頭盔式單目低照度CMOS夜視儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

任桃桃，邱亞峰

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頭盔式單目低照度CMOS夜視儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

任桃桃，邱亞峰

（南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

結(jié)合頭盔式單目低照度CMOS夜視儀的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了物鏡系統(tǒng)以及目鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)元器件的形狀大小，在滿足強(qiáng)度要求的前提下，通過SolidWorks軟件設(shè)計(jì)優(yōu)化了夜視儀的主殼體結(jié)構(gòu)；然后將主殼體三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，根據(jù)主殼體的材料性能計(jì)算了其在極限溫度條件下的熱應(yīng)力應(yīng)變，應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度，應(yīng)變?cè)谡`差范圍之內(nèi)。最后對(duì)低照度CMOS夜視儀進(jìn)行了總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

低照度CMOS；夜視儀；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化；有限元分析

0 引言

夜視儀作為夜間行軍作戰(zhàn)重要裝備，一直以來是各國(guó)研究的重點(diǎn)，圍繞著紅外、微光等技術(shù)研制出的各類夜視裝備，主動(dòng)式紅外夜視儀發(fā)展比較成熟、但工作時(shí)需有紅外光源照射，易被敵方探測(cè)到而使自己暴露；微光夜視儀性不易暴露自己，但成本高、性能受天氣影響很大，如雨霧天便不能正常工作。由于夜視儀是配在頭盔上的，因此重量體積都要求越小越好，太大太重會(huì)影響士兵活動(dòng)。野外因?yàn)闆]有電源，因此功耗越低越好，低照度CMOS[1]圖像傳感技術(shù)是在傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感基礎(chǔ)上，提高信號(hào)的靈敏度以及信噪比，使其在低照度下保持良好的圖像傳感性能，它具體積小、功耗低等優(yōu)勢(shì)，本文基于低照度CMOS技術(shù)，對(duì)夜視儀的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)[2-3]。

1 技術(shù)要求與設(shè)計(jì)方案

1.1 技術(shù)要求

①探測(cè)距離：滿足1×10－3lx照度下，100m發(fā)現(xiàn)人；②放大倍率：1×；③出瞳距離：≥20mm；④出瞳直徑：7mm；⑤視角：≥40°；⑥重量：≤160g；⑦工作溫度：－40℃～50℃。

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

夜視儀系統(tǒng)由目鏡系統(tǒng)、低照度CMOS探測(cè)器、控制系統(tǒng)、OLED顯示器、物鏡系統(tǒng)、電源、補(bǔ)光燈等組成，系統(tǒng)原理如圖1所示。

2 物鏡系統(tǒng)和目鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

物鏡的性能由焦距（物￠）、相對(duì)孔徑（/物￠）和視場(chǎng)角（2）3個(gè)參數(shù)決定，為了擴(kuò)大士兵的視野，方便觀察，指標(biāo)要求視場(chǎng)角至少為40°，因此物鏡鏡片組采用雙高斯結(jié)構(gòu)，光學(xué)設(shè)計(jì)得到物鏡系統(tǒng)后截距（BFL）為8.48mm，根據(jù)所設(shè)計(jì)鏡片的形狀以及各鏡片之間的距離設(shè)計(jì)了如圖2所示的物鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；為了視覺效果不失真，防止場(chǎng)景的變化導(dǎo)致頭暈?zāi)垦＃虼艘曇胺糯蟊堵室鬄?×，目鏡鏡片組采用對(duì)稱式結(jié)構(gòu)，因?yàn)閷?duì)稱式結(jié)構(gòu)目鏡能同時(shí)矯正軸向色差、垂軸色差，且能矯正彗差和像散，出瞳距離較大，場(chǎng)曲比較小，光學(xué)設(shè)計(jì)得到目鏡系統(tǒng)后截距（BFL）為10.39mm，根據(jù)所設(shè)計(jì)鏡片的形狀以及各鏡片之間的距離設(shè)計(jì)了如圖3所示的目鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[4-6]。

