头盔式单目低照度CMOS夜视仪结构设计与分析

任桃桃，邱亚峰



头盔式单目低照度CMOS夜视仪结构设计与分析

任桃桃，邱亚峰

（南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094）

结合头盔式单目低照度CMOS夜视仪的技术要求，设计了物镜系统以及目镜系统结构。根据元器件的形状大小，在满足强度要求的前提下，通过SolidWorks软件设计优化了夜视仪的主壳体结构；然后将主壳体三维模型导入ANSYS软件进行有限元分析，根据主壳体的材料性能计算了其在极限温度条件下的热应力应变，应力均小于材料的屈服强度，应变在误差范围之内。最后对低照度CMOS夜视仪进行了总体结构设计。

低照度CMOS；夜视仪；结构设计优化；有限元分析

0 引言

夜视仪作为夜间行军作战重要装备，一直以来是各国研究的重点，围绕着红外、微光等技术研制出的各类夜视装备，主动式红外夜视仪发展比较成熟、但工作时需有红外光源照射，易被敌方探测到而使自己暴露；微光夜视仪性不易暴露自己，但成本高、性能受天气影响很大，如雨雾天便不能正常工作。由于夜视仪是配在头盔上的，因此重量体积都要求越小越好，太大太重会影响士兵活动。野外因为没有电源，因此功耗越低越好，低照度CMOS[1]图像传感技术是在传统的CMOS图像传感基础上，提高信号的灵敏度以及信噪比，使其在低照度下保持良好的图像传感性能，它具体积小、功耗低等优势，本文基于低照度CMOS技术，对夜视仪的结构进行了分析和设计[2-3]。

1 技术要求与设计方案

1.1 技术要求

①探测距离：满足1×10－3lx照度下，100m发现人；②放大倍率：1×；③出瞳距离：≥20mm；④出瞳直径：7mm；⑤视角：≥40°；⑥重量：≤160g；⑦工作温度：－40℃～50℃。

1.2 系统方案设计

夜视仪系统由目镜系统、低照度CMOS探测器、控制系统、OLED显示器、物镜系统、电源、补光灯等组成，系统原理如图1所示。

2 物镜系统和目镜系统结构设计

物镜的性能由焦距（物¢）、相对孔径（/物¢）和视场角（2）3个参数决定，为了扩大士兵的视野，方便观察，指标要求视场角至少为40°，因此物镜镜片组采用双高斯结构，光学设计得到物镜系统后截距（BFL）为8.48mm，根据所设计镜片的形状以及各镜片之间的距离设计了如图2所示的物镜系统结构；为了视觉效果不失真，防止场景的变化导致头晕目眩，因此视野放大倍率要求为1×，目镜镜片组采用对称式结构，因为对称式结构目镜能同时矫正轴向色差、垂轴色差，且能矫正彗差和像散，出瞳距离较大，场曲比较小，光学设计得到目镜系统后截距（BFL）为10.39mm，根据所设计镜片的形状以及各镜片之间的距离设计了如图3所示的目镜系统结构[4-6]。

3 主壳体设计与优化

主壳体作为夜视仪重要组成部分之一，材料的选择一方面要尽量减轻重量，一方面要保证结构的稳定性，常用的几种外壳材料的基本性能参数如表1所示，钢强度高，但密度大使仪器质量加重，碳纤维质量轻、拉伸强度强，但剪断强度弱，且复杂外壳不易成型，ABS树脂易成形，但易燃、耐候性差，经过对比，选用铝合金作为主壳体的材料，铝合金密度低，性能稳定，具体选择航空铝7075，因为这种铝合金的强度极限和屈服强度较高；外壳承担着各元器件的布局，布局的好坏与否直接影响到整体重心是否平衡，影响到使用的舒适型，在保证使用性能的前提先，结构尽量紧凑、体积尽量小、重量尽量轻；夜视仪一般都在野外使用，经常会碰到雨水天气，在设计外壳时要尽量保证密封性，防止内部电子元器件进水失效，根据CMOS模组、电池、旋钮开关，补光灯等的体积和质量，将壳体分成3个型腔，主型腔前端装配物镜系统、依次CMOS模组、控制系统模组、OLED显示器、最后端装目镜系统，壳体下部两个型腔对称分布，左型腔前端放置补光灯，后端装旋钮开关，右型腔放置14500电池，为了方便走线并减轻质量，在不影响结构强度的情况下将型腔中间挖空相通，分析完元器件布局后在solidworks 对整个主壳体进行优化[7]，优化模型为：

图1 低照度CMOS夜视仪原理图

1.物镜框2.物镜座3.压圈4.隔圈 5.孔径光阑6.隔圈 7.限位环 8.调整垫片9.密封圈

1.目镜座 2.调整垫片 3.压圈 4.目镜座 5.隔圈 6.手轮 7.密封圈 8.眼罩9.螺钉

式中：()表示以主壳体的质量最小为目标建立目标函数；设计变量为1～4，＝(1，2，3，4)，1表示主型腔直径，2表示小型腔直径，3表示壳体厚度，4表示壳体纵向长度；表示壳体受到来自于挂架与自重的拉力，＝()；cr表示失稳压力；表示稳定性安全系数，圆柱体取＝3。壳体最薄弱地方上部半圆壳临界失稳压力：

式中：为弹性模量，由表1得70GPa；泊松比＝0.33，＝3，＝1。经过计算优化后壳体的质量为81g，模型如图4所示。

4 极限温度下外壳结构稳定性分析

4.1 理论分析

夜视仪的工作环境一般都在野外，工作区域覆热带雨林、雪山等区域，温度变化很大，仪器外壳材料选择的是航空铝7075，其强度高导热性性能好、能够快速将电池、机芯等散发热量传到壳外，保证内部环境温度不会过高，但铝合金的热膨胀系数较大，主壳体的形变随着温度的变化而加大，当仪器表面与它周围的空气存在温度差异时，引起热对流，根据牛顿冷却方程热对流公式为[8]：

