多層套筒結構的紅外消熱差鏡頭設計與分析

王子威，張 宇，陳 驥，汪 興，李林濤

（1.昆明理工大學機電工程學院，云南昆明650500；2.云南北方馳宏光電有限公司，云南昆明650217）

多層套筒結構的紅外消熱差鏡頭設計與分析

王子威1，2，張 宇1，陳 驥2，汪 興2，李林濤2

（1.昆明理工大學機電工程學院，云南昆明650500；2.云南北方馳宏光電有限公司，云南昆明650217）

重點分析了采用多層套筒與波形彈簧墊圈相結合進行熱補償的紅外機械消熱差鏡頭，根據光學軟件給出的離焦量設計熱補償結構，并運用ANSYS軟件對熱補償結構進行了熱變形分析。經過試驗測試表明，采用多層套筒實現熱補償的鏡頭在－40～＋60℃的范圍內成像質量良好。

多層套筒結構；熱補償；熱變形；消熱差

1 引 言

隨著紅外光學技術的發展，紅外光學系統已廣泛應用于生產生活的各個領域。在實際應用中，紅外光學系統都要求能夠在較寬的溫度范圍內正常工作，而由于用于制作紅外鏡片的材料的折射率溫度系數較大［1］，因此當環境溫度改變時，紅外光學材料的厚度、透鏡的曲率和折射率以及光學元件的間隔等參數都會隨之改變，進而使光學系統的成像質量下降。因此在進行紅外光學系統設計時，必須充分考慮溫度對紅外光學系統的影響。采取必要的措施對因溫度引起的光學系統變化進行補償。

本文采用多層套筒與波形彈簧墊圈對紅外光學系統進行熱補償，軟件分析與實驗測試表明，在規定的溫度范圍內，該光學系統有較好的成像質量，溫度變化對本光學系統的影響較小。

2 紅外鏡頭熱補償設計的方式

紅外光學系統熱補償的方式有機械、機電和光學［2］，具體來說一般有以下幾種：

機械被動式：被動改變透鏡或透鏡組的位置來補償溫度效應。位置的改變是通過機械結構材料本身熱脹冷縮特性或是采用特殊的機械結構形式來實現的。機械主動（電子）式：通過手動或機電的方式來移動透鏡或透鏡組。該方式利用溫度傳感器感應溫度變化，再由處理器計算出補償元件需要移動的位移量，然后將電信號發送給驅動電機，進而帶動補償透鏡的結構件使其產生位移。光學被動式：該方式是通過選擇不同的光學材料組合來消熱差。如果要同時滿足消熱差和消色差，至少得選擇3種材料。還有一種方式是引入衍射元件來消熱差。

本文采用機械被動熱補償的方式來實現鏡頭的設計制造，機械被動熱補償技術在紅外光學系統消熱中具有一定的優勢［3］，該方式的優點在于：在不增加電機和透鏡等的條件下，采用特殊的材料與巧妙設計的結構耦合，實現光學系統的熱補償，該方式可在一定條件下減小鏡頭體積，而且有較高的透過率和可靠性，制造成本低，同時也降低了光學設計的難度。

3 鏡頭設計與軟件分析

3.1 光學系統設計

根據光學系統的要求，本文紅外鏡頭的光學系統參數如表1所示。

表1 紅外機械消熱差鏡頭性能指標

設計機械消熱差光學系統的思路是要保證在溫度變化時光學系統產生的離焦量由機械結構的熱脹冷縮量補償。本文采用ZEMAX軟件對光學系統進行設計，經過設計光學系統由兩透鏡組成，透鏡材料均為鍺，同時為了提高成像質量，該光學系統還使用了一個以非球面為基底的衍射面和一個非球面。衍射面可以更好的消除像差，也可以利用其熱差特性減小高低溫下的離焦量。另外，在設計使用機械被動式消熱方式得光學系統時，應盡量減小透鏡口徑的差異，便于后期的結構設計，同時也要考慮透鏡的可加工性與經濟性。綜合以上各方面考慮，本文設計的機械被動式消熱差的光學系統如圖1所示。

