多層套筒結(jié)構(gòu)的紅外消熱差鏡頭設(shè)計與分析

王子威，張 宇，陳 驥，汪 興，李林濤

（1.昆明理工大學(xué)機電工程學(xué)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(jié)構(gòu)的紅外消熱差鏡頭設(shè)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(xué)機電工程學(xué)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(jié)合進(jìn)行熱補償?shù)募t外機械消熱差鏡頭，根據(jù)光學(xué)軟件給出的離焦量設(shè)計熱補償結(jié)構(gòu)，并運用ANSYS軟件對熱補償結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱變形分析。經(jīng)過試驗測試表明，采用多層套筒實現(xiàn)熱補償?shù)溺R頭在－40～＋60℃的范圍內(nèi)成像質(zhì)量良好。

多層套筒結(jié)構(gòu)；熱補償；熱變形；消熱差

1 引 言

隨著紅外光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，紅外光學(xué)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域。在實際應(yīng)用中，紅外光學(xué)系統(tǒng)都要求能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)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(shù)較大［1］，因此當(dāng)環(huán)境溫度改變時，紅外光學(xué)材料的厚度、透鏡的曲率和折射率以及光學(xué)元件的間隔等參數(shù)都會隨之改變，進(jìn)而使光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量下降。因此在進(jìn)行紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計時，必須充分考慮溫度對紅外光學(xué)系統(tǒng)的影響。采取必要的措施對因溫度引起的光學(xué)系統(tǒng)變化進(jìn)行補償。

本文采用多層套筒與波形彈簧墊圈對紅外光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行熱補償，軟件分析與實驗測試表明，在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，該光學(xué)系統(tǒng)有較好的成像質(zhì)量，溫度變化對本光學(xué)系統(tǒng)的影響較小。

2 紅外鏡頭熱補償設(shè)計的方式

紅外光學(xué)系統(tǒng)熱補償?shù)姆绞接袡C械、機電和光學(xué)［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(yīng)。位置的改變是通過機械結(jié)構(gòu)材料本身熱脹冷縮特性或是采用特殊的機械結(jié)構(gòu)形式來實現(xiàn)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(yīng)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(fā)送給驅(qū)動電機，進(jìn)而帶動補償透鏡的結(jié)構(gòu)件使其產(chǎn)生位移。光學(xué)被動式：該方式是通過選擇不同的光學(xué)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?shù)姆绞絹韺崿F(xiàn)鏡頭的設(shè)計制造，機械被動熱補償技術(shù)在紅外光學(xué)系統(tǒng)消熱中具有一定的優(yōu)勢［3］，該方式的優(yōu)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(shè)計的結(jié)構(gòu)耦合，實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)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(xué)設(shè)計的難度。

3 鏡頭設(shè)計與軟件分析

3.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的要求，本文紅外鏡頭的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 紅外機械消熱差鏡頭性能指標(biāo)

設(shè)計機械消熱差光學(xué)系統(tǒng)的思路是要保證在溫度變化時光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的離焦量由機械結(jié)構(gòu)的熱脹冷縮量補償。本文采用ZEMAX軟件對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，經(jīng)過設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)由兩透鏡組成，透鏡材料均為鍺，同時為了提高成像質(zhì)量，該光學(xué)系統(tǒng)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(shè)計使用機械被動式消熱方式得光學(xué)系統(tǒng)時，應(yīng)盡量減小透鏡口徑的差異，便于后期的結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時也要考慮透鏡的可加工性與經(jīng)濟性。綜合以上各方面考慮，本文設(shè)計的機械被動式消熱差的光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 機械被動式消熱差光學(xué)系統(tǒng)圖

3.2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械被動式消熱差鏡頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計重點是：根據(jù)光學(xué)設(shè)計給出的在不同溫度下的離焦量對消熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。本文消熱結(jié)構(gòu)采用的是多層套筒結(jié)構(gòu)，其具體情況需要滿足的情況是：在溫度升高時，多層套筒結(jié)構(gòu)的膨脹可以推動光學(xué)系統(tǒng)整體向物方移動；在溫度降低時，多層套筒結(jié)構(gòu)的收縮帶動光學(xué)系統(tǒng)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(nèi)筒與外鏡筒之間增加了波形彈簧墊圈。

整個機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計重點是用于消熱的多層套筒結(jié)構(gòu)，光學(xué)設(shè)計給出了在－40℃和＋60℃范圍內(nèi)光學(xué)系統(tǒng)的離焦量為0.256158 mm和0.155534 mm。

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

其中，L1為消熱結(jié)構(gòu)塑料件的總長；L2為消熱結(jié)構(gòu)中金屬件的長度；α1為塑料件的線膨脹系數(shù)；α2為金屬件的線膨脹系數(shù)；ΔT為溫度的變化量；L為光學(xué)系統(tǒng)的離焦量。

