一種三視場熱像儀變倍裝置的設計

萬 敏，唐躍峰

（中國航空工業(yè)集團公司洛陽電光設備研究所，洛陽 471009）

0 引言

熱像觀瞄具在對活動目標進行搜索與瞄準時，希望能夠同時提供高放大倍率的小視場圖像和低放大倍率的大視場圖像[1,2]。定焦系統(tǒng)難以滿足需要，連續(xù)變倍系統(tǒng)是最佳選擇，而紅外連續(xù)變焦系統(tǒng)因受到光學材料、透過率、切換時間等方面的限制，且結構復雜，體積/質量偏大，其發(fā)展相對緩慢；目前國內對紅外連續(xù)變焦光學系統(tǒng)的研究基本處于理論設計或試驗階段，對加工裝調后的紅外連續(xù)變焦鏡頭及其成像質量還很少有相關報導[3]。與連續(xù)變焦紅外光學系統(tǒng)相比，多檔變焦紅外光學系統(tǒng)更加簡潔而實用[4]，這也是國內外吊艙內所使用的熱像觀瞄具中經常采用的方式[5]。

針對于多檔變倍紅外光學系統(tǒng)，一般有兩種變倍方式：鏡組移入移出光路的切換式變倍和鏡組沿光軸平行移動式變倍。后者因為通過沿光軸移動一組或多組透鏡來實現變倍，其光學透過率、視場切換時間、視場定位精度以及運動機構的體積等方面均受到一定限制，國內相關研究主要將其應用于不太復雜的雙視場光學系統(tǒng)中，如文獻[4,6]中均是采用這種方式。為了更好的滿足光電吊艙對活動目標進行搜索與瞄準，光電吊艙中的熱像觀瞄具大多采用3檔變倍，甚至更多[5]。傳統(tǒng)的多檔變倍光學系統(tǒng)中沿光軸徑向移入移出變倍鏡組的變倍機構存在占用空間大、機構復雜、變倍時間長等缺點[7]。本文中設計了一種兩光學鏡組繞同一旋轉軸旋轉切入切出光路，利用直流微電機驅動，齒輪傳動配合同軸雙旋轉運動實現熱像觀瞄具3個視場切換的裝置。該裝置具有結構簡單緊湊，尤其是垂直于光軸方向尺寸小、切換速度快、定位可靠以及可重復性強、工作穩(wěn)定等顯著特點。

1 光學系統(tǒng)方案

本光學系統(tǒng)示意圖如圖1所示，通過切入、切出兩組光學部件實現紅外熱像儀三個視場的切換功能。當一組透鏡切入光路，另一組透鏡切出光路時為紅外熱像儀的大視場，如圖2(a)所示；當一組透鏡切出光路，另一組透鏡位于光路之中時為紅外熱像儀的中視場，如圖2(b)所示；當兩組透鏡均切出光路時為紅外熱像儀的小視場，如圖2(c)所示。

圖1 光學系統(tǒng)示意圖

圖2 大視場、中視場和小視場光學示意圖

2 機械構型

典型的光電吊艙外形如圖3所示[5]。由于光電吊艙內體積有限，且吊艙內除安裝紅外傳感器外一般還需要安裝激光、電視(或稱可見光)等傳感器。典型的光電吊艙內部空間布局如圖4(該吊艙為1995年由以色列Rafael軍備研發(fā)局先后與德國、美國North rop Grumman聯合開發(fā)的Litening Ⅲ目標瞄準與導航吊艙)所示[5]。因為受光電吊艙的球罩限制，且整個傳感器平臺需要在吊艙球罩內進行小幅度的內方位、內俯仰運動。因此，光電吊艙內提供給紅外熱像儀的外形包絡空間通常有限。從圖4中可見，垂直于紅外傳感器安裝平面方向的尺寸較小，而熱像儀在設計時為了達到盡可能長的焦距，會盡量增大第一塊透鏡的口徑。而受系統(tǒng)空間限制，熱像儀的第一塊透鏡在增大有效口徑的同時，往往需要對透鏡進行截邊，如圖4所示。為了保證光學系統(tǒng)通光量盡量大，要求位于第一塊透鏡之后的視場切換機構盡量不攔光，這就給變倍機構的設計增加了難度，尤其是在垂直于穩(wěn)定平臺方向的尺寸往往很難滿足光電吊艙所提供的空間尺寸要求。