3 主殼體設(shè)計(jì)與優(yōu)化

主殼體作為夜視儀重要組成部分之一，材料的選擇一方面要盡量減輕重量，一方面要保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，常用的幾種外殼材料的基本性能參數(shù)如表1所示，鋼強(qiáng)度高，但密度大使儀器質(zhì)量加重，碳纖維質(zhì)量輕、拉伸強(qiáng)度強(qiáng)，但剪斷強(qiáng)度弱，且復(fù)雜外殼不易成型，ABS樹脂易成形，但易燃、耐候性差，經(jīng)過對(duì)比，選用鋁合金作為主殼體的材料，鋁合金密度低，性能穩(wěn)定，具體選擇航空鋁7075，因?yàn)檫@種鋁合金的強(qiáng)度極限和屈服強(qiáng)度較高；外殼承擔(dān)著各元器件的布局，布局的好壞與否直接影響到整體重心是否平衡，影響到使用的舒適型，在保證使用性能的前提先，結(jié)構(gòu)盡量緊湊、體積盡量小、重量盡量輕；夜視儀一般都在野外使用，經(jīng)常會(huì)碰到雨水天氣，在設(shè)計(jì)外殼時(shí)要盡量保證密封性，防止內(nèi)部電子元器件進(jìn)水失效，根據(jù)CMOS模組、電池、旋鈕開關(guān)，補(bǔ)光燈等的體積和質(zhì)量，將殼體分成3個(gè)型腔，主型腔前端裝配物鏡系統(tǒng)、依次CMOS模組、控制系統(tǒng)模組、OLED顯示器、最后端裝目鏡系統(tǒng)，殼體下部?jī)蓚€(gè)型腔對(duì)稱分布，左型腔前端放置補(bǔ)光燈，后端裝旋鈕開關(guān)，右型腔放置14500電池，為了方便走線并減輕質(zhì)量，在不影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下將型腔中間挖空相通，分析完元器件布局后在solidworks 對(duì)整個(gè)主殼體進(jìn)行優(yōu)化[7]，優(yōu)化模型為：

圖1 低照度CMOS夜視儀原理圖

1.物鏡框2.物鏡座3.壓圈4.隔圈 5.孔徑光闌6.隔圈 7.限位環(huán) 8.調(diào)整墊片9.密封圈

1.目鏡座 2.調(diào)整墊片 3.壓圈 4.目鏡座 5.隔圈 6.手輪 7.密封圈 8.眼罩9.螺釘

式中：()表示以主殼體的質(zhì)量最小為目標(biāo)建立目標(biāo)函數(shù)；設(shè)計(jì)變量為1～4，＝(1，2，3，4)，1表示主型腔直徑，2表示小型腔直徑，3表示殼體厚度，4表示殼體縱向長(zhǎng)度；表示殼體受到來自于掛架與自重的拉力，＝()；cr表示失穩(wěn)壓力；表示穩(wěn)定性安全系數(shù)，圓柱體取＝3。殼體最薄弱地方上部半圓殼臨界失穩(wěn)壓力：

式中：為彈性模量，由表1得70GPa；泊松比＝0.33，＝3，＝1。經(jīng)過計(jì)算優(yōu)化后殼體的質(zhì)量為81g，模型如圖4所示。

4 極限溫度下外殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

4.1 理論分析

夜視儀的工作環(huán)境一般都在野外，工作區(qū)域覆熱帶雨林、雪山等區(qū)域，溫度變化很大，儀器外殼材料選擇的是航空鋁7075，其強(qiáng)度高導(dǎo)熱性性能好、能夠快速將電池、機(jī)芯等散發(fā)熱量傳到殼外，保證內(nèi)部環(huán)境溫度不會(huì)過高，但鋁合金的熱膨脹系數(shù)較大，主殼體的形變隨著溫度的變化而加大，當(dāng)儀器表面與它周圍的空氣存在溫度差異時(shí)，引起熱對(duì)流，根據(jù)牛頓冷卻方程熱對(duì)流公式為[8]：

2＝(S－B) (3)

