頭盔式單目低照度CMOS夜視儀結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

任桃桃，邱亞峰

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頭盔式單目低照度CMOS夜視儀結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

任桃桃，邱亞峰

（南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094）

結(jié)合頭盔式單目低照度CMOS夜視儀的技術(shù)要求，設(shè)計了物鏡系統(tǒng)以及目鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)元器件的形狀大小，在滿足強度要求的前提下，通過SolidWorks軟件設(shè)計優(yōu)化了夜視儀的主殼體結(jié)構(gòu)；然后將主殼體三維模型導入ANSYS軟件進行有限元分析，根據(jù)主殼體的材料性能計算了其在極限溫度條件下的熱應(yīng)力應(yīng)變，應(yīng)力均小于材料的屈服強度，應(yīng)變在誤差范圍之內(nèi)。最后對低照度CMOS夜視儀進行了總體結(jié)構(gòu)設(shè)計。

低照度CMOS；夜視儀；結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化；有限元分析

0 引言

夜視儀作為夜間行軍作戰(zhàn)重要裝備，一直以來是各國研究的重點，圍繞著紅外、微光等技術(shù)研制出的各類夜視裝備，主動式紅外夜視儀發(fā)展比較成熟、但工作時需有紅外光源照射，易被敵方探測到而使自己暴露；微光夜視儀性不易暴露自己，但成本高、性能受天氣影響很大，如雨霧天便不能正常工作。由于夜視儀是配在頭盔上的，因此重量體積都要求越小越好，太大太重會影響士兵活動。野外因為沒有電源，因此功耗越低越好，低照度CMOS[1]圖像傳感技術(shù)是在傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感基礎(chǔ)上，提高信號的靈敏度以及信噪比，使其在低照度下保持良好的圖像傳感性能，它具體積小、功耗低等優(yōu)勢，本文基于低照度CMOS技術(shù)，對夜視儀的結(jié)構(gòu)進行了分析和設(shè)計[2-3]。

1 技術(shù)要求與設(shè)計方案

1.1 技術(shù)要求

①探測距離：滿足1×10－3lx照度下，100m發(fā)現(xiàn)人；②放大倍率：1×；③出瞳距離：≥20mm；④出瞳直徑：7mm；⑤視角：≥40°；⑥重量：≤160g；⑦工作溫度：－40℃～50℃。

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計

夜視儀系統(tǒng)由目鏡系統(tǒng)、低照度CMOS探測器、控制系統(tǒng)、OLED顯示器、物鏡系統(tǒng)、電源、補光燈等組成，系統(tǒng)原理如圖1所示。

2 物鏡系統(tǒng)和目鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

物鏡的性能由焦距（物￠）、相對孔徑（/物￠）和視場角（2）3個參數(shù)決定，為了擴大士兵的視野，方便觀察，指標要求視場角至少為40°，因此物鏡鏡片組采用雙高斯結(jié)構(gòu)，光學設(shè)計得到物鏡系統(tǒng)后截距（BFL）為8.48mm，根據(jù)所設(shè)計鏡片的形狀以及各鏡片之間的距離設(shè)計了如圖2所示的物鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；為了視覺效果不失真，防止場景的變化導致頭暈?zāi)垦＃虼艘曇胺糯蟊堵室鬄?×，目鏡鏡片組采用對稱式結(jié)構(gòu)，因為對稱式結(jié)構(gòu)目鏡能同時矯正軸向色差、垂軸色差，且能矯正彗差和像散，出瞳距離較大，場曲比較小，光學設(shè)計得到目鏡系統(tǒng)后截距（BFL）為10.39mm，根據(jù)所設(shè)計鏡片的形狀以及各鏡片之間的距離設(shè)計了如圖3所示的目鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[4-6]。

