Análisis opto-mecánico-térmico integrado de lentes infrarrojas

Para un sistema óptico de alta precisión, su rendimiento óptico se ve afectado en gran medida por las cargas mecánicas externas y la temperatura ambiente, y la interacción entre ellas determina en última instancia el rendimiento de todo el sistema óptico. Especialmente para los sistemas ópticos infrarrojos, la temperatura de funcionamiento típica en aplicaciones militares es de -40°C ~+60°C.

En diferentes condiciones de temperatura, debido a la inconsistencia de los coeficientes de expansión térmica de la lente óptica y el material de la estructura del marco, provocará la deformación del elemento óptico y el índice de refracción del material óptico también cambiará con la temperatura, lo que provocar el cambio de los parámetros de rendimiento del sistema óptico y hacer que la calidad de la imagen disminuya o incluso no funcione correctamente. Por lo tanto, es necesario considerar que el sistema de infrarrojos funcione en un amplio rango de temperaturas al diseñar, lo que requiere un diseño integrado de luz, máquina y calor.

Para instrumentos ópticos de alta precisión, su desarrollo abarca múltiples disciplinas como la óptica, la mecánica, la electricidad y el calor. Al diseñar, es necesario considerar plenamente el impacto de una disciplina en los subsistemas relacionados de otras disciplinas.

El método de análisis integrado fotomecánico y térmico es actualmente el método más eficaz para el diseño y análisis de instrumentos ópticos. Comienza desde el punto de vista de la ingeniería de sistemas, considera de manera integral la relación entre el sistema óptico, el sistema de estructura mecánica y el entorno térmico externo, y utiliza medios técnicos CAD/CAE para realizar la óptica.

El diseño óptimo del sistema de instrumentos se utiliza actualmente principalmente en el diseño y análisis de instrumentos ópticos espaciales, pero rara vez se utiliza en sistemas ópticos infrarrojos generales. El método y análisis de la integración térmica óptico-mecánica de la lente infrarroja son los siguientes.

El método de análisis integrado es actualmente el método comúnmente utilizado a nivel internacional para resolver problemas interdisciplinarios. Cada disciplina utiliza su propio software de análisis para resolver los problemas de la disciplina. Para poder predecir con precisión el rendimiento del sistema, cada disciplina debe poder intercambiar datos, de modo que los resultados del análisis y procesamiento en una disciplina se conviertan en la fuente de datos para los cálculos de otra disciplina. Transmission integra varios software de análisis independientes en uno. La Figura 1 muestra el proceso de análisis integrado óptico-mecánico-térmico.

Fig. 1 Diagrama de flujo del análisis térmico óptico-mecánico integrado

Primero, construya un prototipo de pantalla del instrumento óptico basado en los resultados del diseño óptico y luego construya un modelo térmico para obtener la distribución de temperatura del sistema. Cargue la distribución de temperatura obtenida como carga corporal en el modelo estructural de elementos finitos para el análisis mecánico.

Al procesar el valor de deformación, se puede obtener el desplazamiento del cuerpo rígido y el cambio de forma de la superficie del elemento óptico, y los datos obtenidos anteriormente y el cambio del índice de refracción del elemento óptico se pueden sustituir en el modelo óptico, luego evaluar el efecto. de la temperatura sobre el rendimiento del sistema óptico. Todo el proceso es un análisis de diseño de circuito cerrado; mediante análisis y optimización repetidos, finalmente se puede obtener el sistema óptimo.

Requisitos del sistema óptico infrarrojo: la distancia focal es de 200 mm; F/# es 2,5; 2w es 3,3°; el número de píxeles del detector es 320×240; El tamaño de píxel en pulgadas es de 25 μm × 25 μm y la temperatura de trabajo es de -40 ℃ ~ +60 ℃. Para los requisitos anteriores, si no hay restricciones, se pueden utilizar una variedad de estructuras ópticas.

De hecho, la longitud del sistema óptico es exigente, por lo que para reducir el tamaño y lograr una mejor adaptación del diafragma frío del sistema, la lente infrarroja está diseñada con un segundo método de obtención de imágenes. En primer lugar, coloque la pupila humana en la primera superficie y pase el grupo de lentes frontales a un plano de imagen principal, y luego el grupo de lentes trasero enfocará el plano de imagen principal en el plano focal y generará imágenes de la pupila humana en la barra de luz fría. del sistema, es decir, la pupila de salida y la detección del sistema. Se superponen los diafragmas fríos de los dispositivos y se diseña el sistema óptico que se muestra en la Figura 2.

Fig. 2 Diseño óptico

La lente frontal del sistema está compuesta por 3 lentes de Si con poder refractivo positivo y 1 lente Ge con poder refractivo negativo. Las lentes 3 Si se utilizan principalmente para enfocar la luz y corregir la aberración esférica, mientras que las lentes Ge se utilizan principalmente para corregir la aberración cromática. La lente trasera del sistema consta de 3 lentes de Si. El último grupo utiliza imágenes secundarias en el plano medio de la imagen para corregir conjuntamente la aberración cromática y la aberración esférica junto con el primer grupo.

