Analyse opto-mécanique-thermique intégrée des lentilles infrarouges

Pour un système optique de haute précision, ses performances optiques sont largement affectées par les charges mécaniques externes et la température ambiante, et l'interaction entre elles détermine en fin de compte les performances de l'ensemble du système optique. En particulier pour les systèmes optiques infrarouges, la température de fonctionnement typique dans les applications militaires est de -40°C à +60°C.

Dans différentes conditions de température, en raison de l'incohérence des coefficients de dilatation thermique de la lentille optique et du matériau de la structure de la monture, cela entraînera une déformation de l'élément optique et l'indice de réfraction du matériau optique changera également avec la température, ce qui entraînera une déformation de l'élément optique. entraîner une modification des paramètres de performance du système optique et entraîner une diminution de la qualité de l'image, voire un fonctionnement incorrect. Par conséquent, il est nécessaire de considérer que le système infrarouge fonctionne dans une large plage de températures lors de la conception, ce qui nécessite une conception intégrée de la lumière, de la machine et de la chaleur.

Pour les instruments optiques de haute précision, son développement couvre de multiples disciplines telles que l'optique, la mécanique, l'électricité et la chaleur. Lors de la conception, il est nécessaire de prendre pleinement en compte l'impact d'une discipline sur les sous-systèmes liés aux autres disciplines.

La méthode d'analyse photomécanique et thermique intégrée est actuellement la méthode la plus efficace pour la conception et l'analyse d'instruments optiques. Il commence du point de vue de l'ingénierie système, considère de manière globale la relation entre le système optique, le système de structure mécanique et l'environnement thermique externe, et utilise des moyens techniques CAO/IAO pour réaliser l'optique.

La conception optimale du système d’instruments est actuellement principalement utilisée dans la conception et l’analyse d’instruments optiques spatiaux, mais est rarement utilisée dans les systèmes optiques infrarouges généraux. Le procédé et l'analyse de l'intégration thermique optique-mécanique de la lentille infrarouge sont les suivants.

La méthode d'analyse intégrée est actuellement la méthode couramment utilisée au niveau international pour résoudre des problèmes interdisciplinaires. Chaque discipline utilise son propre logiciel d'analyse pour résoudre les problèmes de la discipline. Afin de pouvoir prédire avec précision les performances du système, chaque discipline doit être capable d'échanger des données, de sorte que les résultats de l'analyse et du traitement dans une discipline deviennent les données sources des calculs d'une autre discipline. Transmission intègre plusieurs logiciels d’analyse indépendants en un seul. La figure 1 montre le processus d'analyse intégrée optique-mécanique-thermique.

Fig. 1 Organigramme de l'analyse thermique optique-mécanique intégrée

Tout d’abord, construisez un prototype d’écran de l’instrument optique sur la base des résultats de la conception optique, puis construisez un modèle thermique pour obtenir la distribution de température du système. Chargez la distribution de température obtenue en tant que charge corporelle dans le modèle structurel par éléments finis pour l’analyse mécanique.

En traitant la valeur de déformation, le déplacement du corps rigide et le changement de forme de surface de l'élément optique peuvent être obtenus, et les données obtenues ci-dessus et le changement de l'indice de réfraction de l'élément optique peuvent être remplacés dans le modèle optique, puis évaluer l'effet. de la température sur les performances du système optique. L'ensemble du processus est une analyse de conception en boucle fermée, grâce à des analyses et des optimisations répétées, le système optimal peut finalement être obtenu.

Exigences du système optique infrarouge : la distance focale est de 200 mm ; F/# est 2,5 ; 2w vaut 3,3° ; le nombre de pixels du détecteur est de 320×240 ; la taille des pixels en pouces est de 25 μm × 25 μm et la température de fonctionnement est de -40 ℃ ~ + 60 ℃. Pour les exigences ci-dessus, s'il n'y a aucune restriction, diverses structures optiques peuvent être utilisées.

En fait, la longueur du système optique est exigeante, donc afin de réduire la taille et d'obtenir une meilleure adaptation du diaphragme froid du système, la lentille infrarouge est conçue avec une deuxième méthode d'imagerie. Tout d'abord, placez la pupille humaine sur la première surface et passez le groupe de lentilles avant dans un plan d'image principal, puis le groupe de lentilles arrière focalisera le plan d'image principal sur le plan focal et imagera la pupille humaine sur la barre de lumière froide. du système, à savoir la pupille de sortie et la détection du système. Les diaphragmes froids des appareils se chevauchent et le système optique illustré à la figure 2 est conçu.

Fig. 2 Disposition optique

La lentille avant du système est composée de 3 lentilles Si à pouvoir réfringent positif et de 1 lentille Ge à pouvoir réfringent négatif. Les lentilles 3 Si sont principalement utilisées pour focaliser la lumière et corriger l'aberration sphérique, tandis que les lentilles Ge sont principalement utilisées pour corriger l'aberration chromatique. La lentille arrière du système est composée de 3 lentilles Si. Ce dernier groupe utilise l'imagerie secondaire sur le plan médian de l'image pour corriger conjointement l'aberration chromatique et l'aberration sphérique avec le premier groupe.

