朱峰

摘要：紅外鏡頭往往很容易受到溫度變化的影響。在紅外鏡頭中，所有光學(xué)元件都是以鏡筒為依托，鏡筒的設(shè)計(jì)很大程度上決定了鏡頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并直接影響其光學(xué)性能。本文以某款紅外鏡頭為例，運(yùn)用ANSYS有限元軟件的優(yōu)化模塊，對鏡筒進(jìn)行了仿真優(yōu)化，通過多次迭代選出了最優(yōu)解。然后通過光機(jī)熱集成分析方法，運(yùn)用澤尼克多項(xiàng)式對處理后的面形數(shù)據(jù)擬合，導(dǎo)入光學(xué)軟件ZEMAX中進(jìn)行光學(xué)性能分析，并與優(yōu)化前的模型進(jìn)行對比，分析結(jié)果表明，鏡筒壁厚在一定程度上影響了紅外鏡頭的光學(xué)性能，優(yōu)化鏡筒壁厚可以減小鏡片在熱環(huán)境中的面形畸變，使紅外鏡頭的光學(xué)性能得到提高。

Abstract： Infrared lens is susceptible to temperature changes. In the infrared lens， all optical elements are based on the tube and the tube design largely determines the structure design of lens， also directly affect the optical properties. In this paper， we took an infrared lens as an example， used the optimization module of ANSYS finite element software， and carried out the simulation and optimization of the tube， and then chose the optimal solution by multi-iteration. After that， through the structure-thermal-optical performance integrated analysis （STOP）， using Zernike polynomials， we fit the processed surface data and analyzed the optical performance. Through the introduction of optical software ZEMAX， also， it is compared with the model before optimization. Analysis results showed： to some extent， the tube wall thickness influenced the optical performance of infrared lens. Optimization of tube wall thickness could reduce the surface distortion of lens in thermal environment， and then the optical performance of infrared lens could be improved.

關(guān)鍵詞：紅外鏡頭；光機(jī)熱集成；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；熱光學(xué)特性

Key words： infrared lens；structure-thermal-optical performance；structural optimization；thermal optical properties

中圖分類號：TN214 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）14-0085-04

0 引言

在紅外鏡頭中，所有光學(xué)元件都是以鏡筒為依托，鏡筒的設(shè)計(jì)很大程度上決定了鏡頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并直接影響其光學(xué)性能。高剛度、輕量化以及較好的熱適應(yīng)性一直都是紅外鏡頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，其落足點(diǎn)在于鏡筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1]。在實(shí)際進(jìn)行紅外鏡頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師一般依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來確定鏡筒結(jié)構(gòu)的外形與尺寸，鏡筒壁厚設(shè)計(jì)往往存在較大冗余，這樣雖然可以讓紅外鏡頭具有較大的強(qiáng)度和剛度，但也導(dǎo)致了鏡頭質(zhì)量增加，結(jié)構(gòu)笨重，不方便作業(yè)。況且隨著鏡筒的壁厚增加，會降低紅外鏡頭的熱環(huán)境的適應(yīng)性，使鏡筒對透鏡的變形與應(yīng)力的緩沖能力減小，最終加重鏡面的面形變化[2]。

通過對紅外鏡頭進(jìn)行光機(jī)熱集成分析，可以量化鏡片折射率、透鏡面形和透鏡間距三種因素變化對紅外系統(tǒng)像質(zhì)的影響[3-4]。為了使鏡筒既滿足紅外鏡頭的使用要求，同時(shí)又滿足輕量化的設(shè)計(jì)要求，本文利用有限元軟件ANSYS的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，對鏡筒進(jìn)行改進(jìn)，然后對改進(jìn)后的鏡頭模型進(jìn)行分析并評價(jià)其光學(xué)性能，與原始鏡頭進(jìn)行了對比。

1 對鏡筒進(jìn)行ANSYS有限元優(yōu)化

1.1 ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊簡介

優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種借助計(jì)算機(jī)和最優(yōu)化數(shù)值計(jì)算方法，以數(shù)學(xué)中的最優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，根據(jù)設(shè)計(jì)所追求的性能目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)，在滿足給定的各種約束條件下，尋求最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案[5]。通過對產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以提高設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)，使其結(jié)構(gòu)更加合理。優(yōu)化設(shè)計(jì)的對象可以很多，比如結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的尺寸（如厚度、長度）、形狀（如過渡處倒圓角的大?。?、支撐位置（加強(qiáng)筋）等。

ANSYS有專門的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，通過參數(shù)化建模，可以設(shè)定設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)[6]。在運(yùn)用ANSYS優(yōu)化之前，先簡單介紹優(yōu)化過程中所涉及的一些基本概念：

設(shè)計(jì)變量（DV）：在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)中所需調(diào)整與優(yōu)選的參數(shù)，如結(jié)構(gòu)尺寸等。

狀態(tài)變量（SV）：隨DV的變化而變化，并且對DV的取值起限制作用的變量，如應(yīng)力、位移等。

目標(biāo)函數(shù)（OBJ）：是DV的函數(shù)，是評價(jià)設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，對DV的取值范圍與SV的空間范圍起限制作用。