式中：為對(duì)流換熱系數(shù)，W×(m×K)－1；S、B為固態(tài)表面和周圍流體的溫度。查表的空氣的自然對(duì)流系數(shù)為5～25 W×(m×K)－1，因?yàn)橛?jì)算在極寒和極熱條件下，為保證可靠性，選取最大值25 W×(m×K)－1。根據(jù)熱彈性力學(xué)，當(dāng)儀器溫度發(fā)生變化時(shí)，儀器將由于膨脹產(chǎn)生應(yīng)變(,,)，其中為材料的線性膨脹系數(shù)，主殼體材料為7075鋁合金，表1中給出的膨脹系數(shù)為23×10－6℃，(,,)表示彈性體內(nèi)任意點(diǎn)的溫度從初始溫度的變化值，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，夜視儀可在－40℃～50℃下正常工作，正常殼體內(nèi)部機(jī)芯和電池發(fā)熱溫度為36℃左右，儀器各部分的溫度不均勻，熱變形不能自由的伸展，將會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，將線應(yīng)變(,,)帶入到材料力學(xué)應(yīng)力應(yīng)變公式中，得到熱應(yīng)力應(yīng)變公式：

表1 幾種常用外殼材料的基本性能參數(shù)

圖4 主殼體優(yōu)化后三維模型

式中：為正彈性模量；為剪切彈性模量；為泊松比。

為了確保殼體在熱應(yīng)力的影響下仍能滿足穩(wěn)定性的要求，對(duì)低照度CMOS夜視儀進(jìn)行極限溫度下的應(yīng)力分析以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析。將SolidWorks建的主殼體三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，利用Transient Thermal工具箱進(jìn)行分析，為了便于網(wǎng)格劃分，將殼體模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，去除一些對(duì)分析結(jié)果影響很小的倒角倒邊。網(wǎng)格劃分如圖5所示，根據(jù)表1將材料的特性參數(shù)：熱膨脹系數(shù)、彈性模量、泊松比、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等輸入到軟件中去。

4.2 －40℃工況下的熱應(yīng)力與應(yīng)變分析

將－40℃的溫度載荷施加到主殼體外表面，同時(shí)將電池發(fā)熱以及芯片發(fā)熱的溫度載荷施加到主殼體的內(nèi)部，熱載荷以及得到的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布如圖6所示，將其作為載荷施加到主殼體上進(jìn)行熱應(yīng)力和熱應(yīng)變分析，在－40℃的工況下，主殼體的外部由于溫度低，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的收縮，而內(nèi)部發(fā)熱使殼體膨脹，進(jìn)而使殼體產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，圖7是該工況下主殼體的等效應(yīng)力云圖。從云圖上可以看出，殼體上承受最大熱應(yīng)力發(fā)生在CMOS探測(cè)器安裝處，最大熱應(yīng)力為200.5MPa，此值小于7075材料屈服抗拉強(qiáng)度635MPa，圖8為該工況下主殼體的等效應(yīng)變圖，最大形變發(fā)生在電池安裝腔口處為，最大熱應(yīng)變?yōu)?.8×10－5mm，該值太小而且不在殼體關(guān)鍵處，不會(huì)對(duì)儀器的精度產(chǎn)生影響[9-11]。

圖5 網(wǎng)格劃分

4.3 50℃工況下的熱應(yīng)力與應(yīng)變分析

同理，將50℃的溫度載荷施加到主殼體外表面，同時(shí)將電池發(fā)熱以及芯片發(fā)熱的溫度載荷施加到主殼體的內(nèi)部，熱載荷以及得到的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布如圖9所示，將其作為載荷施加到主殼體上進(jìn)行熱應(yīng)力和熱應(yīng)變分析，在50℃的工況下，主殼體的外部由于溫度高，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的膨脹，而內(nèi)部發(fā)熱也使殼體膨脹，但膨脹大小不同，進(jìn)而使殼體產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，圖10是該工況下主殼體的等效應(yīng)力云圖。從云圖上可以看出，殼體上承受最大熱應(yīng)力發(fā)生在CMOS探測(cè)器安裝處，最大熱應(yīng)力為57.9.MPa，此值小于7075材料屈服抗拉強(qiáng)度635 MPa，圖11為該工況下主殼體的等效應(yīng)變圖，最大形變發(fā)生在電池安裝腔腔口處為，最大熱應(yīng)變?yōu)?.3×10－5mm，該值太小而且不在殼體關(guān)鍵處，不會(huì)對(duì)儀器的精度產(chǎn)生影響。