La distance focale de l'ensemble de la lentille avant est de 50 mm et le grossissement de la lentille arrière est de 4. Par conséquent, si le plan image se déplace d'une unité à la fois, le plan image final se déplace d'environ 16 unités. La distance entre les groupes de lentilles avant et arrière est très sensible à la position du plan image, et la modification de l'intervalle entre les lentilles avant et arrière a peu d'effet sur les performances du système. Par conséquent, la distance entre les groupes avant et arrière est utilisée comme montant de compensation pour ajuster la position du plan image pour la conception structurelle.

L'analyse estime que l'utilisation d'un seul matériau structurel ne peut pas réaliser la compensation de l'intervalle. Par conséquent, le système de compensation de structure bimétallique est adopté, c'est-à-dire qu'une combinaison de matériaux structurels avec des coefficients de dilatation élevés et faibles est utilisée pour ajuster le montant de compensation souhaité, qui peut être calculé la longueur des deux matériaux par la formule suivante :

Dans la formule : α est le coefficient de dilatation thermique du matériau à coefficient de dilatation élevé ; △T est le changement de température ; je₁est la longueur du matériau à coefficient de dilatation élevé ; α₂est le coefficient de dilatation thermique du matériau à faible coefficient de dilatation ; je₂est la longueur du matériau à faible coefficient de dilatation ; δ est le montant de compensation des groupes avant et arrière correspondant à la température ; Δl est l'intervalle entre les groupes avant et arrière.

Ici, le matériau à faible coefficient de dilatation est l'acier et l'acier, et le matériau à coefficient de dilatation élevé est l'alliage d'aluminium. Concevez la structure de compensation mécanique illustrée à la figure 3 pour garantir la conception intégrée du système.

Parmi eux, l'objectif du groupe arrière est installé sur le barillet d'objectif en aluminium, et le barillet d'objectif en aluminium est installé à l'extrémité arrière du barillet en acier indium. La lentille du groupe avant est installée sur l'extrémité avant du corps en acier indium.

La coaxialité de la surface de connexion du canon en acier indium est garantie par un traitement pour assurer l'ensemble du système. L'entretoise de lentille du groupe avant assure la distance entre les groupes avant et arrière. Au final, la longueur totale de la lentille infrarouge est de 146 mm, la longueur du tube en acier indium est de 107 mm et la longueur du tube de lentille en aluminium est de 67,5 mm.

3. Analyse d'intégration thermique de la lentille infrarouge

Utilisez un logiciel d'analyse par éléments finis pour établir des modèles d'éléments finis d'analyse structurelle et d'analyse thermique, comme le montre la figure 4. La grille de la figure utilise des éléments hexaédriques et pentaédriques, avec un total de 27 168 nœuds et 17 788 éléments. Les propriétés des matériaux utilisés dans l'analyse de la figure sont présentées dans le tableau 1.

Lors de l'analyse, les données d'analyse du champ de température sont considérées comme la charge corporelle, puis l'analyse thermodynamique est effectuée pour obtenir la valeur de déformation de chaque lentille. La figure 5 est le diagramme de déformation de chaque lentille lorsque la température est de 60 s℃. Il ressort du diagramme du nuage de déformation que le changement de l'intervalle entre les groupes avant et arrière représente l'aspect principal de la déformation, ce qui est également cohérent avec l'idée de compensation de conception.

En même temps, extrayez le déplacement nodal de chaque miroir de lentille et effectuez un ajustement polynomial de Zernike pour obtenir le changement de forme de surface du miroir optique. Le polynôme de Zernike standard est utilisé dans l'analyse. En raison du manque d'espace, le tableau 2 ne répertorie que les 9 premiers coefficients de Zernike, et la signification physique correspondante peut être vue dans le tableau 2. La déformation de la surface du miroir se reflète principalement en translation, suivie de la défocalisation provoquée par la déformation de la surface du miroir, et les autres changements de forme de surface sont faibles.

Remplacement de paramètres tels que le changement d'intervalle optique, le coefficient de Zernike de la déformation du miroir et le coefficient de température de l'indice de réfraction du matériau de la lentille obtenu à partir de l'analyse post-thermodynamique dans le logiciel de calcul optique Code V, pour obtenir le transfert optique fonction à chaque niveau de température ambiante, comme le montre la figure 6.

Les résultats montrent que la fonction de transfert de cet objectif dans la plage de température de -40 ℃ ~ + 60 ℃ pour chaque champ de vision de 16 paires de lignes est supérieure à 0,5 et que la qualité de l'image est bonne.

Pour les systèmes optiques infrarouges, la température a une grande influence sur la qualité d’imagerie du système optique. Conception d'une lentille infrarouge avec une large plage de températures de fonctionnement grâce à la méthode de conception intégrée optique, mécanique et thermique, et analyse plus approfondie de la déformation de la lentille infrarouge à différentes températures en raison de la déformation de la surface du miroir, du changement de l'intervalle de lentille , et la modification du coefficient de température de l'indice de réfraction. En raison de facteurs tels que les changements dans la qualité d'image du système, les résultats de l'analyse montrent que la lentille infrarouge conçue a une bonne qualité d'image entre -40 °C et +60 °C.

La méthode de conception intégrée optique-mécanique-thermique et la méthode d'analyse intégrée optique-mécanique-thermique utilisées dans cet article ont des valeurs de référence importantes pour la conception et l'analyse de systèmes optiques similaires.

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