可見光變焦鏡頭結構優(yōu)化設計

程志峰，李 明，程 欣

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所

中國科學院航空光學成像與測量重點實驗室，吉林長春130033)

1 引言

現代光電跟蹤偵察平臺被廣泛應用于各種海、陸、空光電火控偵察系統(tǒng)，其裝載系統(tǒng)中的有效載荷多以紅外或可見光鏡頭為主。為了滿足戰(zhàn)場發(fā)現、識別和跟蹤的需要，鏡頭普遍采用連續(xù)變焦系統(tǒng)。由于受材料結構、制造工藝、環(huán)境溫度和安裝方式等方面的影響，連續(xù)變焦的光軸一致性很難保證。光軸偏移量的大小直接影響設備的指向精度，因此有必要對高低溫工況下的光軸變化進行定量的估算［1-3］。

UG是美國UGS公司發(fā)布的CAD/CAE/CAM一體化的三維參數化設計軟件，它在航空航天、汽車、通用機械等領域有著廣泛的應用。UG提供了一個基于過程的產品設計環(huán)境，使產品的開發(fā)設計、加工和分析實現了數據的無縫集成。該軟件不僅具有強大的實體造型、曲面造型、虛擬裝配和產生工程圖等設計功能，而且在設計過程中可以進行有限元分析、機構運動分析、動力學分析和仿真模擬，提高了設計的可靠性［4］。

本文根據變焦鏡頭的光學設計結果，初步確定鏡頭的光機結構初始方案。對初始方案中影響光軸偏移量的主鏡筒及其安裝基座的安裝方式進行了有限元仿真。利用UG的CAE模塊預估鏡筒自身的變形量，進而間接估算出光軸偏移量。最后對不同的安裝方式進行了優(yōu)化，依據優(yōu)化結果確定了最終的安裝方式。對鏡頭實物進行了振動試驗和光學傳遞函數檢測，振動試驗結果表明:結構動力學特性良好;光學傳遞函數檢測結果表明:光學系統(tǒng)成像質量良好，可滿足指標要求［5］。

2 光學鏡頭結構設計方案

通常，變焦光學鏡頭由物鏡組件、變倍組件、補償組件及后固定組件等幾部分組成，這些組件均裝在同一個主鏡筒內，主鏡筒作為主要支撐零件通過安裝架安裝在安裝基面上，因此，主鏡筒隨溫度的變化將直接導致光軸的變化。如果主鏡筒及其安裝架采用不同的安裝方式，光軸產生的變化量將有所不同，同時對整個系統(tǒng)的光學成像質量也產生直接的影響。

依據光學設計的初步方案，本文對系統(tǒng)進行了初步的光機結構設計，如圖1所示。主鏡筒和安裝架均采用常規(guī)的鋁合金材料，系統(tǒng)工作溫度(－40～+55℃)較寬，安裝架結構形式的確定對光軸晃動量有著顯著的影響［6-7］。

圖1 光機結構初步方案Fig.1 Preliminary scheme of optomechanical structure

3 主鏡筒及其安裝架結構優(yōu)化設計

3.1 模型的建立［8-9］

利用UG建模模塊建立主鏡筒及其安裝架模型，再利用NX/Natran高級仿真模塊對此模型進行合理的簡化，并移除不重要的特征以簡化分析計算，主鏡筒及其安裝架理想化模型如圖2所示。

圖2 主鏡筒及其安裝架理想化模型Fig.2 Idealized model of drawtube and its bracket

3.2 劃分網格

單元網格的類型是10節(jié)點四面體網格，全局網格單元大小為9.5 mm，在零件中單元總數為8 515個，節(jié)點總數為17 995個。劃分網格后的模型如圖2所示。鏡頭主要結構參數如表1所示。

表1 鏡頭主要結構參數Tab.1 Main structural parameters of lens

3.3 定義材料

選擇材料庫中的金屬ALUMINUM_2014，其材料相應默認屬性如表2所示。

表2 材料屬性Tab.2 Material properties

3.4 施加溫度載荷、邊界條件并分析解算

情況1:

(1)溫度載荷

初始溫度為20℃，對各表面施加－40℃溫度載荷。

(2)邊界條件

坐標系定義:

X軸正方向為垂直于安裝基面向外，Y軸正方向為沿光軸方向，按右手定則確定Z軸方向。

圖3 位移變形圖Fig.3 Diagrams of displacement distortion

主鏡筒前后兩端沿X向和Z向的變形量不一致將直接導致光軸的變化。

對主鏡筒安裝架前端側面兩定位面進行約束，其中一個為固定約束，另一個僅限制X方向的平動。

(3)分析結果

通過運行解算，可以得到主鏡筒沿X方向和Z方向的位移變形，如圖3所示，通過將節(jié)點的兩位移數值進行均方根處理，可得到節(jié)點的幅值變化量。

利用識別工具，分別測出鏡筒前端和后端筒壁邊緣處上下左右4個點沿X向和Z向的位移，并分別取均值，可以分別求出鏡筒前端和后端光心的位置變化，取兩者之差，并除以鏡筒長度即可估算出光軸偏角，所得計算數據如表3所示。

表3 低溫工況下約束前端兩定位面光軸變化計算數據Tab.3 Data of optical axis variation with constraint of two front surfaces in low temperature situation

情況2:

(1)溫度載荷

對各表面施加－40℃溫度載荷。

(2)邊界條件

對主鏡筒安裝架前端側面兩定位面進行約束，形式同情況1，同時對其后端側面一定位面進行約束，僅限制其X方向的平動。

(3)分析結果

通過運行解算，得到主鏡筒沿X向和Z向的位移變形如圖4所示。

圖4 位移變形圖Fig.4 Diagrams of displacement distortion

同理，所得計算數據如表4所示。

表4 低溫工況下約束前端兩定位面及后端定位面光軸變化計算數據Tab.4 Data of optical axis variation with constraint of both two front surfaces and back surface in low temperature situation

對比上述兩種情況可知，低溫工況下(－40℃)，情況1的光軸變化量為0.11 mrad，而情況2的光軸變化量僅為0.02 mrad，為前者的1/5，可見同時約束前端兩定位面和后端定位面的效果要明顯優(yōu)于僅約束前端兩定位面。同理，可比較高溫工況下(+55℃)兩種不同約束方式對光軸產生的影響，結論與低溫工況下一致。綜上所述，安裝主鏡筒及其安裝架時，前端兩定位面和后端定位面同時限制較為合理。

4 試驗及檢測

依據以上分析和設計結果，對鏡頭實物進行了加工，經過裝調后，設計實物如圖5所示。對裝調后的鏡頭做了振動和高低溫試驗，振動試驗過程中變焦鏡頭能夠一直保持清晰成像，表明結構支撐穩(wěn)固可靠。高低溫試驗后，對光軸晃動量進行了重新檢測，實測結果為0.8'，小于指標要求的1'。

圖6是鏡頭進行振動的實況，依據實際使用情況，進行工裝設計。最終得到振動曲線如圖7所示。由圖7可知，結構的基頻高達171 Hz，滿足伺服帶寬的需求。系統(tǒng)自身動力學特性好，保證了在實際使用情況中成像穩(wěn)定清晰。

圖5 加工裝調后的鏡頭Fig.5 Rested lens after processing and adjustment

圖6 振動試驗Fig.6 Vibration test

圖7 振動曲線Fig.7 Vibration curve

圖8 光學系統(tǒng)調制傳遞函數曲線Fig.8 MTF curve of optical system

圖8 是光學系統(tǒng)檢測后的調制傳遞函數曲線，在頻率為108lp/mm時，MTF＞0.2，數值較高，相較于光學設計的理想設計值0.28損耗較小，達到了比較滿意的效果。

圖9是實際成像試驗，系統(tǒng)成像穩(wěn)定清晰，層次感強，取得了較為滿意的效果。

圖9 試驗圖像Fig.9 Test image

5 結論

通過在UG高級仿真模塊下對施加熱載荷主鏡筒變形情況的有限元分析，提出了一種光軸偏移估算方法，間接求得了光軸的偏轉角度;對比不同約束條件，找到了一種較為合理的安裝方式。依據分析結果制備了可見光變焦鏡頭，并進行了相關的環(huán)境試驗。試驗結果表明:成像穩(wěn)定清晰，實際測試得到的傳遞函數值比理論設計值損耗小，外場成像質量良好。結果顯示，提出的結構設計方案較為合理，較好地滿足了系統(tǒng)指標要求。

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