基于红外镜头的光机热集成分析研究

朱峰

摘要： 为解决红外镜头工作温度范围宽的问题，本文基于光机热集成分析，设计了一个焦距为200mm的冷光缆匹配红外镜头，该镜头充分考虑了环境温度及系统热变形对光学性能的影响。在此基础上，构建镜头组有限元模型，并进行-40～60℃的实际温度载荷的热力学分析，获得各镜片的间隔以及面形变化，并将其通过Zernike多项式作为数据接口接入光学设计软件，获得典型温度下的镜头组传递函数图。结果表明该新型红外镜头在较宽温度范围内具有较好的视场成像质量，且镜头结构可靠、简洁，满足设计需求。

Abstract： In order to solve the problem of wide working temperature range of infrared lens， this paper designs a cold-fiber matched infrared lens with a focal length of 200mm based on the optical machine thermal integration analysis. The lens takes into account the influence of ambient temperature and thermal deformation on the optical performance. On this basis， the finite element model of the lens group is constructed and the thermodynamic analysis of the actual temperature load of -40 ～ 60 ℃ is carried out， and the interval and shape change of each lens are obtained， then it is taken as the data interface to the optical design software passed through the Zernike polynomial， and the lens group transfer function diagram under typical temperature is got. The results show that the new infrared lens has better field image quality in a wide temperature range， the lens structure is reliable and simple， and it meets the design requirements.

關键词： 红外镜头；光机热集成；温度；有限元

Key words： infrared lens；optical machine thermal integration；temperature；finite element

中图分类号：TN214 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）16-0218-03

0 引言

光学系统，特别是精度较高的红外光学系统，其典型工作环境具有较大的温度变化区间，尤其是在短时间内环境温度发生巨大改变，光学系统镜片及结构件的温度也会随之改变，进而影响镜片材料的热膨胀量，造成光学系统的热应力及热形变，从而导致镜片间隔的变化、镜片变形以及镜片折射率变化，影响光学系统焦距和像面等参数，最终影响成像质量。因此，设计红外镜头时，应考虑温度工作范围较宽的需求，即要求光机热一体化设计。

高精度光学仪器包括光、机、电、热等多学科，因此在进行设计时，必须充分考虑学科之间的相互影响。光机热集成分析法以系统工程观点为出发点，综合考虑光学、机械以及外部热等的关系，基于CAD/CAE的技术手段，进行光学仪器系统最优化设计，是目前光学仪器设计分析最为有效的方式。本文基于光机热集成分析，设计了一个焦距为200mm的冷光缆匹配红外镜头。

1 光机热集成设计原理及新型红外镜头设计

1.1 光机热集成设计

光机热集成设计结合了多种设计，包括热力学耦合、结构、光学系统等，并且利用数据转换接口可将每个设计之间的数据进行传递，每得出一个设计分析处理结果，其它设计处理就能够据此进行分析。图1所示表示光机热集成设计具体流程。第一步先参考距离作用、使用条件进行光学系统设计，并基于光学系统构建红外镜头结构样机，在此基础上生成有限元模型，同时添加环境温度及机械荷载变化生成热模型。通过分析求解获得红外镜头基于环境温度条件下的光学元件温度及表面形变，利用Zernike多项式拟合，获得温变后相关参数，并将这些参数重新带入光学设计软件进行分析，从而获得相关环境温度下的成像质量。光机热集成设计是一个闭环设计，处于不断优化的过程中。

1.2 新型红外镜头设计

本文设计的新型红外镜头，其相关光学指标如下：焦距为200mm，探测器像元数为320×240，像元尺寸为25μm×25μm，工作温度为-40～60℃。针对以上要求，若不存在其他约束条件，可以选用光学结构形式。然而光学系统长度方向要求严格，因此为压缩长度方向尺寸，并实现系统较佳的冷光缆匹配，在进行红外镜头设计时利用二次成像模式，即先将入瞳放置在第一面，通过前组透镜成一次像面，接着后组镜头将一次像面聚焦于焦面，并将入瞳在系统冷光栏处成像，具体设计图如图2所示。

