大口径红外变焦投影系统环境适应性研究

韩旭，焦海丽

（长春理工大学　光电工程学院，长春　130022）

大口径红外变焦投影系统环境适应性研究

韩旭，焦海丽

（长春理工大学光电工程学院，长春130022）

对大口径变焦投影系统环境适应性进行仿真研究。影响其力学和光学性能因素主要有公路运输和环境温度，首先对整体结构进行约束模态分析，计算出系统的基频为79.781Hz，远大于二级道路运输的要求50Hz×120%，在运输过程中不会产生共振现象。利用同一模型对其温度适应性进行了研究，通过光机热集成分析方法，找到影响其成像质量的最主要因素为主次镜的曲率变化，在满足系统成像质量的前提下，得到了系统的热控指标约为20±27℃左右，远高于系统的正常工作温差，因此系统的设计是合理可行的。

大口径变焦；投影系统；模态分析；热光学分析

大口径变焦投影系统是指在像面不变的情况下，通过改变各部件之间的间距来实现精确变焦，再将成像投影到被测系统上的光学系统。由于其具有高速高精确变焦、精准投影、覆盖视场等优点，在照相机、望远镜、摄像机、手机摄像、显微镜等日常生活方面，以及航空航天、国防建设、工业生产、科研教育及医疗卫生等各个方面都得到了广泛的应用［1］。

由于其需要在各种不同的环境中使用，为了保证光学系统在一定的温度条件和外界振动满足成像质量的要求，需要通过理论计算/数值仿真和试验等方法，研究大口径变焦投影系统在温度场变化、不同频率下对光学系统成像质量的影响［2-4］。William对反射镜的自振频率进行参数化求解［5］；张庞岭对某大型空间望远镜的光学系统变形后的主镜中心镜进行曲面拟合，分析温度对曲率半径的影响［6］；张军伟等应用ANSYS软件建立了靶场反射镜模型，并把靶场实测环境温度变化作为载荷，计算得到了反射镜在靶场温度变化0.3的情况下，直镜面方向的变形满足稳定性设计要求［7］。

本文对光机系统进行环境适应性研究，通过仿真模态分析和模态实验对结构进行了对比，验证模型的正确性，并通过热光学计算得到了影响光学系统最直接的影响因素。在透射式光学系统中由于温度的变化产生的镜面间距变化和镜面面型的变化对系统MTF都有着一定的影响，但通过对比分析镜面面型的变化对系统性能的影响更大。

1　光机结构设计

大口径红外变焦投影系统由精确变焦光学系统和大口径投影光学系统组成，目标经过变焦光学系统所成的像，再经由大口径投影光学系统投影出射，为被测系统提供模拟光束。通过变焦系统变焦过程，模拟有限远目标由远及近的变化过程。当变焦系统处于短焦位置时，在被测系统中所成像尺寸较小；当变焦系统处于长焦位置时，在被测系统中所成像尺寸较大，从而可以模拟出目标由远及近的过程。

1.1光学指标

（1）成像目标：圆锥体，高1000mm×φ250mm；

（2）被测系统：焦距180mm，分辨率0.2mrad，视场2.5°×1.5°；

（3）波段：长波红外8～12μm；

（4）投影光学系统口径：不小于280mm。

1.2光学设计

大口径红外变焦投影系统光路如图1所示，系统的光学传递函数MTF如图2所示。

图1　大口径变焦投影系统成像图

1.3结构设计

大口径变焦投影系统的变焦系统的结构设计，主要需要考虑如何将凸轮曲线合理盘布于镜筒上，并且保证镜筒口径的合理性，使得凸轮曲线行程较长时可以具有足够的盘布空间。大口径投影光学系统的结构设计过程中主要考虑主镜的支撑方式，主镜支撑需在保证主镜的稳定性与安全性的前提下，应尽可能地减小主镜的应力变形，所以这里采用中孔固定的方式。次镜的支撑方式应首先保证利于卡式系统的装调，并且尽可能地减小其结构造成的二次遮拦牺牲光能。同时需要考虑杂光的抑制，除了特殊染黑工艺外，还需在像面处加置消杂光光阑进行杂光抑制［8］，其整体结构如图3所示。

