｌ ｃ ｍｐｅ ａｅ ８ ｎｌ ｙ ｎｓ ｔｄ
ｆ ｃ ｌ ｐ ｒ ａ ｈｅ ｈ ｆｒ ｃ ｉ ｅｌｍｉ ｔ ｈｅＮｙｑ ｉｔｆｅ ｕｅ ｙ ｏ ０ｌ ／ ｏ ａ ｐ ｏ ｃ ｓｔ ｅｄｉｆａ ｔｖ ｉ ｔ ａ ａｔ ｕ ｓ ｑ ｎｃ ｆ２ ｍｍ ． ｒ ｐ
Ｋｅ ｒ ｓ ｎｒｒｄｏ ｔ ａ ｓｓ ｍ，ｃ ｎｉｕ ｕ ｏ ｍ，Ｑ Ｐ ｐｉ ｌ ｅｉｎ ｙｗｏ ｄ ：ｉｆ ｅ ｐｉ ｌ ｙｔ ａ ｃ ｅ ｏｔ ｏｓ ｏ ｎ ｚ ＷＩ ，ｏ ｔ ａ ｄ ｓ ｃ ｇ
红外连续变焦镜头的结构设计
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。
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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
万方数据
第１期李永刚．等：红外连续变焦镜头的结构设计６３
小，然后设置一孔径光栏，其大小与光学孔径光阑头的变焦过程。
的像相同，位置放在光学孔径光阑的像面处，使得
孑Ｌ径光栏前的所有非成像物体都不能被像面看到，
而在孔径光栏到像面之间的诸多表面则可见，这样
系统的表现就会得到改善；与孔径光栏相反，设置
一视场光栏，其大小与光学视场光阑的像相同，位
置放在光学视场光阑的像面处，使得视场光栏后的
镜筒表面不能从视场外的物空间看到，即视场光栏
限制了被照射表面的面积。
按上述原则给镜头加入
光栏后，即不降低像面照度，也不减小视场，更不
会引起渐晕，但却可以有效地抑制杂散辐射。
图４
（ａ）为没有加光栏之前的图像，（ｂ）为加光栏之后的图
像，可以看出，图像质量明显有所提高。
图４光栏对系统杂散辐射的影响
Ｆｉｇ．４Ｅｆｆｅｃｔｏｆｓｔｏｐｏｎｓｔｒａｙｒａｄｉａｔｉｏｎ
其次，在镜筒的内表面加工出若干条０．３５ｍｍ宽的齿纹，并且镜筒经过染黑处理，利用镜筒内壁对杂散辐射的散射和吸收，从而对到达像面的杂散辐射能量进行有效衰减，达到抑制杂散辐射的目的。
或者光机结构表面采用消杂光涂料，以利用涂料的表面粗糙度和多孔性散射和吸收杂散光，也是消除杂散辐射的有效途径。
４装调后镜头的检测与成像
对装调好的红外镜头进行光学检测，结果表明，变倍过程中光轴晃动量小于１’。
对一景物进行实时成像，可以看出，该系统在从长焦到短焦的变化过程中成像连续清晰，目标与背景的对比度比较鲜明，高、低温，振动环境下变倍、调焦机构运转正常，满足一般情况下的使用。
图５为装调后镜
图５装调后红外镜头的变焦过程Ｆｉｇ．５Ｚｏｏｍｐｒｏｃｅｓｓｏｆｉｎｆｒａｒｅｄｚｏｏｍｌｅｎｓ
当然，由于系统采用透射式光路，且镜片数目很多，从而造成红外镜头整体的透过率不是很高，使得其成像质量不如定焦或者两档红外镜头的成像质量高。
不过作为对红外连续变焦镜头的一次尝试探索，其结果对红外变焦镜头的进一步研究还是有很大的指导意义。
５结论
欲验证红外连续变焦镜头的变倍性能及成像质量，设计一套精密的、满足性能指标要求的、安全可靠的、适用的变倍、调焦机构是必要的。
经过初步的实验证明，本文采用的凸轮机构、导向机构均获得了较好的结果，能很好地达到所需要的目的，并具有很好的可靠性。
抑制杂散辐射措施切实可行，为以后进一步完善红外连续变焦镜头的各项性能指标打下了坚实的基础。
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