空間TOF相機(jī)大視場光學(xué)鏡頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張明奇

（江西聯(lián)昊光電有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

TOF 相機(jī)能夠深度獲取所需信息，和其他的深度測量相機(jī)相比，TOF 相機(jī)具有質(zhì)量輕、體積小、不敏感等優(yōu)勢。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對TOF 相機(jī)鏡頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也有了更高的要求。因此該文將對探討的TOF 相機(jī)進(jìn)行光學(xué)鏡頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為后續(xù)該領(lǐng)域的試驗(yàn)與研究提供數(shù)據(jù)參考。

1 TOF 相機(jī)工作原理

TOF 相機(jī)是一種基于時(shí)間飛行原理的新型成像設(shè)備[1]，其工作原理是由光源向目標(biāo)點(diǎn)發(fā)射出一種光脈沖信號，到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)表面后再經(jīng)過一系列的反射至系統(tǒng)內(nèi)，再經(jīng)過系統(tǒng)測算出光信號在目標(biāo)點(diǎn)與探測器之間的飛行時(shí)間，進(jìn)而得出TOF 相機(jī)與目標(biāo)點(diǎn)之間的距離。TOF 相機(jī)測距原理示意圖如圖1 所示。

圖1 TOF 相機(jī)測距原理示意圖

2 大視場光學(xué)鏡頭優(yōu)化方案

2.1 鏡頭設(shè)計(jì)指標(biāo)

該文所研究的空間TOF 相機(jī)大視場光學(xué)鏡頭光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)見表1。

表1 鏡頭設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 鏡頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)TOF 相機(jī)的鏡頭測量標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用需求，該項(xiàng)目所采用的鏡頭類型為遠(yuǎn)心鏡頭，能夠有效提升測量高度。作用原理是在特定的物距下，遠(yuǎn)心鏡頭能夠控制目標(biāo)點(diǎn)的圖像放大倍率，這對被測物體不在同一物面上來說是一種有效的應(yīng)用手段。此外，將遠(yuǎn)心鏡頭與小像素的圖像傳感器進(jìn)行結(jié)合能夠生成高分辨率的圖像[2]。

2.2.1 鏡頭光學(xué)系統(tǒng)分析

針對選定的光學(xué)系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行詳細(xì)的光學(xué)系統(tǒng)分析，通過大視場光學(xué)鏡頭（中心波長）在物距20m 處的MTF 曲線、點(diǎn)列圖以及畸變光學(xué)系統(tǒng)分析結(jié)果?？梢愿鶕?jù)大視場光學(xué)鏡頭下的物距圖像曲線得出，在有效視場角的范圍內(nèi)，并在25lp/mm 處傳遞函數(shù)值均大于0.8。因此可以得出該系統(tǒng)能夠達(dá)到理想的成像質(zhì)量。最后根據(jù)畸變分析數(shù)據(jù)可以判定出，當(dāng)畸變控制在2.5%以內(nèi)，再根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)在其他物距范圍（2m～20m）內(nèi)的成像質(zhì)量進(jìn)行合理化分析，驗(yàn)證出該光學(xué)系統(tǒng)具有可行性。

2.2.2 鏡頭像質(zhì)分析

在光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)階段需要對鏡頭進(jìn)行像質(zhì)分析，分析出的結(jié)果能夠判斷該鏡頭的參數(shù)指標(biāo)是否與設(shè)計(jì)指標(biāo)相符，如果符合則表示該鏡頭的成像效果較好。就目前情況來看，鏡頭像質(zhì)分析的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)有很多種，最常見的分析方法是有調(diào)制傳遞函數(shù)。其中，調(diào)制傳遞函數(shù)值越大，表明鏡頭的像素差越低。因此，理想化的調(diào)制傳遞函數(shù)值是一條直線。鏡頭在有效視場角范圍內(nèi)，不同物距的調(diào)制傳遞函數(shù)均大于0.6，由此表明大視場鏡頭的鏡頭設(shè)計(jì)符合實(shí)際需求。點(diǎn)陣圖是重要的參考圖形，經(jīng)過光學(xué)鏡頭的作用后會存在一定的像素差。這是因?yàn)楣庠吹竭_(dá)像面后不會形成一個(gè)聚點(diǎn)，而是在成像處形成彌散形的斑點(diǎn)圖案。根據(jù)實(shí)際情況可以得出，大視場下的光學(xué)鏡頭在物距3.5m 處的彌散直徑符合實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)要求，并且小于實(shí)際探測的像元尺寸標(biāo)準(zhǔn)。與此同時(shí)，畸變也是光學(xué)鏡頭的重要因素?；兪且蜱R頭系統(tǒng)內(nèi)的主光線出現(xiàn)異常而導(dǎo)致的成像效果差。通過變化的曲線圖可以得出，大視場下的光學(xué)鏡頭系統(tǒng)的畸變平均變化水平保持在2.6%左右，因此符合該項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用要求。

