红外光学系统的热特性分析
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程 ，因此 一般 常 用 Ｇ ｒ ａ ｍ— Ｓ ｃ ｈ ｍｉ ｄ ｔ 正交 化方 法 、Ｈｏ ｕ ｓ ｅ ｈ ｏ ｌ ｄ ｅ ｒ 变 化法 。Ｚ ｅ ｍｉ ｋ ｅ 多项 式 的极 坐标 方 程
重 构 后 的光学 系 统进行 像 质评 价 。
２ ０ １ ７ 盆
云光技术
第４ ９卷
第１ 期
图 １ 光机热集成分析建 议流程 图
１ ． ２ 光机热 集成 分析 数据 处理
在 光 机系 统 的光机 热集 成分 析 中 ，光机 系统 模 型常 常是基 于 笛卡 尔坐标 系 、柱 坐标 系 、球 坐 标系 所得 到 的 。镜 片变 形 数据通 常 包含着 镜 片 的刚体 位移 、倾 斜 、离轴 等 。因此 ，不能 简单 的将 镜面 变 形与镜 片变 形 等 同在一起 ，需 要通 过一 定 的方法 将上 述 的刚体 位移 、倾斜 、离轴 等变 形数 据去 除 ，只 留下 需要 的基于 矢 高或者 基于 表面 法 向变 形数据 ， 并 将拟 合得 到 的变形 数据 拟合 成光 学 设计 软件 ？ ￣ Ｉ Ｉ Ｃ Ｏ ＤＥ Ｖ和ｚ Ｅ ＭＡ Ｘ能 够接 受 的数据 形式 。在 光机 热集 成分 析 中 ，常 以Ｚ ｅ ｒ ｎ ｉ ｋ ｅ 多项 式 为数 据转 换接 口来 实现 数据 在有 限元 分析 软件 与光 学 设计 中 的传递 ［ ４ 】 。 通 过离 散 的 数据 点对 拟 合面 形 的Ｚ ｅ ｒ ｎ ｉ ｋ ｅ 系 数进 行计 算 的主 要方 法有 ：最小 二 乘法 、 Ｇ ｒ ａ ｍ－ Ｓ ｃ ｈ ｍｉ ｄ ｔ 正交 化方 法 、Ｈｏ ｕ ｓ ｅ ｈ ｏ ｌ ｄ ｅ ｒ 变 化法 Ｌ ５ 】 。由于最 小 二乘法 在求 解过 程 中容易 出现病 态 方
１光机热分析 方法概述
１ ．Fra Baidu bibliotek１ 光机 热 集成 分析 原理
光 机热 集 成 分析 方法 （ Ｔ ｈ ｅ ｒ ｍａ ｌ ／ Ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｕｒ ｔ ａ ｌ ／ Ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ，Ｔ Ｓ Ｏ）是将 光 学 分析＼ 结构 分 析＼ 热 分析 综
合起 来 的一种 技 术方 法 。光学 分析 就是 根据 使用 要 求确 定光 学系 统 的结构 形式 及成像 质量 ；结构
２ ０ １ ７焦
云光技术
第４ ９ 卷
第１ 期
红外光学系统 的热特性分析
史燕飞 ，王世 恒 ，张力元 ，钟 建波
（ 云 南 北 方 驰 宏 光 电有 限公 司 ，云 南 昆明 ６ ５ ０ ２ １ ７ ）
摘要：阐述 了光机热集成分析的原理及 Ｚ ｅ ｍｉ ｋ ｅ 多项式在光学中的应用 ，利用有限元软 件分析 了低温对红外镜头镜 片镜 面 Ｐ Ｖ、Ｒ ＭＳ值 的影响 ，以及镜 片的变形量 ，并利用 Ｚ ｅ ｍｉ ｋ ｅ多项式拟合得到 了变形后的镜 面。分析结果表 明：红外镜头在低温下镜片由于
受镜筒挤压镜面变形 较为严重，将拟合得到的镜 面 Ｚ ｅ ｍｉ ｋ ｅ 系数输入 Ｚ Ｅ ＭＡ Ｘ 中，重新
调 焦后 光 学 系统 的 ＭＴ Ｆ明 显下 降。
关键词：红外光学系统；热特性；Ｚ ｅ ｍｉ ｋ ｅ 多项 式
０ 引言
随着 现 代红 外光 学技 术 的发 展 ，红外 光机产 品 已经 不再 只用 于军 用领 域 ，也在 民用领 域 如医 疗 、安 防 、消 防、遥 感 、电力等 领域 。应 用领 域 的广 泛也 意味着 红外光 机产 品也 将 面临更 加复 杂 多变 的环境 条件 ，经 常会 受 到冲 击 、振动 、温 度 与湿度 的影 响 ，在 众 多的影 响 因素 中 ，温度 是 影 响红 外光 学系 统 成像质 量 最重 要 的原 因 。 尤 其对 于 高精度 的 红外光 学 仪器 ，温度 的变 化常 常是 系 统的成像质量严重下降［ １ 】 。 由于红外镜片材料的温度特性， 温度 的变化将导致材料折射率的改变 ， 这将 导致 在常 温 下设计 的红外 光学 系统 在温 度 发生变 化 时成像 质 量将 受到 严重 影 响。
