王勁松，侯升日，柳 鳴，曹維國(guó)，王立秋

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紅外窗口熱變形對(duì)零位檢測(cè)成像質(zhì)量影響分析

王勁松，侯升日，柳 鳴，曹維國(guó)，王立秋

（長(zhǎng)春理工大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130022）

針對(duì)一個(gè)雙層紅外窗口進(jìn)行了完整地光機(jī)熱集成分析，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)有限元分析以及熱光學(xué)特性分析。利用MSC Nastran和Hypermesh對(duì)光機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在軸向溫度梯度場(chǎng)下進(jìn)行熱彈性分析。分析可知雙層紅外窗口的最大位移形變量為1.01×10－1mm，將有限元節(jié)點(diǎn)位移信息代入Zemax中，光學(xué)系統(tǒng)在9.0lp/mm處最終的MTF依然在0.2左右，符合設(shè)計(jì)需求，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)使用的雙層紅外窗口的熱光學(xué)適應(yīng)性。

雙層紅外窗口；有限元分析；光機(jī)熱集成；MSC Nastran

0 引言

近年來具有較高透過率以及高強(qiáng)度的紅外窗口常應(yīng)用于紅外探測(cè)器檢測(cè)的關(guān)鍵部件以及飛行器窗口或整流罩中[1]，其主要是起到透光、保護(hù)以及密封的作用，既能避免外界環(huán)境損傷內(nèi)部的光電裝置，又需要保證光電傳感器的光學(xué)性能穩(wěn)定[2]。目前國(guó)內(nèi)外著力于對(duì)紅外窗口的材料性能研究，Ge是8～12mm波段紅外系統(tǒng)最常用的材料，它的機(jī)械強(qiáng)度高，導(dǎo)熱性好；除此之外還有對(duì)窗口面形進(jìn)行研究，使其更好地適應(yīng)環(huán)境。并且窗口的變形對(duì)軍用光電設(shè)備以及日常生活用品如相機(jī)的影響都得到了較好的驗(yàn)證分析。特別是在環(huán)境工況多變性的情況下，光學(xué)窗口設(shè)計(jì)過程中交叉了光、機(jī)、電、熱等多種學(xué)科，所以在紅外窗口設(shè)計(jì)階段，需要充分考慮窗口材料的熱光性能、化學(xué)性能及機(jī)械性能等，需要對(duì)其強(qiáng)度、外形及安裝方式進(jìn)行相關(guān)地分析以查看紅外窗口在特定工況下的熱光學(xué)適應(yīng)能力[3]。

本文以雙層紅外窗口在紅外瞄具零位檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用為研究背景，采用對(duì)于紅外波段具有較高透過率的單晶鍺為材料，并在成像質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)波像差及MTF下，分析了雙層紅外窗口窗口在軸向溫度梯度溫度場(chǎng)下的形變對(duì)光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)性能的影響。

1 雙層紅外窗口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1是雙層紅外窗口及其結(jié)構(gòu)的三維模型圖。窗口使用單晶鍺為玻璃材料，單晶鍺玻璃的通光波段為8～12mm，其機(jī)械強(qiáng)度高，導(dǎo)熱性好，熱吸收系數(shù)低，折射率和透射率都很高。隔圈與壓圈1和壓圈2分別將Ge玻璃1和Ge玻璃2固定，確定了Ge玻璃在雙層紅外窗口中的軸向位置；框架結(jié)構(gòu)選用屈服應(yīng)力較低的鋁合金材質(zhì)，避免因?yàn)闇囟茸冃芜^度擠壓鍺玻璃。框架端部邊緣均勻分布三葉卡板，每個(gè)卡板的周向角度為60°，厚度為5mm，三葉卡板與箱體內(nèi)部的支架端部很好的旋轉(zhuǎn)切合；框架的另一方向即較寬的擋板與箱體外表面緊密接合并附有毛氈與硬橡膠增加了紅外窗口的密封性能。