圖3 FLIR系統(tǒng)海星SAFIREⅡ

圖4 Litening艙內多傳感器布置

針對雙旋轉視場切換方案，參考文獻[2]中提出了一種采用直流微電機配合齒輪-錐齒輪以及凸輪運動的方式實現三視場的切換功能的方案，但該構型在旋轉軸方向尺寸較大，且變倍透鏡鏡框懸臂較長，在過載以及振動環(huán)境下可能存在偏擺。本熱像儀光學構型及機構傳動方式均未采用該構型。參考文獻[9]中提出了一種同軸旋轉實現的三檔變焦機構，其兩個變倍組的轉動示意圖如圖5所示[9]。從圖中可見：1）該傳動機構的中焦變倍組的固支端與短焦變倍組的固支端分別位于旋轉軸兩端，由于固支端軸承均為一對角軸承，厚度方向（即沿旋轉軸方向）尺寸較大；2）旋轉軸上的6個支撐軸承均沿旋轉軸方向疊加安裝，厚度尺寸較大；3）變倍鏡框旋轉軸上的傳動齒輪獨立設計，導致在旋轉軸兩端需要分別增加一個齒輪的厚度及鎖緊螺母的厚度。根據光學系統(tǒng)方案及吊艙中提供給熱像儀的包絡空間，參考文獻[9]中的設計方案無法滿足設計要求，尤其是在垂直于光軸方向的尺寸無法滿足要求。為了滿足系統(tǒng)切換速度快、定位準確、質量小、運行穩(wěn)定、可靠性高、空間緊湊等特點，同時，為有效減小變倍裝置在垂直于紅外傳感器安裝平面方向的尺寸，本設計方案中采用了利用齒輪傳動的同軸雙旋轉視場切換裝置。該裝置通過兩個直流微電機作為驅動元件，分別驅動一個視場部件繞同一旋轉軸運動，并配合非接觸式感應開關實現熱像儀三個視場的切換功能，具體傳動原理如圖6、圖7所示。

圖5 某變倍機構中兩個變倍組的轉動二維圖

圖6 機械傳動二維剖視圖

圖7 機械傳動二維圖

本構型的機構方案為：為了盡量減小變倍機構沿旋轉軸方向的尺寸，1）大中視場固支端均設置在旋轉軸的同一側，避免兩端安裝時導致的在轉軸兩側均需預留雙軸承的安裝空間；2）大中視場中的兩種支撐軸承沿直徑方向襯套安裝，避免沿軸承厚度方向疊加安裝時導致的沿旋轉軸方向尺寸過大；3）旋轉軸上的傳動齒輪與變倍鏡框一體設計，省去了額外增加的齒輪厚度及齒輪鎖緊螺母厚度。中視場鏡框通過上小軸與安裝在固定芯軸內孔的小軸承內圈配合，大視場鏡框通過安裝在其內孔中的大軸承與固定芯軸的外圈配合，轉軸游動端通過下支架輔助支撐。由此，本機構可實現大視場鏡框隨大軸承外圈繞固定芯軸旋轉，從而實現熱像儀的大視場切換；中視場鏡框隨小軸承內圈繞固定芯軸旋轉，從而實現熱像儀的中視場切換功能。

本構型的傳動方案為：直流微電機分別通過小齒輪驅動大視場鏡框、中視場鏡框繞公共旋轉軸運動，初始位置時，當大中視場鏡框均位于主光路之外時，為光學系統(tǒng)的小視場狀態(tài)；當直流微電機驅動中視場鏡框旋轉90°，使鏡框兩端的兩片光學透鏡切入光路，此時大視場鏡框位于光路之外時，為光學系統(tǒng)的中視場狀態(tài)；當同時驅動大視場鏡框旋轉90°切入光路，并讓另一電機驅動中視場鏡框旋轉90°，使中視場鏡框位于光路之外時，為光學系統(tǒng)的大視場狀態(tài)。

為了滿足該裝置在振動、沖擊等環(huán)境條件下的工作可靠性，本變倍裝置在視場限位處選用了外徑8mm，厚度3mm的永磁鐵為限位裝置。

3 設計選型

本變倍裝置中涉及的主要設計計算為變倍鏡框的配平（即：使大視場變倍部件、中視場變倍部件的重心均需處于變倍鏡框的旋轉中心軸上）和變倍裝置中電機的選型。

變倍鏡部件的配平主要是通過在變倍鏡框上添加相應的配重塊來實現，主要是為了使熱像儀在進行視場切換時保證熱像儀的重心不變，提高穩(wěn)瞄精度，該項工作主要通過UG軟件自帶的質心分析工具來實現，其中具體計算不在此詳述。

