蘇超

摘 要：隨著我國(guó)紅外技術(shù)研究成果的不斷涌現(xiàn)，目前其在光機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用也變得越來(lái)越普遍。結(jié)合低溫紅外系統(tǒng)光機(jī)結(jié)構(gòu)的技術(shù)背景，文章首先分析了低溫紅外系統(tǒng)光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原則，其次對(duì)低溫紅外系統(tǒng)光機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程與優(yōu)化策略進(jìn)行了解分析，希望能夠?yàn)榧t外光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建發(fā)展提供新思路與參考。

關(guān)鍵詞：低溫紅外系統(tǒng)；光機(jī)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

紅外設(shè)備在低溫條件下工作時(shí)會(huì)受到各種外界環(huán)境因素的影響，所以紅外系統(tǒng)光機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)一直是困擾行業(yè)發(fā)展的重要限制性因素。為了提升光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保在低溫環(huán)境下依然保障良好的熱應(yīng)力適應(yīng)性，就必須提升低溫紅外系統(tǒng)光機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化系數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，現(xiàn)就低溫紅外系統(tǒng)光機(jī)技術(shù)背景的相關(guān)內(nèi)容分享如下。

一、低溫紅外系統(tǒng)光機(jī)技術(shù)背景

當(dāng)處于較低的溫度環(huán)境當(dāng)中時(shí)，無(wú)論是加工，還是裝配甚至是設(shè)備的正常開啟都會(huì)受到限制和影響。這是由于在較低的溫度調(diào)節(jié)下，不同的材料具有不同的熱膨脹系數(shù)，當(dāng)溫度降低到一定程度，不同的熱膨脹系數(shù)會(huì)帶來(lái)不同程度的形變量，而這種形變量并不一定會(huì)表現(xiàn)出具體的形變，會(huì)通過(guò)一定形變內(nèi)應(yīng)力的方式展現(xiàn)出來(lái)，這就是低溫環(huán)境中光機(jī)穩(wěn)定性不足的重要原因之一。除此之外，根據(jù)選擇的材料差異，結(jié)構(gòu)方面也會(huì)發(fā)生變形，比如說(shuō)CTE參數(shù)不同，會(huì)引發(fā)明顯的光學(xué)材料折射率的變換，這樣一來(lái)系統(tǒng)的參數(shù)得不到保障，光學(xué)精確度出現(xiàn)偏差，光機(jī)的分辨率就會(huì)受到巨大的影響，出現(xiàn)拍攝圖像質(zhì)量下滑的問(wèn)題。由此可見，低溫紅外系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)比常規(guī)光學(xué)結(jié)構(gòu)具有更為苛刻的要求。

二、低溫紅外系統(tǒng)光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

1.均一性原則

所謂均一性原則，是指在進(jìn)行光學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)選擇相近甚至完全一致的材料來(lái)避免由于溫度變化而帶來(lái)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力上的差異。在材料相似或者完全一致的情況下，溫度的下降會(huì)帶來(lái)相同的形變量，由于在裝配過(guò)程中選擇了完全一致的材料，所以溫度引發(fā)的變形量也會(huì)相同，且不會(huì)由此出現(xiàn)應(yīng)力變化，綜上整個(gè)系統(tǒng)就能夠保持高度的熱穩(wěn)定性，也就符合了低溫紅外系統(tǒng)光機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求與預(yù)期。但是，根據(jù)上述分析我們也不難發(fā)現(xiàn)，均一性原則對(duì)于材料的要求極高，而光學(xué)材料在透射類型的裝置中往往需要不同類型的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)其基本功能，所以不太可能選擇完全一樣的材料。一旦選擇了不同類型的材料，就會(huì)由于熱漲力引發(fā)室溫、低溫條件變化，進(jìn)而引發(fā)材料內(nèi)應(yīng)力，出現(xiàn)一系列問(wèn)題。

2.不調(diào)整原則

不調(diào)整原則是指在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)誤差分析、材料匹配等各種方式來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，完成整體設(shè)計(jì)后，不出現(xiàn)特殊情況不能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行修改。特別是不能夠采用傳統(tǒng)的修磨的方式對(duì)其進(jìn)行修改。這是由于不同的溫度變化會(huì)具有一定的等待時(shí)間，當(dāng)出現(xiàn)溫度變化或者真空化之后，在室溫下進(jìn)行調(diào)整，再進(jìn)入到低溫狀態(tài)下，依然會(huì)引發(fā)新的問(wèn)題，甚至?xí)霈F(xiàn)不可預(yù)期的嚴(yán)重問(wèn)題。所以，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該做好科學(xué)規(guī)劃，從整體籌劃的角度上進(jìn)行思路整理，綜合考慮到多個(gè)層面的內(nèi)容，做好設(shè)計(jì)優(yōu)化工作，避免在設(shè)計(jì)后期進(jìn)行各種修補(bǔ)、刪減，以確保系統(tǒng)最終的穩(wěn)定性要求。

三、低溫紅外系統(tǒng)光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.反射鏡設(shè)計(jì)