图2　目标经由变焦投影系统成像于被测系统的传函

图3　变焦投影系统的整体光机结构

2　环境适应性研究

2.1模态分析

本文以长焦系统为例，对大口径变焦投影系统进行有限元分析，通过对大口径红外变焦投影系统进行的细致地手动网格划分，整个模型绝大部分采用六面体单元建模，共有单元数13，986，节点数24，620个。有限元模型断面图如图4所示。

根据结构的工作使用情况，在外壳安装孔处加载固定约束，选定外壳边缘的6个节点为约束点，进行模态分析。

图4　装配体有限元模型

经分析计算后得到大口径变焦投影系统固有频率，模态如图5所示。

图5　整体结构一阶频率振型图

由上述数据可知，系统的一阶频率为79.781Hz，远大于二级道路运输的50Hz×120%，说明在正常运输的情况下，外界激励和系统内部固有频率不相同，在运输过程中不会产生共振和自身激励的现象，满足系统的运输条件。

2.2热分析

系统的工作温度为0℃～40℃，设置材料的基准温度为室温20℃，将整体结构升高至40℃，温差为20℃，同时在外壳安装孔处加载固定约束，选定外壳边缘的6个节点为约束点，温度加载图如图6所示。

图6　装配体温度加载图

大口径变焦投影系统由于各部件材料、装备都不同，镜组所用材料的热传导率都比较低，因此在温度发生改变时，热应力也会随之产生，从而使光学镜片的面型、镜组间的间距都可能发生变化，反映到有限元中即为节点位置的改变，所以要分别考虑每片镜子面型及间距变化对系统的影响［9，10］，经计算得到系统的热弹性变形云图如图7所示。

图7所示为整体结构在零上40℃时位移变化情况，其中间的蓝色网格为原始的结构网格，而外侧彩色结构为热变形的云图，颜色指示表最上方红色表示位移量最大位置，数值为249μm，出现在外壳的四个棱角处。由于各部件的材料、装配等方面的不同，在温度的作用下系统的投影部分、变焦部分都会产生不同的热应力，从而引起各个镜组的面型、间距的变化，改变系统的PV值和RMS值，严重时引起畸变等像差，严重影响系统的成像质量。

图7　装配体热变形云图

3　实验结果与讨论

将透镜各节点坐标通过计算机接口程序进行Zernike拟合，得到在基准温度为20℃，条件温度为40℃时各透镜面型偏差和沿光轴方向的位置变化，如下表1所示。

表1　各透镜面型偏差和沿光轴方向的位置变化

由于Patran计算的为光学透镜的刚体位移，在相同的温度变化下，透镜前后表面位移的变化量是相同的，即透镜的厚度不发生改变，只是沿光轴方向的位置发生改变，在20℃的温差条件下，各个透镜位置变化相对较小，将透镜的位置变化导入光学设计软件ZEMAX中，与原系统的MTF进行对比，即可得到位移变化对光学系统成像质量的影响结果，如图8所示。

图8　将距离变化代入ZEMAX中的系统参数图

取空间截止频率为17时的MTF，得到对比图如图9所示。

图9　结构MTF对比图

由图9可知，系统的MTF变化很微小，说明间距变化对光学系统的成像影响不大，因为系统本身为变焦系统，通过调节间距来实现焦距的变化，系统在进行设计时即考虑到间距对系统本身成像的影响，进行了相应的优化，故在温度变化引起间距的变化对光学系统传递函数MTF影响不大。

温度变化对光学透镜的曲率有一定的影响，考虑曲率变化对光学系统成像质量的影响，系统透镜温度变化前后的曲率值如表2所示。

将曲率变化量代入光学设计软件ZEMAX中，得到系统的光学传递函数MTF图如图10所示。

表2　系统透镜温度变化前后的曲率值

图10　曲率变化的光学系统参数图

图11　曲率变化后的MTF图

由图10和图11可知，20℃温差引起光学透镜曲率发生变化，对光学系统光学传递函数MTF影响是非常显著的，在空间截止频率为17时，MTF下降约为0.15左右，说明曲率对系统的成像质量是至关重要的，在设计时需要重点考虑。