La distancia focal de toda la lente frontal es de 50 mm y el aumento de la lente trasera es 4. Por lo tanto, si el plano de la imagen se mueve una unidad a la vez, el plano de la imagen final se mueve aproximadamente 16 unidades. La distancia entre los grupos de lentes frontal y posterior es muy sensible a la posición del plano de la imagen, y el cambio en el intervalo de lente entre las lentes frontal y posterior tiene poco efecto en el rendimiento del sistema. Por lo tanto, la distancia entre los grupos delantero y trasero se utiliza como cantidad de compensación para ajustar la posición del plano de la imagen para el diseño estructural.

El análisis cree que el uso de un solo material estructural no puede lograr la compensación del intervalo. Por lo tanto, se adopta el esquema de compensación de estructura bimetálica, es decir, se utiliza una combinación de materiales estructurales con coeficientes de expansión altos y bajos para ajustar la cantidad de compensación deseada, que se puede calcular la longitud de los dos materiales mediante la siguiente fórmula:

En la fórmula: α es el coeficiente de expansión térmica del material con alto coeficiente de expansión; △T es el cambio de temperatura; yo₁es la longitud del material con alto coeficiente de expansión; α₂es el coeficiente de expansión térmica del material de bajo coeficiente de expansión; yo₂es la longitud del material de bajo coeficiente de expansión; δ es la cantidad de compensación de los grupos delantero y trasero correspondiente a la temperatura; Δl es el intervalo entre los grupos delantero y trasero.

Aquí, el material con un coeficiente de expansión bajo es el acero y el acero, y el material con un coeficiente de expansión alto es la aleación de aluminio. Diseñe la estructura de compensación mecánica que se muestra en la Figura 3 para garantizar el diseño integrado del sistema.

Entre ellos, la lente del grupo trasero está instalada en el cilindro de la lente de aluminio y el cilindro de la lente de aluminio está instalado en el extremo posterior del cilindro de acero indio. La lente del grupo frontal está instalada en el extremo frontal del cilindro de acero indio.

La coaxialidad de la superficie de conexión del cilindro de acero indio está garantizada mediante un procesamiento para asegurar todo el sistema. El espaciador de lentes del grupo frontal asegura la distancia entre los grupos delantero y trasero. Al final, la longitud total de la lente infrarroja es de 146 mm, la longitud del tubo de acero indio es de 107 mm y la longitud del tubo de la lente de aluminio es de 67,5 mm.

3. Análisis de integración térmica de lentes infrarrojas.

Utilice software de análisis de elementos finitos para establecer modelos de elementos finitos de análisis estructural y análisis térmico, como se muestra en la Figura 4. La cuadrícula de la figura utiliza elementos hexaédricos y pentaédricos, con un total de 27,168 nodos y 17,788 elementos. Las propiedades de los materiales utilizados en el análisis de la figura se muestran en la Tabla 1.

En el análisis, los datos del análisis del campo de temperatura se toman como la carga corporal y luego se realiza el análisis termodinámico para obtener el valor de deformación de cada lente. La Figura 5 es el diagrama de deformación de cada lente cuando la temperatura es de 60 ℃. Se puede ver en el diagrama de la nube de deformación que el cambio del intervalo entre los grupos delantero y trasero representa el aspecto principal de la deformación, lo que también es consistente con la idea de compensación del diseño.

Al mismo tiempo, extraiga el desplazamiento nodal de cada espejo de lente y realice un ajuste polinómico de Zernike para obtener el cambio de forma de la superficie del espejo óptico. En el análisis se utiliza el polinomio estándar de Zernike. Debido a limitaciones de espacio, la Tabla 2 solo enumera los primeros 9 coeficientes de Zernike, y el significado físico correspondiente se puede ver en la Tabla 2. La deformación de la superficie del espejo se refleja principalmente en la traslación, seguida por el desenfoque causado por la deformación de la superficie del espejo. y los otros cambios de forma de la superficie son pequeños.

Sustituir parámetros como el cambio en el intervalo óptico, el coeficiente de Zernike de la deformación del espejo y el coeficiente de temperatura del índice de refracción del material de la lente obtenido del análisis post-termodinámico en el software de cálculo óptico Código V, para obtener la transferencia óptica. funcionar en cada nivel de temperatura ambiente, como se muestra en la Figura 6.

Los resultados muestran que la función de transferencia de esta lente en el rango de temperatura de -40 ℃ ~ +60 ℃ para cada campo de visión de 16 pares de líneas es mayor que 0,5 y la calidad de la imagen es buena.

Para los sistemas ópticos infrarrojos, la temperatura tiene una gran influencia en la calidad de imagen del sistema óptico. Diseñó una lente infrarroja con un amplio rango de temperatura de funcionamiento a través del método de diseño integrado óptico, mecánico y térmico, y analizó más a fondo la deformación de la lente infrarroja a diferentes temperaturas debido a la deformación de la superficie del espejo y el cambio del intervalo de la lente. y el cambio del coeficiente de temperatura del índice de refracción. Factores como cambios en la calidad de imagen del sistema, los resultados del análisis muestran que la lente infrarroja diseñada tiene buena calidad de imagen a -40°C ~+60°C.

El método de diseño integrado óptico-mecánico-térmico y el método de análisis integrado óptico-mecánico-térmico utilizados en este artículo tienen importantes valores de referencia para el diseño y análisis de sistemas ópticos similares.

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