2.3 TOF 相機(jī)鏡頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 鏡筒結(jié)構(gòu)材料

TOF 相機(jī)的鏡筒結(jié)構(gòu)占整機(jī)比例的絕大部分，所以需要對鏡筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化處理，才能達(dá)到TOF 相機(jī)整機(jī)質(zhì)量輕、體積小的目的。目前的優(yōu)化方式主要是從鏡筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與機(jī)械結(jié)構(gòu)選材兩方面進(jìn)行輕量化[3]。當(dāng)前國內(nèi)外空間相機(jī)的常用結(jié)構(gòu)材料主要有鑄鈦合金、玻璃鋼（GFRP）和鋁合金（7A09）等。其具體材料性能參數(shù)見表2。無論國內(nèi)還是國外，光學(xué)鏡頭均采用的是鑄合金、復(fù)合碳纖維、鋁合金等材料。此外，進(jìn)行TOF 相機(jī)光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)時(shí)，為了能夠滿足相應(yīng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，要求鏡頭的結(jié)構(gòu)性能與材料性能能夠符合實(shí)際需求。這就要求鏡頭結(jié)構(gòu)材料，包括鏡座與鏡筒等性能與透鏡的材料性能相適應(yīng)，由于相機(jī)的工作溫度在-10℃～55℃，為保證相機(jī)的成像質(zhì)量，就需要鏡頭結(jié)構(gòu)材料具有較高的熱穩(wěn)定性。熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率與比熱容是常用的衡量材料熱性能的3 個(gè)物理量，選材要求是高導(dǎo)熱、低線脹與低比熱容。除要求TOF 相機(jī)的鏡頭結(jié)構(gòu)材料有良好的熱穩(wěn)定性之外，還需要結(jié)構(gòu)材料能夠適應(yīng)動力學(xué)環(huán)境下的載荷變化，衡量力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)一般采用的參數(shù)是比剛度。其中的比剛度比值是指材料的彈性性能與材料的密度之比，具有高彈性能力和低密度的材料便是理想的結(jié)構(gòu)材料。

表2 鏡筒結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

因此，綜合各個(gè)方面的因素來說，鑄鈦合金ZTC4 的熱穩(wěn)定性符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，該項(xiàng)目選擇ZTC4 作為鏡頭光學(xué)設(shè)計(jì)的最佳方案。

2.3.2 TOF 相機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.3.2.1 鏡頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 大視場鏡筒模型圖

在TOF 相機(jī)中，鏡頭的作用是確保透鏡鏡片的中心面能夠與光軸有效重合[4]，進(jìn)而能夠使透鏡的間隔參數(shù)符合實(shí)際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。要做到這些，就需要對鏡頭的所有結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。此外，還要對鏡頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行消熱設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目采用的是鈦合金材料，根據(jù)上述試驗(yàn)與分析可以得出，TOF 相機(jī)光學(xué)鏡頭的工作溫度一般在-10℃～50℃。因此將成像面的最大值設(shè)為0.3μm，調(diào)制傳遞函數(shù)值控制在5%之內(nèi)[5]，能夠確保經(jīng)過消熱設(shè)計(jì)后的該項(xiàng)目TOF 相機(jī)光學(xué)鏡頭有好的成像效果。由于鏡片的作用效果良好，因此能夠保證鏡頭結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性。

2.3.2.2 光源器組件設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目的空間TOF 相機(jī)采用的光源是VCSEL 激光器組件。VCSEL 與傳統(tǒng)的光源相比存在一定差異。由于其具有特殊的優(yōu)勢，因此更符合TOF 相機(jī)的光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)。此外，在光源的照射方面，與傳統(tǒng)光源相比，VCSEL 的照射所生成的圖像質(zhì)量效果更好。由此可見，VCSEL 具有高效的發(fā)光效率[6]，并且照射的距離也符合實(shí)際應(yīng)用需求，能夠生成高質(zhì)量的圖像，所以VCSEL 作為TOF 相機(jī)的光源組件是非常合適的。