圖1 雙層紅外窗口及框架三維結(jié)構(gòu)圖

2 溫度差對(duì)紅外窗口的影響

光學(xué)窗口的曲面形狀、透過率以及曲率半徑都會(huì)因溫度變化而受到影響，導(dǎo)致整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量變差。如果窗口的內(nèi)側(cè)和外側(cè)存在一定的溫差，則徑向和軸向都會(huì)產(chǎn)生溫度梯度，稱為徑向溫度梯度和軸向溫度梯度[4]。

1）軸向溫度梯度是紅外窗口中溫度場(chǎng)沿著窗口玻璃厚度方向的溫度分布。一般情況下窗口表面變?yōu)榍蛎嫘螤?，曲率半徑為?/p>

＝/() (1)

式中：為單晶鍺玻璃的熱膨脹系數(shù)；為單晶鍺玻璃單位面積上的熱通量；為熱導(dǎo)率。在軸向溫度梯度下鍺玻璃會(huì)變成一個(gè)彎形球面透鏡，光焦度為：

式中：w為透鏡焦距；w為熱傳導(dǎo)時(shí)間。

2）徑向溫度梯度是紅外窗口中溫度場(chǎng)從窗口中心到窗口邊緣的溫度分布。有下面2種情況[5]，如圖2所示，圖2(a)中的變形表明玻璃平板的中心溫度高，越接近邊緣溫度越低；圖2(b)中的變形表示邊緣溫度高，越接近中心溫度越低。圖中表示玻璃板的厚度，￠表示變形后表面輪廓形變量最大處[6-7]。

圖2 徑向溫度差對(duì)窗口玻璃的影響

假定熱光系數(shù)是一個(gè)定值常數(shù)，則邊緣效應(yīng)帶來的光程差為：

3 有限元分析

對(duì)雙層紅外窗口進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了提高分析精度，雙層光學(xué)玻璃、隔圈、壓圈與鏡框均采用手動(dòng)劃分的高質(zhì)量六面體網(wǎng)格如圖3所示。表1為劃分的體網(wǎng)格的各項(xiàng)指標(biāo)的失效百分比從表中可以看出網(wǎng)格劃分的質(zhì)量?jī)?yōu)良，為后續(xù)進(jìn)行的熱應(yīng)力分析的準(zhǔn)確性提供保障。

以結(jié)構(gòu)單元代替單元類型，定義包括熱膨脹系數(shù)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)材料屬性，如表2所示。

圖3 紅外窗口的有限元分析模型

表1 體網(wǎng)格質(zhì)量失效百分比

表2 紅外窗口材料參數(shù)表

在紅外窗口外框與殼體外壁螺釘連接處施加位移約束，即在螺釘位置將6個(gè)自由度全部限制。位移約束如圖4所示。

根據(jù)紅外窗口工況，在窗口框架的一端施加了－40℃的溫度載荷，在框架的另一端施加25℃室內(nèi)溫度載荷，解算后的溫度場(chǎng)分布如圖5所示。

圖4 位移約束

圖5 溫度場(chǎng)分布云圖

Fig.5 Temperature field contours

將Nastran計(jì)算所得的溫度場(chǎng)重新作為施加載荷施加到劃分的網(wǎng)格中，并在三葉板與溫控箱螺釘連接位置約束6個(gè)方向全部自由度，作為一個(gè)工況在熱力耦合分析模式下分析紅外窗口表面變形，紅外窗口在軸向梯度溫度場(chǎng)下的位移云如圖6所示。

圖6(a)、圖6(b)為紅外窗口內(nèi)外表面形變曲線。顯然，兩側(cè)的溫度梯度的綜合影響使得窗口趨于凸向艙內(nèi)。從圖中還可以看出雙層紅外窗口的最大位移形變量為1.01×10－1mm。