分析就是用有限元软件对 已经设计好的光机系统进行力学、 冲击、 振动分析； 热分析就是对光机 系统 进行 瞬态 或 稳态 热分 析 ，以此 来确 定温 度对 光 学系统 的影 响。光机 热集 成分 析方 法 的一般 流 程简 图如 图 １ 所示。 先将光机模型进行有限元热分析和结构静力学分析， 然后将热分析得到的热 载荷加载到结构分析中。 在热载荷与机械载荷的作用下， 可以仿真 出光机系统模型在温度场下的 各部 件发 生 的变形 。对 于红 外光 学系 统 而言 ，由于 镜片 的折射 率 对温度 比较敏 感 ，以及 在 温度发 生变 化 时镜片 将 受到机 械 机构 的挤 压而 产 生变 形 。因此 ，需要 通过 Ｚ ｅ ｒ ｎ ｉ ｋ ｅ多项 式将得 到 的镜面 变 形 数据 重新 拟合 ，将 拟合 出来 的 Ｚ ｅ ｍｉ ｋ ｅ系数 带入 到光 学设 计软 件 中进行 镜片 面型 重构 ，并对
在传统的光机结构设计中，光学分析、机械分析和热分析相互分离的，设计光学系统时，首
先 由光 学 设计 人 员对 光机 系 统 提 出结 构 上 的要求 ，而 结构 设 计人 员又 对 外 界 的温度 环 境提 出要 求， 有 限 的温控 措施 又 最终 会会 影 响光 学分析 的结果 ，这致 使 设计 一个 合理 的光机 系统 非 常耗 时 耗 力 。能 否将 这些 问题 综合 考虑 ，统一 分析 ， 已经成 文今 后光 机 系统设 计领 域 的重 中之重 【 ２ Ｊ 。 为 了提高红外 光学系统 的热光 学稳定性 ，需要在设 计阶段预测热环境对光 学系统性能 的影 响［ ３ １ ， 分析 机械结 构在温 度变化 时对光学元件 造成 的影 响 ，从而对机械 结构进行相应 的结构改进及优 化 。 因此 ，对 红外光机 系统进行光机热集 成分析是很有必要 的 。
重 构 后 的光学 系 统进行 像 质评 价 。
２ ０ １ ７ 盆
云光技术
第４ ９卷
第１ 期
图 １ 光机热集成分析建 议流程 图
１ ． ２ 光机热 集成 分析 数据 处理
在 光 机系 统 的光机 热集 成分 析 中 ，光机 系统 模 型常 常是基 于 笛卡 尔坐标 系 、柱 坐标 系 、球 坐 标系 所得 到 的 。镜 片变 形 数据通 常 包含着 镜 片 的刚体 位移 、倾 斜 、离轴 等 。因此 ，不能 简单 的将 镜面 变 形与镜 片变 形 等 同在一起 ，需 要通 过一 定 的方法 将上 述 的刚体 位移 、倾斜 、离轴 等变 形数 据去 除 ，只 留下 需要 的基于 矢 高或者 基于 表面 法 向变 形数据 ， 并 将拟 合得 到 的变形 数据 拟合 成光 学 设计 软件 ？ ￣ Ｉ Ｉ Ｃ Ｏ ＤＥ Ｖ和ｚ Ｅ ＭＡ Ｘ能 够接 受 的数据 形式 。在 光机 热集 成分 析 中 ，常 以Ｚ ｅ ｒ ｎ ｉ ｋ ｅ 多项 式 为数 据转 换接 口来 实现 数据 在有 限元 分析 软件 与光 学 设计 中 的传递 ［ ４ 】 。 通 过离 散 的 数据 点对 拟 合面 形 的Ｚ ｅ ｒ ｎ ｉ ｋ ｅ 系 数进 行计 算 的主 要方 法有 ：最小 二 乘法 、 Ｇ ｒ ａ ｍ－ Ｓ ｃ ｈ ｍｉ ｄ ｔ 正交 化方 法 、Ｈｏ ｕ ｓ ｅ ｈ ｏ ｌ ｄ ｅ ｒ 变 化法 Ｌ ５ 】 。由于最 小 二乘法 在求 解过 程 中容易 出现病 态 方
１光机热分析 方法概述
１ ．Fra Baidu bibliotek１ 光机 热 集成 分析 原理
