空間TOF相機大視場光學鏡頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

張明奇

（江西聯(lián)昊光電有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

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

1 TOF 相機工作原理

TOF 相機是一種基于時間飛行原理的新型成像設備[1]，其工作原理是由光源向目標點發(fā)射出一種光脈沖信號，到達目標點表面后再經(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點與探測器之間的飛行時間，進而得出TOF 相機與目標點之間的距離。TOF 相機測距原理示意圖如圖1 所示。

圖1 TOF 相機測距原理示意圖

2 大視場光學鏡頭優(yōu)化方案

2.1 鏡頭設計指標

該文所研究的空間TOF 相機大視場光學鏡頭光學系統(tǒng)設計指標見表1。

表1 鏡頭設計參數(shù)

2.2 鏡頭系統(tǒng)設計

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

2.2.1 鏡頭光學系統(tǒng)分析

針對選定的光學系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)形式進行詳細的光學系統(tǒng)分析，通過大視場光學鏡頭（中心波長）在物距20m 處的MTF 曲線、點列圖以及畸變光學系統(tǒng)分析結(jié)果。可以根據(jù)大視場光學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，當畸變控制在2.5%以內(nèi)，再根據(jù)光學系統(tǒng)在其他物距范圍（2m～20m）內(nèi)的成像質(zhì)量進行合理化分析，驗證出該光學系統(tǒng)具有可行性。

2.2.2 鏡頭像質(zhì)分析

在光學鏡頭的設計階段需要對鏡頭進行像質(zhì)分析，分析出的結(jié)果能夠判斷該鏡頭的參數(shù)指標是否與設計指標相符，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)標準有很多種，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計符合實際需求。點陣圖是重要的參考圖形，經(jīng)過光學鏡頭的作用后會存在一定的像素差。這是因為光源到達像面后不會形成一個聚點，而是在成像處形成彌散形的斑點圖案。根據(jù)實際情況可以得出，大視場下的光學鏡頭在物距3.5m 處的彌散直徑符合實際標準要求，并且小于實際探測的像元尺寸標準。與此同時，畸變也是光學鏡頭的重要因素。畸變是因鏡頭系統(tǒng)內(nèi)的主光線出現(xiàn)異常而導致的成像效果差。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，因此符合該項目的實際應用要求。

2.3 TOF 相機鏡頭結(jié)構(gòu)設計

2.3.1 鏡筒結(jié)構(gòu)材料

TOF 相機的鏡筒結(jié)構(gòu)占整機比例的絕大部分，所以需要對鏡筒的結(jié)構(gòu)進行輕量化處理，才能達到TOF 相機整機質(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)化設計與機械結(jié)構(gòu)選材兩方面進行輕量化[3]。當前國內(nèi)外空間相機的常用結(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，光學鏡頭均采用的是鑄合金、復合碳纖維、鋁合金等材料。此外，進行TOF 相機光學鏡頭的設計時，為了能夠滿足相應的設計指標，要求鏡頭的結(jié)構(gòu)性能與材料性能能夠符合實際需求。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，由于相機的工作溫度在-10℃～55℃，為保證相機的成像質(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)、熱導率與比熱容是常用的衡量材料熱性能的3 個物理量，選材要求是高導熱、低線脹與低比熱容。除要求TOF 相機的鏡頭結(jié)構(gòu)材料有良好的熱穩(wěn)定性之外，還需要結(jié)構(gòu)材料能夠適應動力學環(huán)境下的載荷變化，衡量力學標準一般采用的參數(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，綜合各個方面的因素來說，鑄鈦合金ZTC4 的熱穩(wěn)定性符合設計標準，該項目選擇ZTC4 作為鏡頭光學設計的最佳方案。

2.3.2 TOF 相機整機結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.3.2.1 鏡頭結(jié)構(gòu)設計

圖2 大視場鏡筒模型圖

在TOF 相機中，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]，進而能夠使透鏡的間隔參數(shù)符合實際應用標準。要做到這些，就需要對鏡頭的所有結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化調(diào)整。此外，還要對鏡頭的結(jié)構(gòu)進行消熱設計。該項目采用的是鈦合金材料，根據(jù)上述試驗與分析可以得出，TOF 相機光學鏡頭的工作溫度一般在-10℃～50℃。因此將成像面的最大值設為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)過消熱設計后的該項目TOF 相機光學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 光源器組件設計

