切换式红外三视场光机组件的设计

　　1　引　言

　　军用红外热成像的应用领域通常需要红外光学系统能够同时提供高放大倍率的小视场图像和低放大倍率的大视场图像以完成系统对目标的搜索、瞄准和跟踪功能[1]。定焦系统难以满足需要,连续变倍系统是最佳选择,但在设计上有较大难度;与连续变焦红外光学系统相比,两档或多档变焦红外光学系统更加简捷而实用[2],双视场红外光学系统是实现上述要求的一种简便实用的途径[3],其中大视场或低放大倍率模式可用于观察大的景物区域、搜索疑似目标,小视场或高放大倍率模式可用于仔细观察或放大目标,对目标进行识别、跟踪与瞄准[4]。当大视场和小视场之间焦距变倍比比较大时,在两个视场中间加入一个过渡视场,则可以对大视场和小视场起到一个很好的补充作用。文中介绍了一种先进的3档中波红外热成像视场切换组件,变倍比为1∶4∶10,组件采用沿垂直光路的旋转轴进行光学组件的快速切入和切出实现大中小视场的变换,具有结构简单紧凑、切换速度快、定位可靠以及精度高等显著优点。

　　2　组件设计原理

　　2. 1　切换式三视场光学系统原理

　　为了在实现高性能、高像质的同时,尽可能减小体积、质量,系统设计引入了非球面光学和衍射光学设计技术[5-6],最终仅用5个光学零件获得大变倍比、高像质中波红外成像视场切换光学组件的设计结果。

　　视场组件包含两组光学镜片,切入光路内部则分别对应大视场和中视场,当两组光学镜片都不在光路内部时,对应的是系统的小视场状态,光路原理如图1所示。

　　2. 2　机械传动设计原理

　　为了简化机械设计和电控设计,在不影响传动功能的情况下,本组件设计采用单个直流微电机作为驱动元件并配合接触式微动开关实现视场的切换功能。具体传动原理如图2所示。

　　直流微电机出轴经两级齿轮传动(其中电机轴连接处为直齿轮,传动轴连接处为锥齿轮)驱动图中传动轴做旋转运动,传动轴圆周上间隔133°处内嵌两个导向直线轴承,轴承内各有可自由活动的拨销,拨销两端均为球状,通过弹簧分别与凸轮座和视场镜框接触,其中凸轮座本身升程随角度变化,拨销随着升程变化实现进入和离开视场镜框的动作,具体变化如图3所示。

　　传动轴旋转至0°时,此时光学系统处于小视场位置,大视场拨销开始向上进入大视场镜框的导向槽,中视场拨销处于133°的位置,开始离开中视场镜框的导向槽。

　　传动轴继续旋转,在0°~20°范围内,大视场拨销逐渐上升,直到达到3 mm的升程,此时拨销完全进入大视场镜框的导向槽,相对应的中视场拨销从133°旋转至153°位置,在弹簧的弹力作用以及直线轴承的导向作用下逐渐离开中视场镜框至完全脱开。随着传动轴继续旋转,大视场拨销带动大视场镜框到达旋转轴的83°位置,此时大视场镜框完全进入光路组件,而中视场镜框由于拨销已经脱离则保持原位置不动,此时系统处于大视场状态。