激光器組件主要結(jié)構(gòu)有透鏡、隔圈、銅隔板、連接板、加熱器等。其中連接板與銅隔板相連，主要作用是給激光器散熱，而透鏡與壓圈相連，主要作用是改變VCSEL 照射的激光角度大小。

2.4 光學(xué)鏡頭組件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鏡筒作為TOF 相機(jī)鏡頭結(jié)構(gòu)中的重要部件，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能夠直接影響鏡頭的光學(xué)性能。因此，為了使TOF 相機(jī)的光學(xué)鏡頭結(jié)構(gòu)能夠符合實(shí)際設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，需要對鏡筒的相關(guān)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

2.4.1 優(yōu)化參數(shù)模型

TOF 相機(jī)光學(xué)鏡頭中的鏡筒屬于主體結(jié)構(gòu)，能夠?qū)︾R頭的各個(gè)零部件起到相應(yīng)的支撐和保護(hù)作用，并且對整個(gè)TOF相機(jī)光學(xué)鏡頭的結(jié)構(gòu)有直接影響。此外，還需要對光學(xué)鏡頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行消熱設(shè)計(jì)。該文選擇鈦合金作為各透鏡之間的機(jī)械間隔隔圈材料，根據(jù)相關(guān)分析可得，在-10℃～50℃工作溫度范圍內(nèi)的成像質(zhì)量較好。因此，該項(xiàng)目將光學(xué)鏡頭的鏡筒壁厚作為相關(guān)變量，以此來進(jìn)行鏡筒輕量的對比試驗(yàn)，進(jìn)而對鏡筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，選取最佳的鏡筒參數(shù)應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目中。

通過有限元軟件的相關(guān)功能對鏡筒壁的特定節(jié)點(diǎn)進(jìn)行固定[7]，通過調(diào)整固定的節(jié)點(diǎn)模擬鏡筒壁的變化厚度。通過人工搭建的鏡筒壁網(wǎng)格模型，并根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)空間及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提升鏡筒壁性能的變形，進(jìn)而選取出最佳的鏡筒壁位置。

2.4.2 優(yōu)化參數(shù)結(jié)果

對鏡筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，再經(jīng)過迭代計(jì)算能夠得出最適合的變量尺寸。試驗(yàn)表明，大視場下的光學(xué)鏡頭以及鏡筒經(jīng)過17 次迭代后能夠完全收斂。經(jīng)過優(yōu)化后的大視場下的鏡筒質(zhì)量有了明顯的變化，從初始質(zhì)量的75g 下降至52g 左右，整體減重約33%，質(zhì)量有了明顯的減輕，也達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)?？紤]鏡筒結(jié)構(gòu)的工藝要求，還需要對減輕后的鏡筒進(jìn)行大小和尺寸方面的調(diào)整。

3 空間TOF 相機(jī)整機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

對TOF 相機(jī)整機(jī)進(jìn)行仿真分析[8]能夠更直觀地展示出該項(xiàng)目試驗(yàn)的成果。采用三維設(shè)計(jì)軟件UG 對TOF 相機(jī)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，將整機(jī)的三維模型導(dǎo)入至建模軟件中搭建模型圖，再將TOF 相機(jī)的整機(jī)與衛(wèi)星系統(tǒng)連接，模擬TOF相機(jī)鏡頭的全過程運(yùn)行狀態(tài)。TOF 相機(jī)的有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型圖

3.1 過載適應(yīng)性分析

將TOF 相機(jī)裝置在實(shí)際設(shè)備上模擬過載試驗(yàn)，整個(gè)試驗(yàn)過程中，TOF 相機(jī)會受到來自3 個(gè)載荷方向上的力（X、Y、Z），這種力是TOF 相機(jī)在設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生的一種類似于穩(wěn)定的加速度。因此，該試驗(yàn)的目的是要求TOF 相機(jī)在此力學(xué)環(huán)境下，整機(jī)及零部件不會有任何變形或破損，并且原有的光學(xué)性能也要保持不變。過載適應(yīng)性結(jié)果分析見表3。

