Комплексный оптико-механико-термический анализ инфракрасных линз

Для высокоточной оптической системы на ее оптические характеристики во многом влияют внешние механические нагрузки и температура окружающей среды, а взаимодействие между ними в конечном итоге определяет работоспособность всей оптической системы. В частности, для инфракрасных оптических систем типичная рабочая температура в военных целях составляет -40°C ~+60°C.

В различных температурных условиях из-за несоответствия коэффициентов теплового расширения оптической линзы и материала конструкции оправы это вызовет деформацию оптического элемента, а показатель преломления оптического материала также будет меняться с температурой, что приведет к изменению температуры. привести к изменению параметров работы оптической системы и привести к ухудшению качества изображения или даже к его некорректной работе. Поэтому при проектировании необходимо учитывать возможность работы инфракрасной системы в широком диапазоне температур, что требует комплексного проектирования света, машины и тепла.

Разработка высокоточных оптических инструментов охватывает несколько дисциплин, таких как оптика, механика, электричество и тепло. При проектировании необходимо полностью учитывать влияние одной дисциплины на связанные подсистемы других дисциплин.

Метод фотомеханического и термического комплексного анализа в настоящее время является наиболее эффективным методом проектирования и анализа оптических приборов. Он начинается с точки зрения системного проектирования, всесторонне рассматривает взаимосвязь между оптической системой, системой механической конструкции и внешней тепловой средой и использует технические средства CAD/CAE для реализации оптики.

Оптимальная конструкция приборной системы в настоящее время в основном используется при проектировании и анализе космических оптических приборов, но редко применяется в общих инфракрасных оптических системах. Способ и анализ оптико-механической термической интеграции инфракрасной линзы заключаются в следующем.

Метод интегрированного анализа в настоящее время является методом, широко используемым во всем мире для решения междисциплинарных проблем. Каждая дисциплина использует свое собственное программное обеспечение для анализа для решения проблем дисциплины. Чтобы иметь возможность точно прогнозировать производительность системы, каждая дисциплина должна иметь возможность обмениваться данными, чтобы результаты анализа и обработки в одной дисциплине становились исходными данными для расчетов другой дисциплины. Transmission объединяет несколько независимых программ анализа в одно. На рис. 1 показан процесс оптико-механо-термического комплексного анализа.

Рис. 1. Блок-схема комплексного оптико-механического термического анализа.

Сначала по результатам оптического проектирования постройте экранный прототип оптического прибора, а затем постройте тепловую модель для получения распределения температуры системы. Загрузите полученное распределение температуры как нагрузку на тело в конструкционную модель конечных элементов для механического анализа.

Обрабатывая значение деформации, можно получить смещение твердого тела и изменение формы поверхности оптического элемента, а полученные выше данные и изменение показателя преломления оптического элемента можно подставить в модель оптики, а затем оценить эффект. температуры на работоспособность оптической системы. Весь процесс представляет собой анализ конструкции с обратной связью, благодаря многократному анализу и оптимизации можно окончательно получить оптимальную систему.

Требования к инфракрасной оптической системе: фокусное расстояние 200 мм; F/# составляет 2,5; 2w — 3,3°; количество пикселей детектора — 320×240; Размер пикселя в дюймах составляет 25 мкм × 25 мкм, а рабочая температура составляет -40 ℃ ~ + 60 ℃. Для вышеуказанных требований, если нет ограничений, можно использовать разнообразные оптические структуры.

Фактически, длина оптической системы требует больших усилий, поэтому, чтобы уменьшить размер и добиться лучшего соответствия холодной диафрагмы системы, инфракрасная линза разработана с использованием второго метода формирования изображения. Сначала поместите зрачок человека на первую поверхность и передайте переднюю группу линз в плоскость основного изображения, а затем задняя группа линз сфокусирует плоскость основного изображения в фокальной плоскости и отобразит зрачок человека на полосе холодного света. системы, а именно выходной зрачок и обнаружение системы. Холодные диафрагмы приборов перекрываются, и спроектирована оптическая система, показанная на рисунке 2.

Рис. 2 Оптическая схема

Передняя линза системы состоит из 3 линз Si с положительной преломляющей способностью и 1 линзы Ge с отрицательной силой преломления. Линзы 3Si в основном используются для фокусировки света и коррекции сферической аберрации, а линзы Ge в основном используются для коррекции хроматической аберрации. Задняя линза системы состоит из трёх Si-линз. Последняя группа использует вторичную визуализацию в средней плоскости изображения для совместной коррекции хроматической и сферической аберрации вместе с первой группой.

Фокусное расстояние всей передней линзы составляет 50 мм, а увеличение задней линзы — 4. Следовательно, если плоскость изображения перемещается на одну единицу за раз, конечная плоскость изображения перемещается примерно на 16 единиц. Расстояние между передней и задней группами линз очень чувствительно к положению плоскости изображения, а изменение расстояния между передней и задней линзами мало влияет на производительность системы. Таким образом, расстояние между передней и задней группами используется в качестве величины компенсации для регулировки положения плоскости изображения при проектировании конструкции.

