双色红外光学系统结构设计和研究

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1、双色红外光学系统结构设计和研究摘要：对一个双波段红外光学系统进行完整的光机热集成分析，包括光学设计、结构设计和结构分析，利用MSCNastran和Patran对光机结构系统进行热弹性计算.分析可知4镜和5镜以及5镜和6镜间距的变化对系统整体成像质量的影响最大，热弹性计算结果4镜和5镜间距改变30Pm而5镜和6镜间距改变6ym，最后将值代入Zemax中，分析成像质量，通过比较镜间距改变前后的25线对儿处的MTF曲线，分析系统是否满足设计要求.关键词：双色红外；有限元分析；光机热集成分类号:TB96文献标志码：B0引言随着伪装技术的发展，侦察识别目标的难度越来越大，单一波段的侦察已经很难满

2、足各种各样的需求.由于目标在不同光谱波段下表现的光学特征有较大不同（例如常温下地物轮廓长波红外效果比中波红外效果清晰，而红外警戒多用中波红外来看目标热源），因而可以利用多波段来实现全天候、高分辨率目标侦察.光机热集成分析是综合结构力学、光学和热力学等多种学科方法的一种分析技术.利用有限元软件对红外光学系统和热分析建模，模拟恶劣环境对光学系统的具体影响，然后将模拟得到的参数代回光学设计软件中进行光学成像分析，得到在可用温度范围内成像稳定的光学系统.[1-2]1有限元热分析原理有限元法基本思想是将求解区域离散为一组有限多个、按照一定的方式相互连接在一起的单元组合体.由于单元形状和大小可以各

3、不相同，所以能非常好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性以及复杂的边界条件，能将计算数学、计算机软件和弹性理论等有机地结合在一起.有限元法可以对很多种工程状况进行分析，对于红外光学系统来说，热分析是必不可少的.环境温度变化时，结构表面和内部会产生热应力，当应力迗到一定值的时候，结构件屈服强度就会出现变化，内部将产生膨胀或者收缩变形，也称为热变形.通常，热变形只产生线应变£(0-00)式中：a为材料的线膨胀系数；O为弹性体内任意点瞬时温度；O0为初始温度.如果物体被约束或者各部分温度变化不均匀，热形变就不能够自由进行，就会产生热应力，当热应力迗到一定的值的时候，结构的内部就会产生微观裂缝

4、，影响结构的功能.[3-4]2分析实例2.1光学系统分析本文的研究对象是一个能在4.4〜5.4um和7.8〜8.8Pm波段下工作的双波段红外光学系统，有效食距为183mm，视场为3°X2.25°，F#为2.68，工作温度为-40〜60°C，镜子材料自左到右第1，4,5,6,7镜采用的是锗，2镜采用硒化锌，3镜采用氟化钙，镜筒材料为铝合金［5］，系统光路及MTF见图1，在25线对数处的MTF值为0.3067.根据双色红外光学系统的实际指标要求，通过选择衍射光学元件的适当参数和设计波长，以及通过镜子材料的选取和光焦度的合理分配已经完成了系统的双色红外消热差的设计任务，而且基于衍射光学元件设

5、计出的双色红外消热差光学系统不仅结构简单，镜片数量少，重量符合要求［6］，而且透过率较高，F#可以减小，增加光能利用率，有利于在不同的环境范围内和各种天气状况下对不同目标进行高精度的探测.3结论红外系统对温度的影响很敏感，为得到性能可靠的红外光学系统，对红外光学系统做光机热集成分析.对某红外双波段光学系统进行光机结构设计，基于有限元分析方法利用MSCNastran&Patran对系统进行建模和热载荷分析，研究系统中主要元件的改变对系统整体性能的影响.结果表明系统的无热化效果很好，在设计温度下系统性能表现良好，成像质量也很好，满足设计要求.通过光机热集成分析，对系统热适应能力进行评估，大

6、大提高设计效率，降低风险和成本，验证设计者的设计要求.光机热集成方法是分析红外光学系统的一种行之有效的手段.参考文献：[1]刘小波.光机热集成分析法在红外光学系统中的应用[J].半导体光电，2008，29(6):973-975.LIUXiaobo.Applicationsofintegratedanalysisofoptical-structureinIRopticalsystem[J].SemiconductorOptoelectronics,2008，29(6)：973-975.[2]杨怿，张伟，陈时锦.空间望远镜主镜的热光学特性分析[J].光学技术，2006，32(1)：144-

7、147.YANGYi，ZHANGWei,CHENShijin.Studyonthermalopticspropertyofprimarymirrorappliedonaspacetelescope[J].OpticalTechnique,2006，32(1):144-147.[3]高明，王占军.微光夜视仪空间棱镜架有限元分析[J].西安工业大学学报，2011，31(1)：18-23.GAOMing，WANGZhanjun.Finiteeleme