大口径变焦投影系统正常工作的温度为0～40℃，基准温度为20℃，即温差为20℃，而在分析计算时，系统的MTF下降0.15，根据相关热光学理论可知，在假设小变形的基础上，温差对光学系统的MTF的关系近似是线性的，即每变化1℃，系统MTF变化0.0075左右，由此可知，在满足系统成像质量要求的前提下，MTF降到0.3，系统的温差大概为54℃左右，而由于计算模型的简化及计算机有限元软件的计算误差，实际的热控指标比计算偏小50%，即为27℃，超过系统正常工作的20℃温差，验证系统的正确性，光学系统在正常工作时温度变化对系统的成像质量的影响是在允许范围内的，完全满足工作要求。

4　结论

本文采用了光机热集成的方法，通过光学透镜、机械结构和热传导理论相结合，相对准确的分析了大口径变焦投影系统的环境适应性，从结构模态分析可知，系统的一阶频率为79.781Hz，远大于二级道路运输的50Hz×120%，在运输过程中不会产生共振和自身激励的现象。在热分析中，在满足系统成像质量的前提下，系统的最大温差可到达约为27℃左右，远高于系统的正常工作温差，通过热集成方法，提高了计算的精度，对系统设计有一定的指导意义。本文的热分析是在透镜前后表面温度相同的前提下计算得到的，而若透镜前后表面存在温差，则温度对透镜折射率梯度的变化情况尚未分析，温度对系统的影响不够全面，希望在以后的工作中继续完善，使得大口径变焦投影系统的光机结构在未来的研究工作中更加稳定和精确。

［1］ 蔡伟.大变倍比变焦距系统设计［D］.长春：中国科学院长春精密机械与物理研究所，2012.

［2］ 陈锡栋，赵晓栋，范细秋，等.有限元法的发展现状及应用［J］.中国制造业信息化，2010，6（11）：6-8.

［3］Forman S E.Evaluation of mirror thermal distortion from temperature measurements［J］.SPIE，1990 （03）：65.

［4］ Bely Y.Space ten-meter telescope（STMT）structural and thermal feasibility study of the primary mirror［J］.Proceedings of SPIE，1987，751.

［5］William J Nowak.A parametric approach to mirror naturalfrequencycalculations［J］.SPIE，1983（5）：164-167.

［6］ 张庞岭，朱敏波.光学系统热环境对尺寸稳定性影响研究［D］.西安：西安电子科技大学，2008.

［7］ 张军伟，冯斌，周忆，等.大口径光学元件热环境稳定性的有限元分析［J］.强激光与离子束，2007（8）：1295-1298.

［8］ 徐荣伟，刘立人.大型干涉仪镜子的支承设计与温度变形分析［J］.光学学报，2005（6）：809-815.

［9］ 王红，田铁印.轴向温差对空间遥感器光学系统成像质量的影响［J］.光学精密工程，2007，15（10）：1489-1494

［10］ 付家鑫.双色红外光学系统结构设计与分析［D］.长春：长春理工大学，2013.

Research on Environmental Adaptability of Large Diameter Infrared Zoom Projection System

HAN Xu，JIAO Haili
（School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

For large diameter zoom projection system study on the simulation environment adaptability，highway transportation and the environment temperature were the major influencing factors，first，modal analysis was carried out on the structure，the first order of the system frequency is 79.781Hz，greater than 50Hz×120%what is the secondary road transport，in the course of carriage will not produce the phenomenon of resonance and self motivation.Using the same model on the temperature adaptability of research by optical thermal analysis integrated methods，to find the most important factors affecting the image quality is the changes in the curvature of the Cassette primary and secondary mirror，under the premise of meeting the image quality，the system thermal control indicator is about 20±27℃，far above the normal operating temperature difference，so the design of the system is reasonable and feasible.

large diameter zoom；projection system；modal analysis；thermal optical analysis

TB131

A

1672-9870（2015）06-0016-05

2015-07-24

韩旭（1974-），男，博士，E-mail：hanxu@cust.edu.cn