红外系统温度补偿结构的研究

　　1　引言

　　在红外系统中,由于内部CCD发热,外部环境温度的变化,使得系统内部温度场发生变化,从而使得系统的壳体和内部支撑件产生温度形变。任何光学系统都是由光学表面、光学元件或部件组成的。系统的壳体和内部支撑件产生温度形变使得这些元件偏离主光轴。这些组元的离轴性误差将直接危害系统的成像质量,必须给予充分注意。环境温度变化引起光学零件错位形成的离轴性误差是引起离轴性误差的一个重要的方面。它将造成透镜光轴(透镜表面曲率中心的连线)与几何轴的不重合误差、透镜各组元光轴的不共轴误差等等。对成像质量造成严重损害。因此需要对光学系统进行温度补偿尽量减少离轴性误差对成像质量的影响。国内外文献中也提到过一些红外系统中温度补偿的方法,但是都是对水平方向因温度产生的偏差进行补偿,而未讨论对在垂直方向上产生的偏差进行补偿。

　　本文中的红外线系统为一粗跟踪红外系统,文中利用了有限元分析软件对系统进行建模,并讨论在内部CCD发热的情况下,红外系统的温度场分布情况,以及在温度场的作用下,系统壳体及光学元件支撑件产生的温度变形,利用结构材料的热膨胀,抵消壳体结构的热漂移。

　　2　温度补偿机构原理

　　温度补偿结构又主动式和被动式。主动式结构中要在光学系统中外加测温反馈系统和调节系统。这种技术会造成系统的体积和复杂性变大,使系统的可靠性下降。这里采用的是被动式机械补偿结构。

　　简单机械结构实现红外光学系统无热化是在光学系统中外加简单机械结构,利用结构的热膨胀,抵消补偿结构的热漂移。其原理示意图如图1。

       如图1所示:当系统温度上升时,壳体发热膨胀将会带动光学元件向下偏离光轴。这时支撑件因发热膨胀会带动光学元件向上运动使它回到光轴。通过选择不同的材料使得它们膨胀后的偏离量相同,方向相反。

　　3　实体建模

　　在ug软件中对粗跟踪红外光学系统在合理简化的基础上进行实体建模并总体装配。实体共由9个部件组成。1后罩盖2 CCD 3连接板4透镜镜筒5后弯板6透镜镜座7变倍镜座8前弯板9镜筒连接板材料为铝合金牌号为2A12其他各部件的材料为铸铝合金牌号为ZL24。

　　去掉后罩盖可以看到光学系统里面的结构(如图2 ),根据有限元分析的需要对部件进行了适当的简化,在系统的最后面的长方形物体为CCD,它也是系统的主要热源,它的下面是连接板和后弯板,后弯板连接在外面的镜筒上,CCD的前面依次连接着透镜镜筒和透镜镜座,透镜镜座固定在前弯板上,同时前弯板上固定着变倍镜座,而前弯板又固定在镜筒的里面。将ug中建的实体模型调入有限元分析软件patran并通过有限元分析软件patran对实体模型进行网格划分共得到节点33558个,四面体单元16551个。