靶場光學測量中的變焦距光學系統

李零印，王一凡，王 驥

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033；2.中國科學院研究生院，北京100039；3.長春奧普光電技術股份有限公司，吉林長春130031）

靶場光學測量中的變焦距光學系統

李零印1，2，王一凡1，王 驥3

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033；2.中國科學院研究生院，北京100039；3.長春奧普光電技術股份有限公司，吉林長春130031）

變焦距光學系統通過調整光學系統參數，改變光學系統的焦距來保證光學系統動態成像的需求。本文從變焦距光學系統的基本原理出發，簡單描述了光學補償與機械補償變焦光學系統的設計，闡述了常見變焦距光學系統的類型與結構。指出了傳統變焦距光學系統存在的問題，結合DSP和步進電機在變焦距光學系統中的最新應用，概述了靶場光測設備的變焦距光學系統的最新動態，分析了電機直傳技術在靶場光測設備應用的可行性，意在為新一代數字變焦光學系統提供理論參考。

變焦距光學系統；靶場；DSP；步進電機

1 引 言

靶場光測設備主要用于彈道和航天設備運行軌跡的實時跟蹤與測量，記錄其有效的圖像及跟蹤數據。隨著我國國防與航天技術的飛速發展，靶場光測設備的發展［1］也在穩步地向前邁進。靶場光測設備是以光學成像理論為基礎，綜合運用了光學、精密機械、控制理論、圖像處理等技術的現代化測量設備。靶場光學測量對象多為動態目標［2］，其運動速度快、運動距離也較長、成像設備的調焦系統很難全程捕獲其清晰的圖像。另外，設備工作環境的改變（溫度、壓力）對光學成像系統的成像質量也有影響，極易造成像點離散，從而降低目標和背景的對比度，影響設備作用距離，使靶場光測設備無法發揮其效能。為了快速得到穩定、清晰的成像數據［3］，使靶場光測設備發揮其優良性能，光學系統焦距必須實時調整。目前，國內外相關學者都在致力于設計與研究體積小、控制靈活、精度高的變焦距光學系統［4］。

本文介紹了變距光學系統的變焦光學，分析了光學補償與機械補償式光學系統設計的要點，討論了手動調焦，干涉自動調焦，智能化聚焦適用的精度和場合，最后，對傳統的螺紋傳動、渦輪渦桿傳動以及凸輪傳動進行分析，構思了新型變焦距光學系統變焦形式。

2 變焦距光學系統的變焦原理

變焦距光學系統的基本原理是利用系光學統中兩個或兩個以上的透鏡組的移動，改變系統的組合焦距，同時保持像面不變，使系統在變焦過程中獲得連續清晰的像。

變焦光學系統結構如圖1所示，系統由前組物鏡、變倍組、補償組、調光組、后固定組和CCD成像器件組成。變倍組與補償組通過調焦機構控制進行協調運動，以保證像面位置不變，從而保證CCD能夠接收清晰圖像［5］。

由光學成像理論可知：

圖1 變焦光學系統結構Fig.1 Frame of varifocal optical system

可化簡為：其中：

由高斯光學成像公式得：

式中，f1′，f2′，f3′分別為前固定組、變倍組、補償組的焦距；β1，β2，β3分別為初始位置前固定組、變倍組、補償組的垂軸放大率；分別為調整后光學系統變倍組與補償組的垂軸放大率；dS12為短焦時前固定組與變倍組之間的距離；dS23為短焦時變倍組與補償組之間的距離。

通過確定光學系統各個常數，可解出變倍組與補償組各自的運動曲線，從而指導變焦系統的機械與控制單元設計。

3 變焦距光學系統的設計方法

變焦光學系統的光學設計是個比較復雜的設計過程，本文主要對光學補償式和機械補償式變焦光學系統設計的特點進行簡要分析。

3.1 光學補償

光學補償調焦系統出現于20世紀50年代，其原理［9］如圖2所示，前后鏡頭組固定，“聯動鏡頭組Ⅰ與Ⅲ”同時做線性補償運動，“中固定組Ⅱ”保持位置不變，從而改變焦距和完成焦點補償。現代變焦鏡頭的光學結構比較復雜，一個典型的變焦鏡頭，一般都是由15片以上（分為若干組）透鏡組成。這樣復雜的鏡頭組，在組裝上比簡單鏡頭產生差錯的可能性要大得多。同時變焦鏡頭內部存在著為數甚多的空氣間隙和鏡片接觸面，因而非常容易產生料想不到的光暈，但這種弊病隨著50年代光學鍍膜技術的發展而有所改善。