圖1 機械被動式消熱差光學系統圖

3.2 機械結構設計

機械被動式消熱差鏡頭的結構設計重點是：根據光學設計給出的在不同溫度下的離焦量對消熱結構進行設計。本文消熱結構采用的是多層套筒結構，其具體情況需要滿足的情況是：在溫度升高時，多層套筒結構的膨脹可以推動光學系統整體向物方移動；在溫度降低時，多層套筒結構的收縮帶動光學系統整體向像方靠近。為了保證透鏡組在溫度變化時整體移動的有效性，在透鏡組放置的內筒與外鏡筒之間增加了波形彈簧墊圈。

整個機械結構的設計重點是用于消熱的多層套筒結構，光學設計給出了在－40℃和＋60℃范圍內光學系統的離焦量為0.256158 mm和0.155534 mm。

本文采用的消熱結構為多層套筒的形式，該結構一般由高線膨脹系數的塑料件和金屬件組成，通過不同材料的組合，實現對光學系統離焦量的補償。根據光學系統設中計算得出的離焦量，在本次消熱結構的設計中采用了三層套筒的結構來補償離焦量，上下兩層采用高線膨脹系數的聚甲醛（POM），中間層采用304不銹鋼，鏡頭的其他部分結構采用硬鋁合金。該多層套筒消熱結構的具體的經驗設計公式為：

其中，L1為消熱結構塑料件的總長；L2為消熱結構中金屬件的長度；α1為塑料件的線膨脹系數；α2為金屬件的線膨脹系數；ΔT為溫度的變化量；L為光學系統的離焦量。

根據公式（1）進行消熱設計時，通過光學系統的得到L，然后根據鏡頭的整體結構以及消熱結構的放置空間反求出L1和L2的長度，最終確定的多層套筒結構形式如圖2所示。

圖2 機械消熱差鏡頭結構示意圖

3.3 消熱結構的有限元分析

設計公式（1）只是考慮在均勻溫度場中且材料自身無約束的情況下的自由膨脹冷縮，未考慮實際情況。而且以往由經驗設計公式得出的結構也沒有進行有效的驗證。本文的消熱結構在實際中的工作情況為：一端固定約束，一端彈簧約束。傳統的經驗公式無法模擬消熱結構的實際工作情況，所以無法精確的計算出整個結構的熱脹冷縮量。因此，本文采用了有限元軟件對多層套筒的消熱結構進行了較符合實際情況的分析。

有限元法在熱分析中可模擬溫度場分布［4］，也可近似計算出結構的熱變形與熱應力，因此該方法也廣泛應用于工程實際中，各種的分析軟件是基于該方法。在眾多的熱分析軟件中ANSYS軟件的應用極為廣泛，因此本文的熱分析采用ANSYS軟件來進行。

在用ANSYS分析時，由于多層套筒的消熱結構為完全對稱的圓筒結構，所以截取了該結構的一個軸向的截面來分析。分析時在整個消熱結構左端節點上添加了對X、Y方向的位移約束，在其右端增加了彈簧單元，以模擬該消熱結構的實際工作情況。在進行熱分析之前需要知道材料的相關熱力學與機械性能參數，本文涉及到的兩種材料的具體參數如表2所示。

表2 消熱結構相關元件參數

在建立好有限元模型以及設定好參數以及約束與載荷后，對設計的消熱結構進行了分析。通過軟件的計算得出了消熱結構在－40℃和＋60℃時的變形情況如圖3和圖4所示。

圖3 －40℃時消熱結構位移變化云圖

圖4 ＋60℃時消熱結構位移變化云圖

從圖中看出在－40℃時整個消熱結構的熱膨脹量為0.246 mm，在＋60℃時整個消熱結構的熱膨脹量為0.164 mm，而由光學軟件分析出的離焦量分別為0.256158 mm和0.155534 mm，即在進行消熱設計后整個光學系統的在高低溫下的離焦量分別為0.01018 mm和0.008466 mm。根據光學瑞利原則［5］，溫度造成的系統離焦量應不大于系統的焦深，即：

而該鏡頭的焦平面偏移量最大為0.01018 mm，遠小于該鏡頭的焦深滿足成像質量的要求。

結合光學與結構設計的結果，并堅持結構簡單可靠，光機耦合度高，符合無熱化的要求，設計制造完成的鏡頭如圖5所示。

圖5 加工完的機械消熱差鏡頭

4 鏡頭實際測試與高低溫實驗

4.1 MTF測試與常溫成像

MTF值是評價熱紅外系統最重要的參考指標。調制傳遞函數可以反映出不同波段到達探測器的光強度的大小，通常MTF水平較高時，紅外圖像會更加清晰。利用EOI公司生產的VIP100 camera test system，對本系統進行MTF測試，常溫的測試結果如圖6所示。