²＝(S－B) (3)

式中：为对流换热系数，W×(m×K)－1；S、B为固态表面和周围流体的温度。查表的空气的自然对流系数为5～25 W×(m×K)－1，因为计算在极寒和极热条件下，为保证可靠性，选取最大值25 W×(m×K)－1。根据热弹性力学，当仪器温度发生变化时，仪器将由于膨胀产生应变(,,)，其中为材料的线性膨胀系数，主壳体材料为7075铝合金，表1中给出的膨胀系数为23×10－6℃，(,,)表示弹性体内任意点的温度从初始温度的变化值，根据技术指标要求，夜视仪可在－40℃～50℃下正常工作，正常壳体内部机芯和电池发热温度为36℃左右，仪器各部分的温度不均匀，热变形不能自由的伸展，将会产生应力，将线应变(,,)带入到材料力学应力应变公式中，得到热应力应变公式：

表1 几种常用外壳材料的基本性能参数

图4 主壳体优化后三维模型

式中：为正弹性模量；为剪切弹性模量；为泊松比。

为了确保壳体在热应力的影响下仍能满足稳定性的要求，对低照度CMOS夜视仪进行极限温度下的应力分析以及结构稳定性分析。将SolidWorks建的主壳体三维模型导入ANSYS Workbench中，利用Transient Thermal工具箱进行分析，为了便于网格划分，将壳体模型进行了简化，去除一些对分析结果影响很小的倒角倒边。网格划分如图5所示，根据表1将材料的特性参数：热膨胀系数、弹性模量、泊松比、导热系数、比热容等输入到软件中去。

4.2 －40℃工况下的热应力与应变分析

将－40℃的温度载荷施加到主壳体外表面，同时将电池发热以及芯片发热的温度载荷施加到主壳体的内部，热载荷以及得到的稳态温度场分布如图6所示，将其作为载荷施加到主壳体上进行热应力和热应变分析，在－40℃的工况下，主壳体的外部由于温度低，会产生相应的收缩，而内部发热使壳体膨胀，进而使壳体产生内部应力，图7是该工况下主壳体的等效应力云图。从云图上可以看出，壳体上承受最大热应力发生在CMOS探测器安装处，最大热应力为200.5MPa，此值小于7075材料屈服抗拉强度635MPa，图8为该工况下主壳体的等效应变图，最大形变发生在电池安装腔口处为，最大热应变为2.8×10－5mm，该值太小而且不在壳体关键处，不会对仪器的精度产生影响[9-11]。

图5 网格划分

4.3 50℃工况下的热应力与应变分析

同理，将50℃的温度载荷施加到主壳体外表面，同时将电池发热以及芯片发热的温度载荷施加到主壳体的内部，热载荷以及得到的稳态温度场分布如图9所示，将其作为载荷施加到主壳体上进行热应力和热应变分析，在50℃的工况下，主壳体的外部由于温度高，会产生相应的膨胀，而内部发热也使壳体膨胀，但膨胀大小不同，进而使壳体产生内部应力，图10是该工况下主壳体的等效应力云图。从云图上可以看出，壳体上承受最大热应力发生在CMOS探测器安装处，最大热应力为57.9.MPa，此值小于7075材料屈服抗拉强度635 MPa，图11为该工况下主壳体的等效应变图，最大形变发生在电池安装腔腔口处为，最大热应变为1.3×10－5mm，该值太小而且不在壳体关键处，不会对仪器的精度产生影响。

图6 －40℃工况下热载荷以及稳态温度场分布

5 总体结构设计

各零配件的装配关系如图12所示，在装配时先将补光灯与聚光镜的距离调定聚焦后再和主壳体装配，旋转旋钮开关使系统打开，调节物镜系统机构，使景物成像聚焦在低照度CMOS探测器的探测面上，低照度CMOS探测器将微弱的光信号放大转换为电信号，电信号经过信号处理与控制系统到达OLED显示屏，OLED显示屏将电信号转变为光信号显示出来，调节目镜系统机构对焦，人眼就能通过目镜查看，当光强低于1×10－3lx照度时，打开补光灯工作[12]。装配效果图如图13。

图7 －40℃工况下热应力分布云图

图8 －40℃工况下热应变分布云图

图9 50℃工况下热载荷以及稳态温度场分布

图10 50℃工况下热应力分布云图

图11 50℃工况下热应变分布云图

图13 装配效果图

6 结论

本文根据技术指标设计了头盔式单目广角低照度CMOS夜视仪的结构，遵从重量轻、布局合理、结构紧凑、操作简便的设计理念，利用SolidWorks进行三维建模，对主壳体在强度满足条件下进行质量最小优化，优化后的质量为81g，然后将主壳体导入ANSYS软件进行有限元分析，计算了壳体在极限温度条件下的热应力应变，在－40℃工况下，最大热应力为200.5MPa，最大热应变为2.8×10－5mm，在50℃工况下最大热应力为57.9MPa，最大热应变为1.3×10－5mm，均小于材料的屈服强度，最后进行了总体结构设计，经过分析所设计的头盔式单目低照度CMOS夜视仪结构满足技术要求。

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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，江苏盐城人，硕士研究生，研究方向：光机电系统设计与研究。E-mail：jsrtt@qq.com。

邱亚峰（1966-），男，副教授，研究方向：光机电系统设计与研究。

重点实验室基金项目（BJ2014001）。