雙色紅外光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和研究

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1、雙色紅外光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和研究摘要：對一個雙波段紅外光學(xué)系統(tǒng)進行完整的光機熱集成分析，包括光學(xué)設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)分析，利用MSCNastran和Patran對光機結(jié)構(gòu)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(zhì)量的影響最大，熱彈性計算結(jié)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(zhì)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(shè)計要求.關(guān)鍵詞：雙色紅外；有限元分析；光機熱集成分類號:TB96文獻標(biāo)志碼：B0引言隨著偽裝技術(shù)的發(fā)展，偵察識別目標(biāo)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(biāo)在不同光譜波段下表現(xiàn)的光學(xué)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(biāo)熱源），因而可以利用多波段來實現(xiàn)全天候、高分辨率目標(biāo)偵察.光機熱集成分析是綜合結(jié)構(gòu)力學(xué)、光學(xué)和熱力學(xué)等多種學(xué)科方法的一種分析技術(shù).利用有限元軟件對紅外光學(xué)系統(tǒng)和熱分析建模，模擬惡劣環(huán)境對光學(xué)系統(tǒng)的具體影響，然后將模擬得到的參數(shù)代回光學(xué)設(shè)計軟件中進行光學(xué)成像分析，得到在可用溫度范圍內(nèi)成像穩(wěn)定的光學(xué)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(yīng)復(fù)雜的幾何形狀、復(fù)雜的材料特性以及復(fù)雜的邊界條件，能將計算數(shù)學(xué)、計算機軟件和彈性理論等有機地結(jié)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(xué)系統(tǒng)來說，熱分析是必不可少的.環(huán)境溫度變化時，結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部會產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力迗到一定值的時候，結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力迗到一定的值的時候，結(jié)構(gòu)的內(nèi)部就會產(chǎn)生微觀裂縫

4、，影響結(jié)構(gòu)的功能.[3-4]2分析實例2.1光學(xué)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(xué)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(xué)系統(tǒng)的實際指標(biāo)要求，通過選擇衍射光學(xué)元件的適當(dāng)參數(shù)和設(shè)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(shè)計任務(wù)，而且基于衍射光學(xué)元件設(shè)

5、計出的雙色紅外消熱差光學(xué)系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)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(biāo)進行高精度的探測.3結(jié)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(xué)系統(tǒng)，對紅外光學(xué)系統(tǒng)做光機熱集成分析.對某紅外雙波段光學(xué)系統(tǒng)進行光機結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)果表明系統(tǒng)的無熱化效果很好，在設(shè)計溫度下系統(tǒng)性能表現(xiàn)良好，成像質(zhì)量也很好，滿足設(shè)計要求.通過光機熱集成分析，對系統(tǒng)熱適應(yīng)能力進行評估，大

6、大提高設(shè)計效率，降低風(fēng)險和成本，驗證設(shè)計者的設(shè)計要求.光機熱集成方法是分析紅外光學(xué)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(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].半導(dǎo)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(yuǎn)鏡主鏡的熱光學(xué)特性分析[J].光學(xué)技術(shù)，2006，32(1)：144-

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