圖6 20℃時系統MTF圖像

另外還測試了該鏡頭在室溫下的成像效果，圖7為該鏡頭在室溫下的成像效果圖。

圖7 室溫下鏡頭成像效果圖

結合MTF的測試結果與室溫時的成像圖，可以看出本鏡頭在常溫下的成像質量良好，常溫下光學系統的性能指標也符合要求。

4.2 高低溫試驗

為了驗證多層套筒結構的熱補償效果，以及該鏡頭在各個溫度下成像質量，采用ESPEC公司的高低溫測試系統進行高低溫的測試，測試原理圖如圖8所示，黑體源采用溫差源黑體，并調節溫度與室溫溫差在（3±0.5）℃之間。黑體光線通過靶標形成需要被測圖形，然后通過平行光管射入置于高低溫箱內的紅外系統中。紅外系統的成像輸出到顯示器，由顯示器及分析設備對圖像進行分析。

圖8 溫度自適應紅外光學系統測試原理圖

根據鏡頭的實際工作環境，高低溫箱模擬了－40℃和＋60℃的工作溫度，圖9為系統在高低溫箱中達到－40℃和＋60℃后保溫半小時之后的成像效果圖。

圖9 鏡頭高低溫成像效果圖

從上面兩幅圖中可以看出，該光學系統在非常溫狀態下成像質量有所下降，但圖中仍可以分辨出四桿靶。這說明該光學系統在高低溫下成像質量良好，滿足實際使用的要求。

5 結 論

本文為了提高機械被動消熱鏡頭的熱補償效果，采用了多層套筒的結構形式，通過有限元軟件與光學軟件的配合分析，設計了鏡頭的結構。鏡頭的測試與實驗表明，多層套筒的消熱結構可以很好的補償光學系統在高低溫時的離焦量，同時也表明文中的采用的分析方法，可以應用在同類鏡頭的設計分析中。

［1］ Jiao Mingyin，Feng Zhuoxiang.Athermalized infrared hybrid optical system by employing diffractive element［J］. Acta Optica Sinica，2001，21（11）：1364－1367.（in Chinese）焦明印，馮卓祥.采用衍射元件實現消熱差的混合紅外光學系統［J］.光學學報，2001，21（11）：1364－1367.

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［4］ Tang Yu，Li Junshan，Chen xia.Analysis of the temperaturemodle ofmoving armored vechicle based on finite elementmethod［J］.Laser＆Infrared，2010，40（9）：965－969.（in Chinese）湯雨，李俊山，陳霞.基于有限元法的運動裝甲車輛溫度模型分析［J］.激光與紅外，2010，40（9）：965－969.

［5］ Hu Jiashen.Introduction to optical engineering［M］.2nd ed.Dalian：Dalian University of Technology Press，2005：567－568.（in Chinese）胡家升.光學工程導論［M］.2版.大連：大連理工大學出版社，2005：567－568.

Design and analysis of infrared athermalization lens based on multi-layer sleeve

WANG Zi-wei1，2，ZHANG Yu1，CHEN Ji2，WANG Xing2，LILin-tao2
（1.Faculty of Mechanical and Electrical Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China；2.Yunnan KIRO-CH Photonics Co.Ltd，Kunming 650217，China）

Anmechanical athermalization infrared lens which used multi-layer sleeve and wave spring washer combining thermal compensation was emphatically analyzed.According to the defocus amount given by optical software to design thermal compensation structure，the thermal compensation structure was analyzed by ANSYS.Test shows that the lenses which used multi-layer sleeve and wave spring washer combining thermal compensation has favorable performance between－40℃and＋60℃.

multi-sleeve structure；thermal compensation；thermal deformation；athermalization

TN216

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2014.02.0

1001-5078（2014）02-0183-04

王子威（1987－），男，碩士研究生，主要研究方向為紅外光學與結構設計，紅外機械消熱差鏡頭結構熱分析。E-mail：wangziwei06020443＠126.com

2013-06-27；

2013-07-20