雙色紅外光學系統(tǒng)結構設計和研究

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1、雙色紅外光學系統(tǒng)結構設計和研究摘要：對一個雙波段紅外光學系統(tǒng)進行完整的光機熱集成分析，包括光學設計、結構設計和結構分析，利用MSCNastran和Patran對光機結構系統(tǒng)進行熱彈性計算.分析可知4鏡和5鏡以及5鏡和6鏡間距的變化對系統(tǒng)整體成像質量的影響最大，熱彈性計算結果4鏡和5鏡間距改變30Pm而5鏡和6鏡間距改變6ym，最后將值代入Zemax中，分析成像質量，通過比較鏡間距改變前后的25線對兒處的MTF曲線，分析系統(tǒng)是否滿足設計要求.關鍵詞：雙色紅外；有限元分析；光機熱集成分類號:TB96文獻標志碼：B0引言隨著偽裝技術的發(fā)展，偵察識別目標的難度越來越大，單一波段的偵察已經(jīng)很難滿

2、足各種各樣的需求.由于目標在不同光譜波段下表現(xiàn)的光學特征有較大不同（例如常溫下地物輪廓長波紅外效果比中波紅外效果清晰，而紅外警戒多用中波紅外來看目標熱源），因而可以利用多波段來實現(xiàn)全天候、高分辨率目標偵察.光機熱集成分析是綜合結構力學、光學和熱力學等多種學科方法的一種分析技術.利用有限元軟件對紅外光學系統(tǒng)和熱分析建模，模擬惡劣環(huán)境對光學系統(tǒng)的具體影響，然后將模擬得到的參數(shù)代回光學設計軟件中進行光學成像分析，得到在可用溫度范圍內(nèi)成像穩(wěn)定的光學系統(tǒng).[1-2]1有限元熱分析原理有限元法基本思想是將求解區(qū)域離散為一組有限多個、按照一定的方式相互連接在一起的單元組合體.由于單元形狀和大小可以各

3、不相同，所以能非常好地適應復雜的幾何形狀、復雜的材料特性以及復雜的邊界條件，能將計算數(shù)學、計算機軟件和彈性理論等有機地結合在一起.有限元法可以對很多種工程狀況進行分析，對于紅外光學系統(tǒng)來說，熱分析是必不可少的.環(huán)境溫度變化時，結構表面和內(nèi)部會產(chǎn)生熱應力，當應力迗到一定值的時候，結構件屈服強度就會出現(xiàn)變化，內(nèi)部將產(chǎn)生膨脹或者收縮變形，也稱為熱變形.通常，熱變形只產(chǎn)生線應變￡(0-00)式中：a為材料的線膨脹系數(shù)；O為彈性體內(nèi)任意點瞬時溫度；O0為初始溫度.如果物體被約束或者各部分溫度變化不均勻，熱形變就不能夠自由進行，就會產(chǎn)生熱應力，當熱應力迗到一定的值的時候，結構的內(nèi)部就會產(chǎn)生微觀裂縫

4、，影響結構的功能.[3-4]2分析實例2.1光學系統(tǒng)分析本文的研究對象是一個能在4.4?5.4um和7.8?8.8Pm波段下工作的雙波段紅外光學系統(tǒng)，有效食距為183mm，視場為3°X2.25°，F(xiàn)#為2.68，工作溫度為-40?60°C，鏡子材料自左到右第1，4,5,6,7鏡采用的是鍺，2鏡采用硒化鋅，3鏡采用氟化鈣，鏡筒材料為鋁合金［5］，系統(tǒng)光路及MTF見圖1，在25線對數(shù)處的MTF值為0.3067.根據(jù)雙色紅外光學系統(tǒng)的實際指標要求，通過選擇衍射光學元件的適當參數(shù)和設計波長，以及通過鏡子材料的選取和光焦度的合理分配已經(jīng)完成了系統(tǒng)的雙色紅外消熱差的設計任務，而且基于衍射光學元件設

5、計出的雙色紅外消熱差光學系統(tǒng)不僅結構簡單，鏡片數(shù)量少，重量符合要求［6］，而且透過率較高，F(xiàn)#可以減小，增加光能利用率，有利于在不同的環(huán)境范圍內(nèi)和各種天氣狀況下對不同目標進行高精度的探測.3結論紅外系統(tǒng)對溫度的影響很敏感，為得到性能可靠的紅外光學系統(tǒng)，對紅外光學系統(tǒng)做光機熱集成分析.對某紅外雙波段光學系統(tǒng)進行光機結構設計，基于有限元分析方法利用MSCNastran&Patran對系統(tǒng)進行建模和熱載荷分析，研究系統(tǒng)中主要元件的改變對系統(tǒng)整體性能的影響.結果表明系統(tǒng)的無熱化效果很好，在設計溫度下系統(tǒng)性能表現(xiàn)良好，成像質量也很好，滿足設計要求.通過光機熱集成分析，對系統(tǒng)熱適應能力進行評估，大

6、大提高設計效率，降低風險和成本，驗證設計者的設計要求.光機熱集成方法是分析紅外光學系統(tǒng)的一種行之有效的手段.參考文獻：[1]劉小波.光機熱集成分析法在紅外光學系統(tǒng)中的應用[J].半導體光電，2008，29(6):973-975.LIUXiaobo.Applicationsofintegratedanalysisofoptical-structureinIRopticalsystem[J].SemiconductorOptoelectronics,2008，29(6)：973-975.[2]楊懌，張偉，陳時錦.空間望遠鏡主鏡的熱光學特性分析[J].光學技術，2006，32(1)：144-

7、147.YANGYi，ZHANGWei,CHENShijin.Studyonthermalopticspropertyofprimarymirrorappliedonaspacetelescope[J].OpticalTechnique,2006，32(1):144-147.[3]高明，王占軍.微光夜視儀空間棱鏡架有限元分析[J].西安工業(yè)大學學報，2011，31(1)：18-23.GAOMing，WANGZhanjun.Finiteeleme