在紅外系統(tǒng)當(dāng)中，望遠(yuǎn)鏡的選擇對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建十分關(guān)鍵。一般來(lái)說(shuō)，厚度不均勻的離軸反射鏡是進(jìn)行反射鏡設(shè)計(jì)的最佳方法。在鏡子加工過(guò)程中，可以采用單點(diǎn)安裝的方式來(lái)將其固定到安裝座上，通過(guò)背面基板的中心定位孔來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，同時(shí)用螺紋孔進(jìn)行管理，用于控制鏡子的旋轉(zhuǎn)位置。在這個(gè)過(guò)程中，溝槽能夠提供豐富的運(yùn)動(dòng)自由度而不太會(huì)影響到整體線性分布，以此來(lái)確保系統(tǒng)的位置與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2.透鏡設(shè)計(jì)

在進(jìn)行透鏡的設(shè)計(jì)安裝時(shí)，需要考慮到光學(xué)設(shè)計(jì)誤差方面的系統(tǒng)要求。在滿足冷卻過(guò)程中的內(nèi)應(yīng)力變化的前提下做好固定安裝工作。一般來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的安裝方法是采用壓環(huán)固定的方式進(jìn)行安裝，這種方式可能會(huì)由于材料本身在熱膨脹系數(shù)方面存在較大的差異而引發(fā)透鏡損壞或者精度下降的問(wèn)題。針對(duì)這個(gè)情況，可以采用運(yùn)動(dòng)學(xué)安裝設(shè)計(jì)的方式予以解決。具體的方法能夠確保透鏡在光軸上的平移自由度，同時(shí)降低環(huán)境溫度對(duì)結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力影響，確保將應(yīng)力完全釋放出來(lái)，不容易導(dǎo)致后期的材料損耗。除此之外，在接觸面上透鏡可能會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)情況，或者由于溫度的變換而出現(xiàn)一些微小的位移，要解決這些問(wèn)題就需要妥善考慮好冷卻關(guān)系，提前留出充足的余量。

3.濾波輪設(shè)計(jì)

濾波輪在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要選擇四個(gè)濾光片，借助于不同的探測(cè)需要來(lái)進(jìn)行組裝，實(shí)際的結(jié)構(gòu)類型需要結(jié)合工況條件進(jìn)行判斷。通過(guò)將濾波輪中心固定在低溫球的軸承上，能夠確保其在相對(duì)較低的溫度下正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)類似于濾波輪外圓的加工模式需要在齒輪嚙合驅(qū)動(dòng)條件下進(jìn)行自由的切換。為了進(jìn)一步確定濾光片的位置，可以采用濾波輪外圓設(shè)計(jì)鎖緊的方式來(lái)進(jìn)行管理，通過(guò)濾波輪中心加裝球軸承的方式，實(shí)現(xiàn)滾珠、軸承環(huán)的接觸，使得整個(gè)接觸面積得到有效的控制，在一定程度上確保熱傳導(dǎo)性能的穩(wěn)定，這樣一來(lái)濾波輪組件的冷卻周期就會(huì)變得很長(zhǎng)，可以加速冷卻，縮短整個(gè)過(guò)程所需要的時(shí)間。值得注意的是，在進(jìn)行定位鎖緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮不同端點(diǎn)的壓縮彈簧結(jié)構(gòu)的伸縮量，確保細(xì)桿能夠徑向運(yùn)動(dòng)，在步進(jìn)電機(jī)濾波輪旋轉(zhuǎn)時(shí)可以完全進(jìn)入到凹槽當(dāng)中，這樣一來(lái)電機(jī)停止后，兩個(gè)最終的V字形結(jié)構(gòu)就可以運(yùn)行到濾波輪指定的區(qū)域內(nèi)。

總結(jié)

綜上所述，低溫紅外系統(tǒng)光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是確保光學(xué)元件在低溫條件下能夠維持良好的穩(wěn)定性的必要條件。在進(jìn)行低溫紅外系統(tǒng)光機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中，需要考慮到低溫紅外光機(jī)設(shè)計(jì)的均一性、不調(diào)整性原則，以此來(lái)提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性、針對(duì)性。本文對(duì)于低溫紅外系統(tǒng)光機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化途徑進(jìn)行了解析，提出了反射鏡設(shè)計(jì)、透鏡設(shè)計(jì)以及濾波輪設(shè)計(jì)等方面的優(yōu)化內(nèi)容，希望能夠?yàn)榧夹g(shù)優(yōu)化與發(fā)展提供必要的支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳永和. 應(yīng)用于中短波紅外天文觀測(cè)的空間低溫光學(xué)系統(tǒng)研究[D].中國(guó)科學(xué)院大學(xué)（中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所），2017.

[2]翟金龍. 低溫紅外目標(biāo)模擬光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及反射鏡制冷技術(shù)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.

[3]周超.低溫紅外系統(tǒng)光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].紅外與激光工程，2013，42（08）：2092-2096.

[4]許敏達(dá). 低溫多目標(biāo)復(fù)合紅外仿真系統(tǒng)光機(jī)熱特性研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.