該項目的空間TOF 相機采用的光源是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 相機的光學鏡頭設計。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際應用需求，能夠生成高質(zhì)量的圖像，所以VCSEL 作為TOF 相機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 光學鏡頭組件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鏡筒作為TOF 相機鏡頭結(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性能。因此，為了使TOF 相機的光學鏡頭結(jié)構(gòu)能夠符合實際設計標準，需要對鏡筒的相關(guān)結(jié)構(gòu)及設計進行優(yōu)化。

2.4.1 優(yōu)化參數(shù)模型

TOF 相機光學鏡頭中的鏡筒屬于主體結(jié)構(gòu)，能夠?qū)︾R頭的各個零部件起到相應的支撐和保護作用，并且對整個TOF相機光學鏡頭的結(jié)構(gòu)有直接影響。此外，還需要對光學鏡頭結(jié)構(gòu)進行消熱設計。該文選擇鈦合金作為各透鏡之間的機械間隔隔圈材料，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，該項目將光學鏡頭的鏡筒壁厚作為相關(guān)變量，以此來進行鏡筒輕量的對比試驗，進而對鏡筒的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，選取最佳的鏡筒參數(shù)應用于實際項目中。

通過有限元軟件的相關(guān)功能對鏡筒壁的特定節(jié)點進行固定[7]，通過調(diào)整固定的節(jié)點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)的設計空間及實踐經(jīng)驗提升鏡筒壁性能的變形，進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)進行優(yōu)化后，再經(jīng)過迭代計算能夠得出最適合的變量尺寸。試驗表明，大視場下的光學鏡頭以及鏡筒經(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，也達到了預期的目標。考慮鏡筒結(jié)構(gòu)的工藝要求，還需要對減輕后的鏡筒進行大小和尺寸方面的調(diào)整。

3 空間TOF 相機整機優(yōu)化設計

對TOF 相機整機進行仿真分析[8]能夠更直觀地展示出該項目試驗的成果。采用三維設計軟件UG 對TOF 相機的整體結(jié)構(gòu)進行模擬，將整機的三維模型導入至建模軟件中搭建模型圖，再將TOF 相機的整機與衛(wèi)星系統(tǒng)連接，模擬TOF相機鏡頭的全過程運行狀態(tài)。TOF 相機的有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型圖

3.1 過載適應性分析

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

表3 過載適應性結(jié)果分析

根據(jù)表3 可知，TOF 相機受到X、Y、Z這3 個不同方向上的力時，發(fā)生最大應力變化的是在Y方向，并且最大的應力值7.18MPa 也是在Y方向，符合設計材料的應力標準。所以TOF 相機在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 不足以影響相機成像效果。

3.2 溫度適應性分析

TOF 相機在空間環(huán)境下工作時，相機的工作溫度會受空間環(huán)境溫度及自身電子器件工作時產(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的熱應力與熱應變。該文在-10℃～55℃溫度載荷工況下進行溫度適應性分析。其中，當溫度處于55℃時，TOF 相機的最大應力為120MPa，最大變形為177μm，該應力產(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 相機的整機進行模態(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，當溫度處于55℃載荷作用時，相機的最大應力為120MPa，最大變形為177μ。該應力發(fā)生在鏡罩與電箱的接口處，屬于應力集中現(xiàn)象，同時鏡罩與電箱均采用鋁合金材料，該應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

通過頻率響應試驗能夠分析出TOF 相機整體結(jié)構(gòu)的動力響應結(jié)果。由于TOF 空間相機在運載階段會受到力學環(huán)境的影響，因此通過頻率響應分析能夠得到TOF 相機整機結(jié)構(gòu)組件在不同頻率下的振動情況以及應力表現(xiàn)，并且還需要分析TOF 相機整機結(jié)構(gòu)是否能夠避免在力學環(huán)境下出現(xiàn)共振現(xiàn)象。

4 鏡頭最終優(yōu)化效果

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

圖5 空間TOF 相機光學鏡頭實物

5 結(jié)語

綜上所述，該文通過對TOF 相機的大視場光學鏡頭進行相關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析試驗，并對TOF 相機進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 相機的整機結(jié)構(gòu)進行過載分析、模態(tài)分析等，得出該項目的TOF 相機結(jié)構(gòu)能夠滿足實際的應用標準。此外，該文經(jīng)過一系列的試驗與分析，成功裝配出一枚TOF 相機大視場下的光學鏡頭實物，并且對實物鏡頭進行檢測，結(jié)果表明該鏡頭的各項指標均符合實際應用標準。

隨著科技的不斷發(fā)展與進步，相信TOF 相機的測量領(lǐng)域在未來將得到進一步發(fā)展，為我國空間探測事業(yè)做出新的貢獻。