光 机热 集 成 分析 方法 （ Ｔ ｈ ｅ ｒ ｍａ ｌ ／ Ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｕｒ ｔ ａ ｌ ／ Ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ，Ｔ Ｓ Ｏ）是将 光 学 分析＼ 结构 分 析＼ 热 分析 综
合起 来 的一种 技 术方 法 。光学 分析 就是 根据 使用 要 求确 定光 学系 统 的结构 形式 及成像 质量 ；结构
２ ０ １ ７焦
云光技术
第４ ９ 卷
第１ 期
红外光学系统 的热特性分析
史燕飞 ，王世 恒 ，张力元 ，钟 建波
（ 云 南 北 方 驰 宏 光 电有 限公 司 ，云 南 昆明 ６ ５ ０ ２ １ ７ ）
摘要：阐述 了光机热集成分析的原理及 Ｚ ｅ ｍｉ ｋ ｅ 多项式在光学中的应用 ，利用有限元软 件分析 了低温对红外镜头镜 片镜 面 Ｐ Ｖ、Ｒ ＭＳ值 的影响 ，以及镜 片的变形量 ，并利用 Ｚ ｅ ｍｉ ｋ ｅ多项式拟合得到 了变形后的镜 面。分析结果表 明：红外镜头在低温下镜片由于
受镜筒挤压镜面变形 较为严重，将拟合得到的镜 面 Ｚ ｅ ｍｉ ｋ ｅ 系数输入 Ｚ Ｅ ＭＡ Ｘ 中，重新
调 焦后 光 学 系统 的 ＭＴ Ｆ明 显下 降。
关键词：红外光学系统；热特性；Ｚ ｅ ｍｉ ｋ ｅ 多项 式
０ 引言
随着 现 代红 外光 学技 术 的发 展 ，红外 光机产 品 已经 不再 只用 于军 用领 域 ，也在 民用领 域 如医 疗 、安 防 、消 防、遥 感 、电力等 领域 。应 用领 域 的广 泛也 意味着 红外光 机产 品也 将 面临更 加复 杂 多变 的环境 条件 ，经 常会 受 到冲 击 、振动 、温 度 与湿度 的影 响 ，在 众 多的影 响 因素 中 ，温度 是 影 响红 外光 学系 统 成像质 量 最重 要 的原 因 。 尤 其对 于 高精度 的 红外光 学 仪器 ，温度 的变 化常 常是 系 统的成像质量严重下降［ １ 】 。 由于红外镜片材料的温度特性， 温度 的变化将导致材料折射率的改变 ， 这将 导致 在常 温 下设计 的红外 光学 系统 在温 度 发生变 化 时成像 质 量将 受到 严重 影 响。
分析就是用有限元软件对 已经设计好的光机系统进行力学、 冲击、 振动分析； 热分析就是对光机 系统 进行 瞬态 或 稳态 热分 析 ，以此 来确 定温 度对 光 学系统 的影 响。光机 热集 成分 析方 法 的一般 流 程简 图如 图 １ 所示。 先将光机模型进行有限元热分析和结构静力学分析， 然后将热分析得到的热 载荷加载到结构分析中。 在热载荷与机械载荷的作用下， 可以仿真 出光机系统模型在温度场下的 各部 件发 生 的变形 。对 于红 外光 学系 统 而言 ，由于 镜片 的折射 率 对温度 比较敏 感 ，以及 在 温度发 生变 化 时镜片 将 受到机 械 机构 的挤 压而 产 生变 形 。因此 ，需要 通过 Ｚ ｅ ｒ ｎ ｉ ｋ ｅ多项 式将得 到 的镜面 变 形 数据 重新 拟合 ，将 拟合 出来 的 Ｚ ｅ ｍｉ ｋ ｅ系数 带入 到光 学设 计软 件 中进行 镜片 面型 重构 ，并对
在传统的光机结构设计中，光学分析、机械分析和热分析相互分离的，设计光学系统时，首
先 由光 学 设计 人 员对 光机 系 统 提 出结 构 上 的要求 ，而 结构 设 计人 员又 对 外 界 的温度 环 境提 出要 求， 有 限 的温控 措施 又 最终 会会 影 响光 学分析 的结果 ，这致 使 设计 一个 合理 的光机 系统 非 常耗 时 耗 力 。能 否将 这些 问题 综合 考虑 ，统一 分析 ， 已经成 文今 后光 机 系统设 计领 域 的重 中之重 【 ２ Ｊ 。 为 了提高红外 光学系统 的热光 学稳定性 ，需要在设 计阶段预测热环境对光 学系统性能 的影 响［ ３ １ ， 分析 机械结 构在温 度变化 时对光学元件 造成 的影 响 ，从而对机械 结构进行相应 的结构改进及优 化 。 因此 ，对 红外光机 系统进行光机热集 成分析是很有必要 的 。