系统前组透镜组成包括3片正光焦度的Si镜片以及1片负光焦度的Ge镜片，其中Si镜片主要目的是聚焦并修正球差，Ge镜片的主要目的在于矫正色差。系统后组透镜组成有3片Si镜片组成。后组透镜主要通过中间像面二次成像，实现与前组一起联合矫正色差及球差目的。整个前组镜头焦距为50mm，后组镜头放大倍数为4，一次像面移动一个单位，最终实现像面移动16个单位。透镜前后组间距受像面位置影响显著，而系统性能基本不受前后组镜头内部的镜片间距变化的影响，为此，可以将前后组间隔看做是补偿量用于调整像面位置。但使用单一结构材料无法实现间隔补偿，为此，利用双金属结构补偿模式，即高低膨胀系数的结构材料组合进行补偿。本文高、低膨胀系数选用的是铝合金与铟钢，最终结果是红外镜头总长为146mm，铟钢筒长和铝镜筒长分别为107mm、67.5mm。

2 新型红外镜头的光机热集成分析

2.1 有限元分析

基于有限元分析软件构建结构分析及热分析有限元模型。网格利用六面体及四面体，节点数有27168，单元个数为17788，所采用的材料特性如表1所示。在进行光机热集成分析时，要将温度场分析的数据作为载荷进行热力学分析，从而获得各镜头的变形值。同时对每个镜头镜面的节点位移进行提取，进行Zernike多项式拟合，进而获得光学镜面面形变化，在分析过程中选用标准Zernike多项式。

2.2 Zernike 多项式拟合

完成热分析之后，则需要将温度改变后的镜片面型变形呈现在光学系统成像质量改变上，主要通过Zernike 多项式将各镜片面型位移置入光学设计软件。Zernike 多项式拟合的每项系数都有具体含义，比如X轴像散、X轴倾斜、平移、Y轴倾斜与像散等。在用Zernike 系数表征镜片表面畸变拟合时，这些函数物理含义不变，为此可以通过Zernike 多项式对面型变化拟合，便可以直观表征镜片表面情况。

其次由于Zernike 多项式各项满足正交关系，为此删除某些项不会对其他项产生影响， 因此可以简单通过拟合模式获得Zernike 多项式所对应的偏移、倾斜等刚体位移的系数剔除，却不对镜片整体面型形变产生影响。因此，采用Zernike 多项式作为数据接口进行热分析。

2.3 成像质量分析

将热力学分析后处理可以获得各镜片间隔改变量、镜面面型变化的Zernike系数、镜片材料的折射率温度改变系数等参数置入光学设计软件，可以获得各典型温度节点下的光学系统传递函数，如图3所示。

通过分析上述曲线可以发现：镜头组在-40℃、20℃以及60℃条件下各视场16线对的传递函数均高于0.6，即成像质量良好。由于镜头组的热变形在此温度区间可以看做线形变化，为此，-40℃及60℃条件下的镜头组形变量则代表了整个温度区间的正负最大变形。由于-40℃及60℃最大形变量仍符合光学系统性能指标要求，为此，对于该新型红外镜头在整个-40℃～60℃区间的热形变均不会导致镜头组性能变差。

图4为未经光机热集成分析设計的红外镜头光学传递函数图。由图可知，红外镜头工作在低温条件下，光学系统成像品质发生极大改变。相对于未经光机热集成分析设计的红外镜头，基于光机热集成分析的新型红外镜头满足设计和使用要求。

3 结论

红外光学系统的成像受温度影响极大，通过光机一体化设计模式，设计新型红外镜头使其工作温度范围为

-40℃～60℃，并构建了镜头组光机模型，该模型在结构上利用了无热化设计模式，进行有限元模型热分析，并通过Zernike多项式拟合，分析了温度变化对镜片面型和成像质量影响，同时给出了相关镜头组的传递函数。结果显示：该新型基于光机热一体化设计的红外镜头组在-40℃～60℃成像质量极佳，且该红外镜头设计简单、简洁，符合设计及使用要求。本文基于光机热一体化进行红外镜头设计，并进行光机热集成分析研究，可以为相关人员进行红外镜头研究提供借鉴与参考。

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