低溫紅外系統光機結構設計

蘇超

摘 要：隨著我國紅外技術研究成果的不斷涌現，目前其在光機系統結構設計方面的應用也變得越來越普遍。結合低溫紅外系統光機結構的技術背景，文章首先分析了低溫紅外系統光機結構設計基本原則，其次對低溫紅外系統光機結構的設計流程與優化策略進行了解分析，希望能夠為紅外光學系統的構建發展提供新思路與參考。

關鍵詞：低溫紅外系統；光機；結構優化

紅外設備在低溫條件下工作時會受到各種外界環境因素的影響，所以紅外系統光機結構的設計一直是困擾行業發展的重要限制性因素。為了提升光學系統的穩定性，確保在低溫環境下依然保障良好的熱應力適應性，就必須提升低溫紅外系統光機結構優化系數。為了實現這個目標，現就低溫紅外系統光機技術背景的相關內容分享如下。

一、低溫紅外系統光機技術背景

當處于較低的溫度環境當中時，無論是加工，還是裝配甚至是設備的正常開啟都會受到限制和影響。這是由于在較低的溫度調節下，不同的材料具有不同的熱膨脹系數，當溫度降低到一定程度，不同的熱膨脹系數會帶來不同程度的形變量，而這種形變量并不一定會表現出具體的形變，會通過一定形變內應力的方式展現出來，這就是低溫環境中光機穩定性不足的重要原因之一。除此之外，根據選擇的材料差異，結構方面也會發生變形，比如說CTE參數不同，會引發明顯的光學材料折射率的變換，這樣一來系統的參數得不到保障，光學精確度出現偏差，光機的分辨率就會受到巨大的影響，出現拍攝圖像質量下滑的問題。由此可見，低溫紅外系統的光學結構設計對比常規光學結構具有更為苛刻的要求。

二、低溫紅外系統光機結構設計原則

1.均一性原則

所謂均一性原則，是指在進行光學結構的設計時選擇相近甚至完全一致的材料來避免由于溫度變化而帶來的結構應力上的差異。在材料相似或者完全一致的情況下，溫度的下降會帶來相同的形變量，由于在裝配過程中選擇了完全一致的材料，所以溫度引發的變形量也會相同，且不會由此出現應力變化，綜上整個系統就能夠保持高度的熱穩定性，也就符合了低溫紅外系統光機結構的設計要求與預期。但是，根據上述分析我們也不難發現，均一性原則對于材料的要求極高，而光學材料在透射類型的裝置中往往需要不同類型的材料來實現其基本功能，所以不太可能選擇完全一樣的材料。一旦選擇了不同類型的材料，就會由于熱漲力引發室溫、低溫條件變化，進而引發材料內應力，出現一系列問題。

2.不調整原則

不調整原則是指在光學系統的設計過程中，通過誤差分析、材料匹配等各種方式來對系統進行整體設計，完成整體設計后，不出現特殊情況不能夠對系統進行修改。特別是不能夠采用傳統的修磨的方式對其進行修改。這是由于不同的溫度變化會具有一定的等待時間，當出現溫度變化或者真空化之后，在室溫下進行調整，再進入到低溫狀態下，依然會引發新的問題，甚至會出現不可預期的嚴重問題。所以，在進行設計時應該做好科學規劃，從整體籌劃的角度上進行思路整理，綜合考慮到多個層面的內容，做好設計優化工作，避免在設計后期進行各種修補、刪減，以確保系統最終的穩定性要求。

三、低溫紅外系統光機結構設計

1.反射鏡設計

在紅外系統當中，望遠鏡的選擇對于光學系統的構建十分關鍵。一般來說，厚度不均勻的離軸反射鏡是進行反射鏡設計的最佳方法。在鏡子加工過程中，可以采用單點安裝的方式來將其固定到安裝座上，通過背面基板的中心定位孔來實現精準定位，同時用螺紋孔進行管理，用于控制鏡子的旋轉位置。在這個過程中，溝槽能夠提供豐富的運動自由度而不太會影響到整體線性分布，以此來確保系統的位置與結構穩定性。

2.透鏡設計

在進行透鏡的設計安裝時，需要考慮到光學設計誤差方面的系統要求。在滿足冷卻過程中的內應力變化的前提下做好固定安裝工作。一般來說，傳統的安裝方法是采用壓環固定的方式進行安裝，這種方式可能會由于材料本身在熱膨脹系數方面存在較大的差異而引發透鏡損壞或者精度下降的問題。針對這個情況，可以采用運動學安裝設計的方式予以解決。具體的方法能夠確保透鏡在光軸上的平移自由度，同時降低環境溫度對結構件的應力影響，確保將應力完全釋放出來，不容易導致后期的材料損耗。除此之外，在接觸面上透鏡可能會出現滑動情況，或者由于溫度的變換而出現一些微小的位移，要解決這些問題就需要妥善考慮好冷卻關系，提前留出充足的余量。

3.濾波輪設計

濾波輪在進行設計時需要選擇四個濾光片，借助于不同的探測需要來進行組裝，實際的結構類型需要結合工況條件進行判斷。通過將濾波輪中心固定在低溫球的軸承上，能夠確保其在相對較低的溫度下正常運轉，同時類似于濾波輪外圓的加工模式需要在齒輪嚙合驅動條件下進行自由的切換。為了進一步確定濾光片的位置，可以采用濾波輪外圓設計鎖緊的方式來進行管理，通過濾波輪中心加裝球軸承的方式，實現滾珠、軸承環的接觸，使得整個接觸面積得到有效的控制，在一定程度上確保熱傳導性能的穩定，這樣一來濾波輪組件的冷卻周期就會變得很長，可以加速冷卻，縮短整個過程所需要的時間。值得注意的是，在進行定位鎖緊機構的設計時，需要考慮不同端點的壓縮彈簧結構的伸縮量，確保細桿能夠徑向運動，在步進電機濾波輪旋轉時可以完全進入到凹槽當中，這樣一來電機停止后，兩個最終的V字形結構就可以運行到濾波輪指定的區域內。

總結

綜上所述，低溫紅外系統光機結構設計是確保光學元件在低溫條件下能夠維持良好的穩定性的必要條件。在進行低溫紅外系統光機結構的設計優化過程中，需要考慮到低溫紅外光機設計的均一性、不調整性原則，以此來提升結構設計的科學性、針對性。本文對于低溫紅外系統光機結構的設計與優化途徑進行了解析，提出了反射鏡設計、透鏡設計以及濾波輪設計等方面的優化內容，希望能夠為技術優化與發展提供必要的支撐。

參考文獻：

[1]陳永和. 應用于中短波紅外天文觀測的空間低溫光學系統研究[D].中國科學院大學（中國科學院上海技術物理研究所），2017.

[2]翟金龍. 低溫紅外目標模擬光學系統設計及反射鏡制冷技術研究[D].哈爾濱工業大學，2016.

[3]周超.低溫紅外系統光機結構設計[J].紅外與激光工程，2013，42（08）：2092-2096.

[4]許敏達. 低溫多目標復合紅外仿真系統光機熱特性研究[D].哈爾濱工業大學，2013.