3.1 磁力矩的計算

變倍電機的選型：由于本裝置定位主要依靠磁鐵與緊密限位螺釘間的吸附力來實現。通過實驗，本裝置中所使用的直徑為8mm，厚度為3mm的磁鐵與M6的緊密限位螺釘間的吸力如表1所示。為了即能夠滿足調整余量的需求，又滿足變倍裝置有充分的磁力吸附，本裝置中采用了定位螺釘與緊密吸附螺釘這樣按功能區(qū)分的定位與限位裝置，通過調節(jié)定位螺釘旋入的深度來調節(jié)定位的位置，通過調節(jié)緊密限位螺釘的位置來調整吸力大小。這樣既能夠滿足變倍裝置的精確定位，又能夠滿足緊密吸附的需求。初始設計狀態(tài)時設定緊密吸附螺釘與磁鐵間的距離為0.5mm，通過查表可得磁鐵對變倍機構的吸力大小為3.6N，由于不同視場切換機構對于磁鐵吸附點距離不同，取其中最大值81.3mm，因此磁鐵限位產生的最大磁力矩為292.68mN·m。

表1 磁鐵吸力測試結果

此外，還有外加摩擦力矩N1，不可預見力矩N2，則電機需求的總力矩為N，由此可得變倍電機所需的最小啟動力矩。根據此參數，然后結合系統(tǒng)提供的外形空間等因素既可以選擇相應電機。

3.2 切換組件電機選型

考慮傳動過程中的摩擦力矩N1和不可預見力矩N2，其值分別估算為：

因此，傳動組件的負載峰值力矩為：

N=Nmax+N1+N2=81.3mm×3.6N+0.34N·m=0.63N·m

按照電機驅動力矩N電機>2×N負載的經驗公式，則電機的堵轉扭矩應取值為1.26N·m。同時考慮電機需要克服過程中的磁力矩以及變倍機構齒輪減速比（1:3、5:21），取最大負載情況考慮，則電機的連續(xù)堵轉力矩需求為0.8N·m。

根據以上計算進行了電機選型，兩變倍電機均選擇FAULHABER某型直流微電機，并配合行星齒輪減速箱及編碼器。

4 結論

通過上述設計過程，該裝置已經完成了常溫聯調試驗，并且通過了環(huán)境試驗考核，該視場切換裝置具有如下三個特點。

4.1 結構簡單緊湊

本變倍裝置光機構型簡單緊湊，尤其是沿旋轉軸方向，尺寸基本和大物鏡直徑相近，極大減小了組件沿旋轉軸方向的尺寸。而且，相對于傳統(tǒng)構型中利用齒輪、齒條沿光軸徑向驅動透鏡組移入、移出光路來實現視場切換的構型，本裝置重量減少約1kg。本構型充分利用了所提供的空間尺寸條件，使得系統(tǒng)排布緊湊，空間利用率高。

4.2 切換速度快

通過高低溫環(huán)境試驗驗證，本變倍裝置大、中、小視場切換時間均小于1s，振動環(huán)境試驗中視場切換功能正常，滿足使用要求。

4.3 工作穩(wěn)定、可靠

所選磁鐵滿足環(huán)境溫度條件下的工作要求，性能無退化，接觸定位面不會因為環(huán)境條件改變而發(fā)生偏移，因此該裝置的定位與限位具有高精度與高穩(wěn)定性。通過環(huán)境實驗驗證，在振動等環(huán)境下該變倍裝置的大、中視場鏡框無松動、脫落現象。變倍裝置進行視場切換后的光軸一致性在1個像素以內。

經過上述性能測試表明，該裝置功能可靠、性能穩(wěn)定、滿足設計要求，在多視場熱像觀瞄具中具有廣泛的應用前景。

[1]郝斌.變倍鏡裝置[P].中國專利:CN 1847909A,2006-10-18.

[2]溫慶榮,徐明軒.切換式紅外三視場光機組件的設計[J].激光與紅外,2010,40(8):877-879.

[3]李永剛,張葆,丁金偉.紅外連續(xù)變焦鏡頭的結構設計[J].長春理工大學學報(自然科學版),2009,32(1):60-63.

[4]孟劍奇.雙視場6倍變焦紅外熱成像光學系統(tǒng)[J].紅外與激光工程,2008,37(1):89-92.

[5]劉洵,等.軍用飛機光電平臺的研發(fā)趨勢與技術剖析[J].中國光學與應用光學,2009,2(4):269-288.

[6]張良.無熱化雙視場紅外光學系統(tǒng)的設計[J].光學技術,2009,35(4):566-568.

[7]ALDRICH R E.Three-element infrared optically compensated twoposition zooms for commercial FILRs[J].SPIE,1995, 2539:87-107.

[8]王守印,等.超聲電機驅動的旋轉變倍機構[J].光學精密工程,2009,17(11):2814-2819.

[9]周運義,王臻.三檔變焦鏡頭中旋轉切換變焦機構設計[J].光學與光電技術,2014,12（4):94-98.