低温红外系统光机结构设计

苏超

摘 要：随着我国红外技术研究成果的不断涌现，目前其在光机系统结构设计方面的应用也变得越来越普遍。结合低温红外系统光机结构的技术背景，文章首先分析了低温红外系统光机结构设计基本原则，其次对低温红外系统光机结构的设计流程与优化策略进行了解分析，希望能够为红外光学系统的构建发展提供新思路与参考。

关键词：低温红外系统；光机；结构优化

红外设备在低温条件下工作时会受到各种外界环境因素的影响，所以红外系统光机结构的设计一直是困扰行業发展的重要限制性因素。为了提升光学系统的稳定性，确保在低温环境下依然保障良好的热应力适应性，就必须提升低温红外系统光机结构优化系数。为了实现这个目标，现就低温红外系统光机技术背景的相关内容分享如下。

一、低温红外系统光机技术背景

当处于较低的温度环境当中时，无论是加工，还是装配甚至是设备的正常开启都会受到限制和影响。这是由于在较低的温度调节下，不同的材料具有不同的热膨胀系数，当温度降低到一定程度，不同的热膨胀系数会带来不同程度的形变量，而这种形变量并不一定会表现出具体的形变，会通过一定形变内应力的方式展现出来，这就是低温环境中光机稳定性不足的重要原因之一。除此之外，根据选择的材料差异，结构方面也会发生变形，比如说CTE参数不同，会引发明显的光学材料折射率的变换，这样一来系统的参数得不到保障，光学精确度出现偏差，光机的分辨率就会受到巨大的影响，出现拍摄图像质量下滑的问题。由此可见，低温红外系统的光学结构设计对比常规光学结构具有更为苛刻的要求。

二、低温红外系统光机结构设计原则

1.均一性原则

所谓均一性原则，是指在进行光学结构的设计时选择相近甚至完全一致的材料来避免由于温度变化而带来的结构应力上的差异。在材料相似或者完全一致的情况下，温度的下降会带来相同的形变量，由于在装配过程中选择了完全一致的材料，所以温度引发的变形量也会相同，且不会由此出现应力变化，综上整个系统就能够保持高度的热稳定性，也就符合了低温红外系统光机结构的设计要求与预期。但是，根据上述分析我们也不难发现，均一性原则对于材料的要求极高，而光学材料在透射类型的装置中往往需要不同类型的材料来实现其基本功能，所以不太可能选择完全一样的材料。一旦选择了不同类型的材料，就会由于热涨力引发室温、低温条件变化，进而引发材料内应力，出现一系列问题。

2.不调整原则

不调整原则是指在光学系统的设计过程中，通过误差分析、材料匹配等各种方式来对系统进行整体设计，完成整体设计后，不出现特殊情况不能够对系统进行修改。特别是不能够采用传统的修磨的方式对其进行修改。这是由于不同的温度变化会具有一定的等待时间，当出现温度变化或者真空化之后，在室温下进行调整，再进入到低温状态下，依然会引发新的问题，甚至会出现不可预期的严重问题。所以，在进行设计时应该做好科学规划，从整体筹划的角度上进行思路整理，综合考虑到多个层面的内容，做好设计优化工作，避免在设计后期进行各种修补、删减，以确保系统最终的稳定性要求。

三、低温红外系统光机结构设计

1.反射镜设计

在红外系统当中，望远镜的选择对于光学系统的构建十分关键。一般来说，厚度不均匀的离轴反射镜是进行反射镜设计的最佳方法。在镜子加工过程中，可以采用单点安装的方式来将其固定到安装座上，通过背面基板的中心定位孔来实现精准定位，同时用螺纹孔进行管理，用于控制镜子的旋转位置。在这个过程中，沟槽能够提供丰富的运动自由度而不太会影响到整体线性分布，以此来确保系统的位置与结构稳定性。

2.透镜设计

在进行透镜的设计安装时，需要考虑到光学设计误差方面的系统要求。在满足冷却过程中的内应力变化的前提下做好固定安装工作。一般来说，传统的安装方法是采用压环固定的方式进行安装，这种方式可能会由于材料本身在热膨胀系数方面存在较大的差异而引发透镜损坏或者精度下降的问题。针对这个情况，可以采用运动学安装设计的方式予以解决。具体的方法能够确保透镜在光轴上的平移自由度，同时降低环境温度对结构件的应力影响，确保将应力完全释放出来，不容易导致后期的材料损耗。除此之外，在接触面上透镜可能会出现滑动情况，或者由于温度的变换而出现一些微小的位移，要解决这些问题就需要妥善考虑好冷却关系，提前留出充足的余量。

3.滤波轮设计

滤波轮在进行设计时需要选择四个滤光片，借助于不同的探测需要来进行组装，实际的结构类型需要结合工况条件进行判断。通过将滤波轮中心固定在低温球的轴承上，能够确保其在相对较低的温度下正常运转，同时类似于滤波轮外圆的加工模式需要在齿轮啮合驱动条件下进行自由的切换。为了进一步确定滤光片的位置，可以采用滤波轮外圆设计锁紧的方式来进行管理，通过滤波轮中心加装球轴承的方式，实现滚珠、轴承环的接触，使得整个接触面积得到有效的控制，在一定程度上确保热传导性能的稳定，这样一来滤波轮组件的冷却周期就会变得很长，可以加速冷却，缩短整个过程所需要的时间。值得注意的是，在进行定位锁紧机构的设计时，需要考虑不同端点的压缩弹簧结构的伸缩量，确保细杆能够径向运动，在步进电机滤波轮旋转时可以完全进入到凹槽当中，这样一来电机停止后，两个最终的V字形结构就可以运行到滤波轮指定的区域内。

总结

综上所述，低温红外系统光机结构设计是确保光学元件在低温条件下能够维持良好的稳定性的必要条件。在进行低温红外系统光机结构的设计优化过程中，需要考虑到低温红外光机设计的均一性、不调整性原则，以此来提升结构设计的科学性、针对性。本文对于低温红外系统光机结构的设计与优化途径进行了解析，提出了反射镜设计、透镜设计以及滤波轮设计等方面的优化内容，希望能够为技术优化与发展提供必要的支撑。

参考文献：

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