圖2 光學補償原理Fig.2 Principle of optical compensation

3.2 機械補償

機械補償調焦系統，由德國光學家赫爾穆特于1932年首次提出，但由于當時機械加工水平的限制而發展緩慢。60年代后期，伴隨著工業技術的發展，機械補償逐步登上變焦距調焦舞臺，機械補償系統如圖3所示。“前固定組Ⅰ”和“后固定組Ⅳ”位置保持不變，由調焦機構結構驅動“變倍組Ⅱ”做線性移動，“補償組Ⅲ”做相對少量的非線性運動，“變倍組”與“補償組”的相互運動完成變焦，而成像平面不改變位置。與光學補償相比，變倍補償適用于大孔徑、長焦距變焦距光學系統［7，8］。

入口引入空間的設計采用的是先抑后揚的手法，不僅增加了院落空間的層次，還符合現代居住景觀的功能要求，即居住私密性的要求。

圖3 機械補償原理Fig.3 Principle of mechanical compensation

變焦距光學系統設計在理論上可以保證像面穩定，但是在靶場實際應用過程中，由于變焦距軌跡的實現靠機械與控制部分來完成，而機械和控制部分不可避免地存在誤差，同時，由于外部環境的（例如溫度，濕度）變化也會造成光學系統焦距的變化。根據實際靶場光測設備光學系統的不同形式［9］（折射式、反射式和折反式）可以采取3種調焦方法：焦面調焦、透鏡調焦和反射鏡調焦［10］。焦面調焦，成像面與接收面不重和，因此調整接收平面的位置，使之與成像面重合，但在靶場光測設備中，由于機構運動精度和結構尺寸的限制增加了焦面調焦的難度，所以焦面調焦主要用于簡單的光學成像系統；透鏡調焦，就是在含有透鏡的光學系統通過調整透鏡的位置來改變透鏡間的距離，調整光學系統內在參數，從而實現調焦；反射鏡調焦，適用于反射式系統中。結合上述3種調焦機構與靶場光測設備的使用現狀，透鏡調焦［11］用途最廣。

4 變焦距光學系統的調焦形式

由于靶場光學設備種類繁多，在變焦距系統應用領域中涉及的調焦方式與需要的調焦精度相關，因此在靶場光測設備中產生了基于變焦距基本理論的各種調焦系統［12］。

4.1 手動調焦系統

手動調焦是指采用人工補償方式調整成像面與接受面之間的距離（屬于焦面調焦的一種），使二者距離盡量重合或者使二者差距在允許控制范圍內。這種調焦方式調焦精度低，且調焦精度受操作人員影響，用于精度等級不高的靶場變焦距光學系統，如在單桿瞄準系統中。

4.2 激光干涉自動調焦系統

自動調焦技術已經進入了數字圖像處理時代，運用計算機硬件技術和圖像處理技術，可對采集的圖像進行邊緣檢測。

激光干涉自動調焦系統（如圖4所示）采用分束器BS1，BS2以及激光擴束鏡和準直鏡L3，L4等光學元件組成的干涉系統。He-Ne激光器為光源，CCD為接收器件，調焦時，激光束經L3，L4擴束準直，經過BS1反射后偏轉90°傳播，在BS2處分為兩光束，一束經BS2和CP通過M反射后沿原光路返回再經過BS1后入射到CCD面上，成為參考光E1；另一束經BS2反射，偏轉90°傳播，被L1聚焦呈現在該透鏡的焦面上，該像點可視為光點，經位于焦面附近或焦面上的像面反射，成為L1再次成像的物點，由它發射的光束沿原光路返回作為物光E2，參考光E1與物光E2相干，在CCD上產生干涉環，根據干涉圖的變化對主光路的調焦狀態進行反饋。這種方法在原有的光學系統上，增加了一套激光干涉光路，在一定程度上增加了系統的復雜程度。

圖4 激光干涉自動調焦原理Fig.4 Theory of auto-focusing on laser interference

4.3 智能化自動聚焦系統

智能化自動聚焦系統［13］，作為現在靶場光學測量中的變焦距調焦系統的主要調焦方法之一，其原理如圖5所示，該方法通過對CCD輸出的預視頻信號的分析，設定理論比較值。聚焦開始時，檢測視頻信號閾值，與理論設定值相比較，如果大于誤差范圍，自動向某一方向移動，而不考慮聚焦結果的好壞。運動結束后比較兩次的聚焦效果，如果調焦效果優化，則繼續向同相移動，否則，反向移動，直到找到最佳聚焦點位置，保持調焦的動態平衡。

圖5 智能化聚焦系統Fig.5 System of auto-focusing

5 傳統變焦距光學系統中存在的問題

圖6 凸輪調焦系統結構圖Fig.6 Cam focus mechanism structure

近幾十年來，國內調焦技術在穩步地向前發展，靶場設備對調焦系統的性能要求也隨之提高。在傳統的變焦距光學系統中，調焦機構的實現形式大多憑借螺紋、渦輪、蝸桿、絲杠螺母、或者凸輪作為執行機構（如圖6所示），控制部分大多采用單片機作為控制元件，其特點如下：