表3 過載適應(yīng)性結(jié)果分析

根據(jù)表3 可知，TOF 相機(jī)受到X、Y、Z這3 個(gè)不同方向上的力時(shí)，發(fā)生最大應(yīng)力變化的是在Y方向，并且最大的應(yīng)力值7.18MPa 也是在Y方向，符合設(shè)計(jì)材料的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)。所以TOF 相機(jī)在Y方向的載荷作用下是不會發(fā)生屈服變形的。雖然Y方向的最大形變量為35μm，但這個(gè)變形量相對較小，并且經(jīng)過一系列測試之后，結(jié)果表明最大形變值35 不足以影響相機(jī)成像效果。

3.2 溫度適應(yīng)性分析

TOF 相機(jī)在空間環(huán)境下工作時(shí)，相機(jī)的工作溫度會受空間環(huán)境溫度及自身電子器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量的影響而發(fā)生變化，所以需要在溫變載荷作用下來考察相機(jī)的熱應(yīng)力與熱應(yīng)變。該文在-10℃～55℃溫度載荷工況下進(jìn)行溫度適應(yīng)性分析。其中，當(dāng)溫度處于55℃時(shí)，TOF 相機(jī)的最大應(yīng)力為120MPa，最大變形為177μm，該應(yīng)力產(chǎn)生的環(huán)境位于鏡罩與電箱接口處，二者均采用鋁合金材料，并且該應(yīng)力小于鋁合金本身的屈服程度，所以結(jié)構(gòu)不會發(fā)生屈服變形。

3.3 模態(tài)分析

模態(tài)分析的目的是測量TOF 相機(jī)整體結(jié)構(gòu)的動態(tài)剛度[9]。通過模態(tài)分析法能夠有效獲取空間TOF相機(jī)的初始頻率、固定頻率以及振幅大小，以避免共振現(xiàn)象的出現(xiàn)。對TOF 相機(jī)的整機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析可以得出如圖4 所示的振動模型。

圖4 振動云圖模型

從圖4 可以看出，當(dāng)溫度處于55℃載荷作用時(shí)，相機(jī)的最大應(yīng)力為120MPa，最大變形為177μ。該應(yīng)力發(fā)生在鏡罩與電箱的接口處，屬于應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時(shí)鏡罩與電箱均采用鋁合金材料，該應(yīng)力小于鋁合金的屈服極限，所以結(jié)構(gòu)不會發(fā)生屈服變形。

3.4 頻率分析

通過頻率響應(yīng)試驗(yàn)?zāi)軌蚍治龀鯰OF 相機(jī)整體結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)結(jié)果。由于TOF 空間相機(jī)在運(yùn)載階段會受到力學(xué)環(huán)境的影響，因此通過頻率響應(yīng)分析能夠得到TOF 相機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)組件在不同頻率下的振動情況以及應(yīng)力表現(xiàn)，并且還需要分析TOF 相機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)是否能夠避免在力學(xué)環(huán)境下出現(xiàn)共振現(xiàn)象。

4 鏡頭最終優(yōu)化效果

通過上述試驗(yàn)分析與優(yōu)化，該項(xiàng)目成功加工出了TOF 環(huán)境下的鏡筒，并且根據(jù)該項(xiàng)目的實(shí)際要求，最終將TOF 相機(jī)鏡頭實(shí)物裝配完成，如圖5 所示。

圖5 空間TOF 相機(jī)光學(xué)鏡頭實(shí)物

5 結(jié)語

綜上所述，該文通過對TOF 相機(jī)的大視場光學(xué)鏡頭進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析試驗(yàn)，并對TOF 相機(jī)進(jìn)行成像性能分析和有限元分析，提出了相關(guān)的鏡筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，最后對TOF 相機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行過載分析、模態(tài)分析等，得出該項(xiàng)目的TOF 相機(jī)結(jié)構(gòu)能夠滿足實(shí)際的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。此外，該文經(jīng)過一系列的試驗(yàn)與分析，成功裝配出一枚TOF 相機(jī)大視場下的光學(xué)鏡頭實(shí)物，并且對實(shí)物鏡頭進(jìn)行檢測，結(jié)果表明該鏡頭的各項(xiàng)指標(biāo)均符合實(shí)際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

隨著科技的不斷發(fā)展與進(jìn)步，相信TOF 相機(jī)的測量領(lǐng)域在未來將得到進(jìn)一步發(fā)展，為我國空間探測事業(yè)做出新的貢獻(xiàn)。