根據(jù)公式（1）進(jìn)行消熱設(shè)計時，通過光學(xué)系統(tǒng)的得到L，然后根據(jù)鏡頭的整體結(jié)構(gòu)以及消熱結(jié)構(gòu)的放置空間反求出L1和L2的長度，最終確定的多層套筒結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 機械消熱差鏡頭結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 消熱結(jié)構(gòu)的有限元分析

設(shè)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(jīng)驗設(shè)計公式得出的結(jié)構(gòu)也沒有進(jìn)行有效的驗證。本文的消熱結(jié)構(gòu)在實際中的工作情況為：一端固定約束，一端彈簧約束。傳統(tǒng)的經(jīng)驗公式無法模擬消熱結(jié)構(gòu)的實際工作情況，所以無法精確的計算出整個結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進(jìn)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(jié)構(gòu)的熱變形與熱應(yīng)力，因此該方法也廣泛應(yīng)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(yīng)用極為廣泛，因此本文的熱分析采用ANSYS軟件來進(jìn)行。

在用ANSYS分析時，由于多層套筒的消熱結(jié)構(gòu)為完全對稱的圓筒結(jié)構(gòu)，所以截取了該結(jié)構(gòu)的一個軸向的截面來分析。分析時在整個消熱結(jié)構(gòu)左端節(jié)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(jié)構(gòu)的實際工作情況。在進(jìn)行熱分析之前需要知道材料的相關(guān)熱力學(xué)與機械性能參數(shù)，本文涉及到的兩種材料的具體參數(shù)如表2所示。

表2 消熱結(jié)構(gòu)相關(guān)元件參數(shù)

在建立好有限元模型以及設(shè)定好參數(shù)以及約束與載荷后，對設(shè)計的消熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。通過軟件的計算得出了消熱結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)位移變化云圖

圖4 ＋60℃時消熱結(jié)構(gòu)位移變化云圖

從圖中看出在－40℃時整個消熱結(jié)構(gòu)的熱膨脹量為0.246 mm，在＋60℃時整個消熱結(jié)構(gòu)的熱膨脹量為0.164 mm，而由光學(xué)軟件分析出的離焦量分別為0.256158 mm和0.155534 mm，即在進(jìn)行消熱設(shè)計后整個光學(xué)系統(tǒng)的在高低溫下的離焦量分別為0.01018 mm和0.008466 mm。根據(jù)光學(xué)瑞利原則［5］，溫度造成的系統(tǒng)離焦量應(yīng)不大于系統(tǒng)的焦深，即：

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

結(jié)合光學(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計的結(jié)果，并堅持結(jié)構(gòu)簡單可靠，光機耦合度高，符合無熱化的要求，設(shè)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(tǒng)最重要的參考指標(biāo)。調(diào)制傳遞函數(shù)可以反映出不同波段到達(dá)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(chǎn)的VIP100 camera test system，對本系統(tǒng)進(jìn)行MTF測試，常溫的測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 20℃時系統(tǒng)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(jié)合MTF的測試結(jié)果與室溫時的成像圖，可以看出本鏡頭在常溫下的成像質(zhì)量良好，常溫下光學(xué)系統(tǒng)的性能指標(biāo)也符合要求。

4.2 高低溫試驗

為了驗證多層套筒結(jié)構(gòu)的熱補償效果，以及該鏡頭在各個溫度下成像質(zhì)量，采用ESPEC公司的高低溫測試系統(tǒng)進(jìn)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(diào)節(jié)溫度與室溫溫差在（3±0.5）℃之間。黑體光線通過靶標(biāo)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(nèi)的紅外系統(tǒng)中。紅外系統(tǒng)的成像輸出到顯示器，由顯示器及分析設(shè)備對圖像進(jìn)行分析。

圖8 溫度自適應(yīng)紅外光學(xué)系統(tǒng)測試原理圖

根據(jù)鏡頭的實際工作環(huán)境，高低溫箱模擬了－40℃和＋60℃的工作溫度，圖9為系統(tǒng)在高低溫箱中達(dá)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(xué)系統(tǒng)在非常溫狀態(tài)下成像質(zhì)量有所下降，但圖中仍可以分辨出四桿靶。這說明該光學(xué)系統(tǒng)在高低溫下成像質(zhì)量良好，滿足實際使用的要求。

5 結(jié) 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(jié)構(gòu)形式，通過有限元軟件與光學(xué)軟件的配合分析，設(shè)計了鏡頭的結(jié)構(gòu)。鏡頭的測試與實驗表明，多層套筒的消熱結(jié)構(gòu)可以很好的補償光學(xué)系統(tǒng)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(yīng)用在同類鏡頭的設(shè)計分析中。

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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(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計，紅外機械消熱差鏡頭結(jié)構(gòu)熱分析。E-mail：wangziwei06020443＠126.com

2013-06-27；

2013-07-20