基于紅外鏡頭的光機熱集成分析研究

朱峰

摘要： 為解決紅外鏡頭工作溫度范圍寬的問題，本文基于光機熱集成分析，設(shè)計了一個焦距為200mm的冷光纜匹配紅外鏡頭，該鏡頭充分考慮了環(huán)境溫度及系統(tǒng)熱變形對光學(xué)性能的影響。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建鏡頭組有限元模型，并進行-40～60℃的實際溫度載荷的熱力學(xué)分析，獲得各鏡片的間隔以及面形變化，并將其通過Zernike多項式作為數(shù)據(jù)接口接入光學(xué)設(shè)計軟件，獲得典型溫度下的鏡頭組傳遞函數(shù)圖。結(jié)果表明該新型紅外鏡頭在較寬溫度范圍內(nèi)具有較好的視場成像質(zhì)量，且鏡頭結(jié)構(gòu)可靠、簡潔，滿足設(shè)計需求。

Abstract： In order to solve the problem of wide working temperature range of infrared lens， this paper designs a cold-fiber matched infrared lens with a focal length of 200mm based on the optical machine thermal integration analysis. The lens takes into account the influence of ambient temperature and thermal deformation on the optical performance. On this basis， the finite element model of the lens group is constructed and the thermodynamic analysis of the actual temperature load of -40 ～ 60 ℃ is carried out， and the interval and shape change of each lens are obtained， then it is taken as the data interface to the optical design software passed through the Zernike polynomial， and the lens group transfer function diagram under typical temperature is got. The results show that the new infrared lens has better field image quality in a wide temperature range， the lens structure is reliable and simple， and it meets the design requirements.

關(guān)鍵詞： 紅外鏡頭；光機熱集成；溫度；有限元

Key words： infrared lens；optical machine thermal integration；temperature；finite element

中圖分類號：TN214 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）16-0218-03

0 引言

光學(xué)系統(tǒng)，特別是精度較高的紅外光學(xué)系統(tǒng)，其典型工作環(huán)境具有較大的溫度變化區(qū)間，尤其是在短時間內(nèi)環(huán)境溫度發(fā)生巨大改變，光學(xué)系統(tǒng)鏡片及結(jié)構(gòu)件的溫度也會隨之改變，進而影響鏡片材料的熱膨脹量，造成光學(xué)系統(tǒng)的熱應(yīng)力及熱形變，從而導(dǎo)致鏡片間隔的變化、鏡片變形以及鏡片折射率變化，影響光學(xué)系統(tǒng)焦距和像面等參數(shù)，最終影響成像質(zhì)量。因此，設(shè)計紅外鏡頭時，應(yīng)考慮溫度工作范圍較寬的需求，即要求光機熱一體化設(shè)計。

高精度光學(xué)儀器包括光、機、電、熱等多學(xué)科，因此在進行設(shè)計時，必須充分考慮學(xué)科之間的相互影響。光機熱集成分析法以系統(tǒng)工程觀點為出發(fā)點，綜合考慮光學(xué)、機械以及外部熱等的關(guān)系，基于CAD/CAE的技術(shù)手段，進行光學(xué)儀器系統(tǒng)最優(yōu)化設(shè)計，是目前光學(xué)儀器設(shè)計分析最為有效的方式。本文基于光機熱集成分析，設(shè)計了一個焦距為200mm的冷光纜匹配紅外鏡頭。

1 光機熱集成設(shè)計原理及新型紅外鏡頭設(shè)計

1.1 光機熱集成設(shè)計

光機熱集成設(shè)計結(jié)合了多種設(shè)計，包括熱力學(xué)耦合、結(jié)構(gòu)、光學(xué)系統(tǒng)等，并且利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口可將每個設(shè)計之間的數(shù)據(jù)進行傳遞，每得出一個設(shè)計分析處理結(jié)果，其它設(shè)計處理就能夠據(jù)此進行分析。圖1所示表示光機熱集成設(shè)計具體流程。第一步先參考距離作用、使用條件進行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，并基于光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建紅外鏡頭結(jié)構(gòu)樣機，在此基礎(chǔ)上生成有限元模型，同時添加環(huán)境溫度及機械荷載變化生成熱模型。通過分析求解獲得紅外鏡頭基于環(huán)境溫度條件下的光學(xué)元件溫度及表面形變，利用Zernike多項式擬合，獲得溫變后相關(guān)參數(shù)，并將這些參數(shù)重新帶入光學(xué)設(shè)計軟件進行分析，從而獲得相關(guān)環(huán)境溫度下的成像質(zhì)量。光機熱集成設(shè)計是一個閉環(huán)設(shè)計，處于不斷優(yōu)化的過程中。

1.2 新型紅外鏡頭設(shè)計

本文設(shè)計的新型紅外鏡頭，其相關(guān)光學(xué)指標如下：焦距為200mm，探測器像元數(shù)為320×240，像元尺寸為25μm×25μm，工作溫度為-40～60℃。針對以上要求，若不存在其他約束條件，可以選用光學(xué)結(jié)構(gòu)形式。然而光學(xué)系統(tǒng)長度方向要求嚴格，因此為壓縮長度方向尺寸，并實現(xiàn)系統(tǒng)較佳的冷光纜匹配，在進行紅外鏡頭設(shè)計時利用二次成像模式，即先將入瞳放置在第一面，通過前組透鏡成一次像面，接著后組鏡頭將一次像面聚焦于焦面，并將入瞳在系統(tǒng)冷光欄處成像，具體設(shè)計圖如圖2所示。