圖6 －40℃工況下熱載荷以及穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布

5 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

各零配件的裝配關(guān)系如圖12所示，在裝配時(shí)先將補(bǔ)光燈與聚光鏡的距離調(diào)定聚焦后再和主殼體裝配，旋轉(zhuǎn)旋鈕開關(guān)使系統(tǒng)打開，調(diào)節(jié)物鏡系統(tǒng)機(jī)構(gòu)，使景物成像聚焦在低照度CMOS探測(cè)器的探測(cè)面上，低照度CMOS探測(cè)器將微弱的光信號(hào)放大轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理與控制系統(tǒng)到達(dá)OLED顯示屏，OLED顯示屏將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)顯示出來，調(diào)節(jié)目鏡系統(tǒng)機(jī)構(gòu)對(duì)焦，人眼就能通過目鏡查看，當(dāng)光強(qiáng)低于1×10－3lx照度時(shí)，打開補(bǔ)光燈工作[12]。裝配效果圖如圖13。

圖7 －40℃工況下熱應(yīng)力分布云圖

圖8 －40℃工況下熱應(yīng)變分布云圖

圖9 50℃工況下熱載荷以及穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布

圖10 50℃工況下熱應(yīng)力分布云圖

圖11 50℃工況下熱應(yīng)變分布云圖

圖13 裝配效果圖

6 結(jié)論

本文根據(jù)技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)了頭盔式單目廣角低照度CMOS夜視儀的結(jié)構(gòu)，遵從重量輕、布局合理、結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)便的設(shè)計(jì)理念，利用SolidWorks進(jìn)行三維建模，對(duì)主殼體在強(qiáng)度滿足條件下進(jìn)行質(zhì)量最小優(yōu)化，優(yōu)化后的質(zhì)量為81g，然后將主殼體導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，計(jì)算了殼體在極限溫度條件下的熱應(yīng)力應(yīng)變，在－40℃工況下，最大熱應(yīng)力為200.5MPa，最大熱應(yīng)變?yōu)?.8×10－5mm，在50℃工況下最大熱應(yīng)力為57.9MPa，最大熱應(yīng)變?yōu)?.3×10－5mm，均小于材料的屈服強(qiáng)度，最后進(jìn)行了總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，經(jīng)過分析所設(shè)計(jì)的頭盔式單目低照度CMOS夜視儀結(jié)構(gòu)滿足技術(shù)要求。

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Structure Design and Analysis of Monocular Low Illumination CMOS Night Vision Device for Helmet

REN Taotao，QIU Yafeng

(,,210094,)

Combined with the technical requirements of monocular low illumination CMOS night vision device for helmet, the structure of the objective lens system and eyepiece lens system were designed. In the premise of meeting the strength requirements, and according to the shape and size of the components, the main shell structure of night vision device wasdesigned and optimized by the SolidWorks, then the 3D model of main shell was imported into ANSYS to make finite element analysis. According to the material performance, heat stress and strain of the main shell is calculated in the condition of limit temperature, thermal stress were all less than yield strength of materials, and thermal strain were in the error range. At last the overall structure of the low illumination CMOS night vision device was designed.

low illumination CMOS，night vision device，structure design and optimization，finite element analysis

TN223

A

1001-8891(2016)08-0653-06

2016-04-29；

2016-05-06.

任桃桃（1990-），男，江蘇鹽城人，碩士研究生，研究方向：光機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究。E-mail：jsrtt@qq.com。

邱亞峰（1966-），男，副教授，研究方向：光機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究。

重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目（BJ2014001）。