Анализ полагает, что использование одного конструкционного материала не может реализовать компенсацию интервала. Поэтому принята схема компенсации биметаллической конструкции, то есть комбинация конструкционных материалов с высокими и низкими коэффициентами расширения используется для регулировки желаемой суммы компенсации, которую можно рассчитать по длине двух материалов по следующей формуле:

В формуле: α – коэффициент теплового расширения материала с высоким коэффициентом расширения; △T – изменение температуры; л₁– длина материала с высоким коэффициентом расширения; α₂– коэффициент теплового расширения материала с низким коэффициентом расширения; л₂– длина материала с низким коэффициентом расширения; δ – величина компенсации передней и задней групп, соответствующая температуре; Δl – интервал между передней и задней группами.

Здесь материалом с низким коэффициентом расширения является сталь и сталь, а материалом с высоким коэффициентом расширения — алюминиевый сплав. Разработайте структуру механической компенсации, показанную на рисунке 3, чтобы обеспечить целостность конструкции системы.

Среди них линза задней группы установлена на алюминиевом корпусе объектива, а алюминиевый корпус объектива установлен на задней части стального корпуса индия. Линза передней группы установлена на переднем конце ствола из индиевой стали.

Соосность соединительной поверхности ствола из индиевой стали гарантируется обработкой для обеспечения всей системы. Проставка линзы передней группы обеспечивает расстояние между передней и задней группами. В итоге общая длина инфракрасной линзы составляет 146 мм, длина трубки из индиевой стали — 107 мм, а длина алюминиевой трубки линзы — 67,5 мм.

3. Анализ термической интеграции инфракрасной линзы.

Используйте программное обеспечение для анализа методом конечных элементов, чтобы создать модели конечных элементов для структурного анализа и термического анализа, как показано на рисунке 4. В сетке на рисунке используются шестигранные и пятигранные элементы, всего 27 168 узлов и 17 788 элементов. Свойства материалов, использованных при анализе на рисунке, представлены в таблице 1.

При анализе данные анализа температурного поля принимаются как нагрузка на тело, а затем выполняется термодинамический анализ для получения значения деформации каждой линзы. На рисунке 5 представлена диаграмма деформации каждой линзы при температуре 60°С. Из диаграммы облака деформаций видно, что изменение интервала между передней и задней группами определяет основной аспект деформации, что также согласуется с идеей расчетной компенсации.

В то же время извлеките узловое смещение каждого зеркала линзы и выполните аппроксимацию полиномом Цернике, чтобы получить изменение формы поверхности оптического зеркала. В анализе используется стандартный полином Цернике. Из-за ограничений по объему в таблице 2 перечислены только первые 9 коэффициентов Цернике, а соответствующий физический смысл можно увидеть из таблицы 2. Деформация поверхности зеркала в основном отражается в поступлении, за которым следует дефокусировка, вызванная деформацией поверхности зеркала. а другие изменения формы поверхности невелики.

Подстановка таких параметров, как изменение оптического интервала, коэффициент Цернике деформации зеркала и температурный коэффициент показателя преломления материала линзы, полученные в результате посттермодинамического анализа, в программу оптических расчетов Код V, чтобы получить оптический перенос функционировать при каждом уровне температуры окружающей среды, как показано на рисунке 6.

Результаты показывают, что передаточная функция этого объектива в диапазоне температур от -40 ℃ до +60 ℃ для каждого поля зрения (16 пар линий) превышает 0,5, а качество изображения хорошее.

Для инфракрасных оптических систем температура оказывает большое влияние на качество изображения оптической системы. Спроектировал инфракрасную линзу с широким диапазоном рабочих температур с помощью интегрированного метода оптического, механического и термического проектирования и дополнительно проанализировал деформацию инфракрасной линзы при различных температурах из-за деформации зеркальной поверхности, изменения интервала между линзами. , и изменение температурного коэффициента показателя преломления. Такие факторы, как изменения качества изображения системы, результаты анализа показывают, что разработанная инфракрасная линза имеет хорошее качество изображения при температуре -40°C ~ +60°C.

Метод оптико-механо-термического интегрированного проектирования и метод оптико-механо-термического комплексного анализа, использованные в этой статье, имеют важные эталонные значения для проектирования и анализа аналогичных оптических систем.

Будучи многолетним экспертом в области исследований инфракрасных оптических линз, Куанхом может в определенной степени дать вам профессиональные рекомендации. Если после прочтения этой статьи вы хотите получить более полное и подробное решение, свяжитесь с нами.

Мы являемся опытным производителем опто-электромеханических компонентов и стремимся предоставить пользователям разнообразные высококачественные инфракрасные тепловизионные линзы. Мы ставим потребности клиентов на первое место и всесторонне контролируем качество нашей продукции. По этой причине мы оснащены строгой системой контроля качества для контроля проектирования, производства и экспорта продукции. Если вы заинтересованы в наших инфракрасных тепловизионных линзах, немедленно свяжитесь с нами!