3 主殼體設(shè)計與優(yōu)化

主殼體作為夜視儀重要組成部分之一，材料的選擇一方面要盡量減輕重量，一方面要保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，常用的幾種外殼材料的基本性能參數(shù)如表1所示，鋼強度高，但密度大使儀器質(zhì)量加重，碳纖維質(zhì)量輕、拉伸強度強，但剪斷強度弱，且復雜外殼不易成型，ABS樹脂易成形，但易燃、耐候性差，經(jīng)過對比，選用鋁合金作為主殼體的材料，鋁合金密度低，性能穩(wěn)定，具體選擇航空鋁7075，因為這種鋁合金的強度極限和屈服強度較高；外殼承擔著各元器件的布局，布局的好壞與否直接影響到整體重心是否平衡，影響到使用的舒適型，在保證使用性能的前提先，結(jié)構(gòu)盡量緊湊、體積盡量小、重量盡量輕；夜視儀一般都在野外使用，經(jīng)常會碰到雨水天氣，在設(shè)計外殼時要盡量保證密封性，防止內(nèi)部電子元器件進水失效，根據(jù)CMOS模組、電池、旋鈕開關(guān)，補光燈等的體積和質(zhì)量，將殼體分成3個型腔，主型腔前端裝配物鏡系統(tǒng)、依次CMOS模組、控制系統(tǒng)模組、OLED顯示器、最后端裝目鏡系統(tǒng)，殼體下部兩個型腔對稱分布，左型腔前端放置補光燈，后端裝旋鈕開關(guān)，右型腔放置14500電池，為了方便走線并減輕質(zhì)量，在不影響結(jié)構(gòu)強度的情況下將型腔中間挖空相通，分析完元器件布局后在solidworks 對整個主殼體進行優(yōu)化[7]，優(yōu)化模型為：

圖1 低照度CMOS夜視儀原理圖

1.物鏡框2.物鏡座3.壓圈4.隔圈 5.孔徑光闌6.隔圈 7.限位環(huán) 8.調(diào)整墊片9.密封圈

1.目鏡座 2.調(diào)整墊片 3.壓圈 4.目鏡座 5.隔圈 6.手輪 7.密封圈 8.眼罩9.螺釘

式中：()表示以主殼體的質(zhì)量最小為目標建立目標函數(shù)；設(shè)計變量為1～4，＝(1，2，3，4)，1表示主型腔直徑，2表示小型腔直徑，3表示殼體厚度，4表示殼體縱向長度；表示殼體受到來自于掛架與自重的拉力，＝()；cr表示失穩(wěn)壓力；表示穩(wěn)定性安全系數(shù)，圓柱體?。?。殼體最薄弱地方上部半圓殼臨界失穩(wěn)壓力：

式中：為彈性模量，由表1得70GPa；泊松比＝0.33，＝3，＝1。經(jīng)過計算優(yōu)化后殼體的質(zhì)量為81g，模型如圖4所示。

4 極限溫度下外殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

4.1 理論分析

夜視儀的工作環(huán)境一般都在野外，工作區(qū)域覆熱帶雨林、雪山等區(qū)域，溫度變化很大，儀器外殼材料選擇的是航空鋁7075，其強度高導熱性性能好、能夠快速將電池、機芯等散發(fā)熱量傳到殼外，保證內(nèi)部環(huán)境溫度不會過高，但鋁合金的熱膨脹系數(shù)較大，主殼體的形變隨著溫度的變化而加大，當儀器表面與它周圍的空氣存在溫度差異時，引起熱對流，根據(jù)牛頓冷卻方程熱對流公式為[8]：

2＝(S－B) (3)

式中：為對流換熱系數(shù)，W×(m×K)－1；S、B為固態(tài)表面和周圍流體的溫度。查表的空氣的自然對流系數(shù)為5～25 W×(m×K)－1，因為計算在極寒和極熱條件下，為保證可靠性，選取最大值25 W×(m×K)－1。根據(jù)熱彈性力學，當儀器溫度發(fā)生變化時，儀器將由于膨脹產(chǎn)生應(yīng)變(,,)，其中為材料的線性膨脹系數(shù)，主殼體材料為7075鋁合金，表1中給出的膨脹系數(shù)為23×10－6℃，(,,)表示彈性體內(nèi)任意點的溫度從初始溫度的變化值，根據(jù)技術(shù)指標要求，夜視儀可在－40℃～50℃下正常工作，正常殼體內(nèi)部機芯和電池發(fā)熱溫度為36℃左右，儀器各部分的溫度不均勻，熱變形不能自由的伸展，將會產(chǎn)生應(yīng)力，將線應(yīng)變(,,)帶入到材料力學應(yīng)力應(yīng)變公式中，得到熱應(yīng)力應(yīng)變公式：