優(yōu)化的目的是在可行域內(nèi)搜尋使目標(biāo)函數(shù)取最大值或最小值時(shí)的設(shè)計(jì)變量。

ANSYS軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程如圖1所示。

1.2 鏡筒結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)的選取

在紅外鏡頭中，鏡筒是主體結(jié)構(gòu)，它對光學(xué)元件起到支撐保護(hù)的作用，對整個(gè)光機(jī)系統(tǒng)影響最大，故本文選擇鏡筒作為優(yōu)化對象。由于初始鏡筒是由結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計(jì)，其本身已經(jīng)考慮到了加工和裝配等工藝因素，具備了一定的合理性，因此在初始鏡筒的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化將會使其結(jié)構(gòu)更加合理和更有針對性。鏡筒是回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，壁厚作為一個(gè)關(guān)鍵尺寸對整個(gè)鏡頭的質(zhì)量和剛度影響最大，所以選用壁厚作為設(shè)計(jì)變量，以鏡筒輕量化（質(zhì)量最輕或體積最?。槟繕?biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。ANSYS的優(yōu)化設(shè)計(jì)是基于參數(shù)化建模，由于鏡頭外部的零件（電機(jī)座、限位塊等）對透鏡的變形影響較小，并且增加了有限元建模計(jì)算的難度和時(shí)間，所以在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，對鏡筒進(jìn)行相關(guān)簡化如圖7所示。在計(jì)算出最佳參數(shù)后，再重新建立完整模型，對其進(jìn)行光機(jī)熱分析。

在圖2所示的四個(gè)尺寸中，由于鏡筒后端最終通過螺釘與探測器接口相連，所以需要在鏡筒壁上鉆螺紋孔，根據(jù)加工工藝及強(qiáng)度的要求，需要在鏡筒后端面均布4個(gè)M2的螺釘孔，故壁厚④的尺寸不能過小，選取壁厚④尺寸為3mm，于是僅對其它三處壁厚進(jìn)行優(yōu)化。式（1）、（2）為鏡筒優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型。

2 鏡頭光機(jī)熱分析優(yōu)化前后性能對比

2.1 優(yōu)化后紅外鏡頭的熱應(yīng)力分析

利用上述得到的鏡筒相關(guān)參數(shù)重新建立完整的紅外鏡頭3D模型，并對其進(jìn)行熱應(yīng)力分析，由于參考溫度設(shè)置為20℃，臨界溫度-40℃與參考溫度20℃的溫差最大，所以選用-40℃作為分析溫度。計(jì)算紅外鏡頭在-40℃情況下的變形情況。圖5為鏡頭在-40℃作用下的整體位移云圖，圖6為鏡頭光學(xué)系統(tǒng)的位移云圖，圖7和圖8分別為第一透鏡沿光軸方向的位移云圖和等效位移云圖。紅外鏡頭優(yōu)化前后的各項(xiàng)結(jié)果對比如表2所示。

結(jié)合圖8與表2可以看出，優(yōu)化后的紅外鏡頭與原始模型相比具有更好的熱環(huán)境適應(yīng)性。當(dāng)在-40℃臨界溫度下，優(yōu)化后的鏡頭內(nèi)所有鏡片受到的熱應(yīng)力均減小，透鏡的變形也減小。最終優(yōu)化后模型的質(zhì)量與原始模型相比減小了17.5%。

2.2 優(yōu)化前后紅外鏡頭的面形分析

在紅外鏡頭的熱應(yīng)力分析基礎(chǔ)上，為了準(zhǔn)確的分析鏡頭優(yōu)化后透鏡的面形質(zhì)量，將所有透鏡的鏡面節(jié)點(diǎn)位移數(shù)據(jù)提取出來，通過齊次坐標(biāo)變換方法去除剛體位移[7]，計(jì)算得到各面的面形質(zhì)量與原始模型的面形質(zhì)量比較情況如表3、表4所示。

從表3、表4中可以看出，鏡筒經(jīng)過優(yōu)化后，透鏡1和透鏡2所有表面的PV（峰谷）值、RMS（均方根）值均小于原始模型，這與之前的紅外鏡頭的熱應(yīng)力分析結(jié)果相符；透鏡3由于安裝在調(diào)焦鏡筒上，并未與鏡筒直接相連，所以鏡筒優(yōu)化后對透鏡3的影響較小。

2.3 優(yōu)化后紅外鏡頭的光學(xué)性能

為了評價(jià)優(yōu)化后鏡頭的光學(xué)性能，需要對分析后的面形數(shù)據(jù)進(jìn)行Zernike多項(xiàng)式擬合，并求出Zernike系數(shù)，最后將表征鏡面面形畸變的Zernike多項(xiàng)式、透鏡間距的變化以及透鏡的折射率輸入到光學(xué)軟件ZEMAX中，觀測系統(tǒng)熱變形后的光學(xué)性能。由于熱變形后，機(jī)械結(jié)構(gòu)對鏡面面形的影響最為嚴(yán)重，為了使光學(xué)分析更具針對性，僅列出了優(yōu)化后鏡面的面形畸變對系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)和點(diǎn)列圖的影響，見圖9、圖10。優(yōu)化前后的模型的光學(xué)傳遞函數(shù)值、系統(tǒng)點(diǎn)列圖的RMS RADIUS值與GEO RADIUS值比較情況如表5所示。

根據(jù)圖9、圖10與表5分析可知，鏡筒優(yōu)化后，系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)值比原始模型提高，點(diǎn)列圖中的RMS半徑值與GEO半徑值均減小，表明系統(tǒng)的光學(xué)性能得到了一定的提高。

3 結(jié)論

本文以某款紅外鏡頭為例，運(yùn)用ANSYS有限元軟件的優(yōu)化模塊，對鏡筒進(jìn)行了仿真優(yōu)化，經(jīng)過多次迭代選出了最優(yōu)解。通過光機(jī)熱集成分析方法，結(jié)果表明，鏡筒壁厚在一定程度上影響了紅外鏡頭的光學(xué)性能，優(yōu)化鏡筒結(jié)構(gòu)能夠減小鏡片在熱環(huán)境中受到的熱應(yīng)力，減少透鏡的面形畸變，從而降低機(jī)械結(jié)構(gòu)對整個(gè)鏡頭光學(xué)性能的影響，使紅外鏡頭的整體性能得到提高。

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