系統(tǒng)前組透鏡組成包括3片正光焦度的Si鏡片以及1片負光焦度的Ge鏡片，其中Si鏡片主要目的是聚焦并修正球差，Ge鏡片的主要目的在于矯正色差。系統(tǒng)后組透鏡組成有3片Si鏡片組成。后組透鏡主要通過中間像面二次成像，實現(xiàn)與前組一起聯(lián)合矯正色差及球差目的。整個前組鏡頭焦距為50mm，后組鏡頭放大倍數(shù)為4，一次像面移動一個單位，最終實現(xiàn)像面移動16個單位。透鏡前后組間距受像面位置影響顯著，而系統(tǒng)性能基本不受前后組鏡頭內(nèi)部的鏡片間距變化的影響，為此，可以將前后組間隔看做是補償量用于調(diào)整像面位置。但使用單一結(jié)構(gòu)材料無法實現(xiàn)間隔補償，為此，利用雙金屬結(jié)構(gòu)補償模式，即高低膨脹系數(shù)的結(jié)構(gòu)材料組合進行補償。本文高、低膨脹系數(shù)選用的是鋁合金與銦鋼，最終結(jié)果是紅外鏡頭總長為146mm，銦鋼筒長和鋁鏡筒長分別為107mm、67.5mm。

2 新型紅外鏡頭的光機熱集成分析

2.1 有限元分析

基于有限元分析軟件構(gòu)建結(jié)構(gòu)分析及熱分析有限元模型。網(wǎng)格利用六面體及四面體，節(jié)點數(shù)有27168，單元個數(shù)為17788，所采用的材料特性如表1所示。在進行光機熱集成分析時，要將溫度場分析的數(shù)據(jù)作為載荷進行熱力學(xué)分析，從而獲得各鏡頭的變形值。同時對每個鏡頭鏡面的節(jié)點位移進行提取，進行Zernike多項式擬合，進而獲得光學(xué)鏡面面形變化，在分析過程中選用標準Zernike多項式。

2.2 Zernike 多項式擬合

完成熱分析之后，則需要將溫度改變后的鏡片面型變形呈現(xiàn)在光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量改變上，主要通過Zernike 多項式將各鏡片面型位移置入光學(xué)設(shè)計軟件。Zernike 多項式擬合的每項系數(shù)都有具體含義，比如X軸像散、X軸傾斜、平移、Y軸傾斜與像散等。在用Zernike 系數(shù)表征鏡片表面畸變擬合時，這些函數(shù)物理含義不變，為此可以通過Zernike 多項式對面型變化擬合，便可以直觀表征鏡片表面情況。

其次由于Zernike 多項式各項滿足正交關(guān)系，為此刪除某些項不會對其他項產(chǎn)生影響， 因此可以簡單通過擬合模式獲得Zernike 多項式所對應(yīng)的偏移、傾斜等剛體位移的系數(shù)剔除，卻不對鏡片整體面型形變產(chǎn)生影響。因此，采用Zernike 多項式作為數(shù)據(jù)接口進行熱分析。

2.3 成像質(zhì)量分析

將熱力學(xué)分析后處理可以獲得各鏡片間隔改變量、鏡面面型變化的Zernike系數(shù)、鏡片材料的折射率溫度改變系數(shù)等參數(shù)置入光學(xué)設(shè)計軟件，可以獲得各典型溫度節(jié)點下的光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)，如圖3所示。

通過分析上述曲線可以發(fā)現(xiàn)：鏡頭組在-40℃、20℃以及60℃條件下各視場16線對的傳遞函數(shù)均高于0.6，即成像質(zhì)量良好。由于鏡頭組的熱變形在此溫度區(qū)間可以看做線形變化，為此，-40℃及60℃條件下的鏡頭組形變量則代表了整個溫度區(qū)間的正負最大變形。由于-40℃及60℃最大形變量仍符合光學(xué)系統(tǒng)性能指標要求，為此，對于該新型紅外鏡頭在整個-40℃～60℃區(qū)間的熱形變均不會導(dǎo)致鏡頭組性能變差。

圖4為未經(jīng)光機熱集成分析設(shè)計的紅外鏡頭光學(xué)傳遞函數(shù)圖。由圖可知，紅外鏡頭工作在低溫條件下，光學(xué)系統(tǒng)成像品質(zhì)發(fā)生極大改變。相對于未經(jīng)光機熱集成分析設(shè)計的紅外鏡頭，基于光機熱集成分析的新型紅外鏡頭滿足設(shè)計和使用要求。

3 結(jié)論

紅外光學(xué)系統(tǒng)的成像受溫度影響極大，通過光機一體化設(shè)計模式，設(shè)計新型紅外鏡頭使其工作溫度范圍為

-40℃～60℃，并構(gòu)建了鏡頭組光機模型，該模型在結(jié)構(gòu)上利用了無熱化設(shè)計模式，進行有限元模型熱分析，并通過Zernike多項式擬合，分析了溫度變化對鏡片面型和成像質(zhì)量影響，同時給出了相關(guān)鏡頭組的傳遞函數(shù)。結(jié)果顯示：該新型基于光機熱一體化設(shè)計的紅外鏡頭組在-40℃～60℃成像質(zhì)量極佳，且該紅外鏡頭設(shè)計簡單、簡潔，符合設(shè)計及使用要求。本文基于光機熱一體化進行紅外鏡頭設(shè)計，并進行光機熱集成分析研究，可以為相關(guān)人員進行紅外鏡頭研究提供借鑒與參考。

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