圖6 窗口變形后的位移形變量

4 紅外窗口的形變對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的影響分析

上章中獲得了紅外窗口的變形數(shù)據(jù)，需要對(duì)光學(xué)窗口內(nèi)外變形表面進(jìn)行Zernike多項(xiàng)式擬合，從而對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的影響分析。Zernike多項(xiàng)式是結(jié)構(gòu)分析與光學(xué)分析程序之間的接口工具?？梢灾苯虞斎霐M合后的相應(yīng)各項(xiàng)Zernike系數(shù)到光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax軟件中的Zernike面形，附加于原本窗口表面。然后就可以利用軟件分析出附加形變后的系統(tǒng)成像質(zhì)量的變化。在熱力藕合情況下，利用Zernike多項(xiàng)式擬合光學(xué)窗口表面變形，其內(nèi)外表面面形前10項(xiàng)如表3所示[8]。

將擬合后的Zernike系數(shù)代入檢測(cè)系統(tǒng)光路中，紅外瞄具零位走動(dòng)量檢測(cè)系統(tǒng)光路如圖7所示。圖8(a)、圖8(b)為附加窗口變形前后系統(tǒng)的軸上視場(chǎng)調(diào)制傳遞函數(shù)在奈奎斯特頻率9.0lp/mm處的MTF曲線。從MTF曲線可以看出，在軸向溫度場(chǎng)下的整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)依然在0.2左右。說明系統(tǒng)表現(xiàn)出很好的無熱化效果，可以認(rèn)為系統(tǒng)己經(jīng)滿足設(shè)計(jì)要求。

5 實(shí)驗(yàn)

圖9為在－40℃～25℃溫差下通過紅外熱像儀觀察到的零位檢測(cè)系統(tǒng)成像后的十字分劃圖像?？梢钥闯鲭m然在特定工況下窗口邊緣出現(xiàn)模糊的現(xiàn)象，但仍然可以清晰準(zhǔn)確地測(cè)量到紅外瞄具的零位走動(dòng)量，滿足系統(tǒng)要求。

6 總結(jié)

本文對(duì)某紅外瞄具檢測(cè)系統(tǒng)的雙層紅外窗口進(jìn)行了完整的光機(jī)熱集成分析。包括利用有限元分析軟件MSC Nastran和Hypermesh對(duì)雙層紅外窗口在軸向溫度梯度場(chǎng)下的熱彈性形變量的分析，以及將位移形變量信息代入Zemax中，分析光學(xué)系統(tǒng)在9.0lp/mm處最終的MTF。分析結(jié)果表明，此雙層紅外窗口在特定工況下的位移形變量很小，MTF依然保持0.2左右，其適應(yīng)能力完全滿足零位檢測(cè)系統(tǒng)要求。

圖7 零位走動(dòng)量檢測(cè)系統(tǒng)光路圖

表3 內(nèi)外表面面形前10項(xiàng)Zernike系數(shù)

圖8 調(diào)制函數(shù)（MTF）

圖9 紅外熱像儀及其觀察后的圖像

Fig.9 Infrared thermal imaging instrument and image observed by it

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Analysis of the Effect on Zero Position Detection’s Image Quality Caused by Deformation of Infrared Window

WANG Jin-song，HOU Sheng-ri，LIU Ming，CAO Wei-guo，WANG Li-qiu

（，130022，）

This paper analyzed thermal, structural and optical integration of a double infrared window completely, including structure design, finite element analysis and thermal analysis of the optical characteristics. The thermo elastic analysis of mechanical structure system in the axial temperature gradient field is done by using MSC Nastran and Hypermesh. Infrared analysis shows the double window maximum displacement deformation is 1.01×10－1mm, The finite element nodal displacement information is substituted into the Zemax. The optical system 9.0lp/mm at the final MTF is still around 0.2, which meets the design requirements, and verifies the suitability of the design of the thermo-optical infrared window.

double infrared window，finite element analysis，thermal structural optical integration，MSC Nastran

TJ06，TH122

A

1001-8891(2015)09-0769-05

:10.7666/d.y931105.

2015-05-19；

2015-07-01.

王勁松（1973-），博士，副教授，主要研究方向?yàn)椋汗鈾C(jī)結(jié)構(gòu)。