（1）螺紋傳動式調焦機構 結構簡單，但對機械裝配質量要求高，需要對調焦輪與調焦筒進行精確研磨［14］，以達到最佳傳動效果。

（2）渦輪、蝸桿傳動調焦方式 大傳動比，適合于微調焦機構，而且具有自鎖性，但體積大，機械慣性對精度影響很大。

（3）絲杠螺母調焦方式 結構簡單、體積小、重量輕、成本低，但結構裝配繁瑣，裝配精度要求過高，且在惡劣環境下容易發生卡滯現象，抗震動、沖擊能力差。

（4）凸輪傳動調焦方式 結構裝配工藝簡單，工作可靠，經過防冷焊處理后不會產生冷焊、卡滯現象，但對凸輪曲線的加工精度要求高，磨損后無法補償，可修復性差。

傳統調焦機構需要經過驅動元件、傳動元件、執行元件3部分，由于傳動部分為各種機械結構，從而使得傳動過程中不可避免地產生傳動誤差，降低了調焦系統的精度［15］。同時單片機作為核心控制單元，數據處理能力弱，控制系統通訊能力和接口性能差。

6 光測變焦距光學系統最新動態

隨著控制電機技術的發展及控制技術的成熟，基于直線電機［16］、步進電機為直接驅動源的調焦機構已經有了初步發展。因此，參考國內外最新靶場光測設備，新型電動調焦機構已經在高精尖產品中嶄露頭角，在設計調焦機構時，可以直接采用驅動元件、執行元件的結構設計。基于DSP的控制系統與高精度導軌的使用，促進了調焦機構向著體積小、傳動精密、結構簡單和響應速度快的方向發展［17］。

步進電機的調焦機構［18，19］在一些光測設備中已經開始使用［20～22］。步進電機作為執行元件，是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就會驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的，可以通過控制脈沖頻率來控制點擊轉速和加速度，從而達到調速的目的。利用其沒有積累誤差的特點，廣泛應用于各種開環控制，圖7為基于DSP步進電機的數字調焦系統框圖［23～25］。與此同時，DSP為核心的控制單元，有更快的數據處理能力和信息轉換功能，能夠通過其接口技術，與多臺計算機同時通訊，實現遠程控制的集成化，使得整個光學、機械、控制、計算機、系統整合在一起，符合光機電一體化發展的新動向。

圖7 基于DSP的調焦控制系統流程Fig.7 Process of focusing mechanism based on DSP

7 結束語

靶場光學測量中的變焦距光學系統是一個光、機、電的綜合系統。本文著眼于靶場光測設備的實際應用，對變焦調焦機構的現狀進行了分析，針對DSP、步進電機在變焦距光學系統的最新應用，討論了電機直傳技術在靶場光測設備應用的可行性，為新一代數字變焦距光學系統［26］提供了理論參考。

隨著我國光電產業的發展及靶場光學測量設備的進步，變焦距光學系統的應用領域將會廣泛的發展，靶場光測設備對變焦距調焦系統的要求會進一步提高，因此，對新型調焦機構與調焦理論的研究有很重要的現實意義，基于變焦距光學系統的數字調焦系統將成為靶場光測設備的新一代產品。

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Varifocal optical system to optical measurement of shooting range

LI Ling-yin1，2，WANG Yi-fan1，WANG Ji3

（1.Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China；2.Graduate University of Chinese Academy of Science，Beijing 100039，China；3.Changchun UP Optotech Co.，Ltd.，Changchun 130033，China）

Varifocal optical system can meet the requirements of dynamic optical systems by changing optical parameters of optical components to adjust optical paths.This paper firstly introduces the fundamentals of varifocal optical system，and describes the design of the varifocal optical systems based on optical compensation and mechanical compensation.Then，it elaborates the type and structures of common focusing mechanisms and analyzes their advantages and disadvantages.It points out that along with the DSP control technology and stepping motor development，the varifocal optical mechanism has entered a new prospect.By making a reference to domestic and international engineering applications，the research shows that the numerical control technology based on stepping motors and DSP has an extensive forecast on varifocal optical mechanisms in the range equipment.

varifocal optical system；range；DSP；stepping motor

2011-01-12；

2011-03-13

TB851；TH745

A

1674-2915（2011）03-0240-07

李零印（1988—），男，黑龍江佳木斯人，碩士研究生，主要從事變焦距調焦系統方面的研究。

E-mail：lilingyin_02@163.com

王一凡（1958—），男，吉林長春人，研究員，主要從事光機電總體設計方面的研究。

E-mail：wangyifan1958@163.com