表1 幾種常用外殼材料的基本性能參數(shù)

圖4 主殼體優(yōu)化后三維模型

式中：為正彈性模量；為剪切彈性模量；為泊松比。

為了確保殼體在熱應(yīng)力的影響下仍能滿足穩(wěn)定性的要求，對低照度CMOS夜視儀進行極限溫度下的應(yīng)力分析以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析。將SolidWorks建的主殼體三維模型導入ANSYS Workbench中，利用Transient Thermal工具箱進行分析，為了便于網(wǎng)格劃分，將殼體模型進行了簡化，去除一些對分析結(jié)果影響很小的倒角倒邊。網(wǎng)格劃分如圖5所示，根據(jù)表1將材料的特性參數(shù)：熱膨脹系數(shù)、彈性模量、泊松比、導熱系數(shù)、比熱容等輸入到軟件中去。

4.2 －40℃工況下的熱應(yīng)力與應(yīng)變分析

將－40℃的溫度載荷施加到主殼體外表面，同時將電池發(fā)熱以及芯片發(fā)熱的溫度載荷施加到主殼體的內(nèi)部，熱載荷以及得到的穩(wěn)態(tài)溫度場分布如圖6所示，將其作為載荷施加到主殼體上進行熱應(yīng)力和熱應(yīng)變分析，在－40℃的工況下，主殼體的外部由于溫度低，會產(chǎn)生相應(yīng)的收縮，而內(nèi)部發(fā)熱使殼體膨脹，進而使殼體產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，圖7是該工況下主殼體的等效應(yīng)力云圖。從云圖上可以看出，殼體上承受最大熱應(yīng)力發(fā)生在CMOS探測器安裝處，最大熱應(yīng)力為200.5MPa，此值小于7075材料屈服抗拉強度635MPa，圖8為該工況下主殼體的等效應(yīng)變圖，最大形變發(fā)生在電池安裝腔口處為，最大熱應(yīng)變?yōu)?.8×10－5mm，該值太小而且不在殼體關(guān)鍵處，不會對儀器的精度產(chǎn)生影響[9-11]。

圖5 網(wǎng)格劃分

4.3 50℃工況下的熱應(yīng)力與應(yīng)變分析

同理，將50℃的溫度載荷施加到主殼體外表面，同時將電池發(fā)熱以及芯片發(fā)熱的溫度載荷施加到主殼體的內(nèi)部，熱載荷以及得到的穩(wěn)態(tài)溫度場分布如圖9所示，將其作為載荷施加到主殼體上進行熱應(yīng)力和熱應(yīng)變分析，在50℃的工況下，主殼體的外部由于溫度高，會產(chǎn)生相應(yīng)的膨脹，而內(nèi)部發(fā)熱也使殼體膨脹，但膨脹大小不同，進而使殼體產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，圖10是該工況下主殼體的等效應(yīng)力云圖。從云圖上可以看出，殼體上承受最大熱應(yīng)力發(fā)生在CMOS探測器安裝處，最大熱應(yīng)力為57.9.MPa，此值小于7075材料屈服抗拉強度635 MPa，圖11為該工況下主殼體的等效應(yīng)變圖，最大形變發(fā)生在電池安裝腔腔口處為，最大熱應(yīng)變?yōu)?.3×10－5mm，該值太小而且不在殼體關(guān)鍵處，不會對儀器的精度產(chǎn)生影響。

圖6 －40℃工況下熱載荷以及穩(wěn)態(tài)溫度場分布

5 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

各零配件的裝配關(guān)系如圖12所示，在裝配時先將補光燈與聚光鏡的距離調(diào)定聚焦后再和主殼體裝配，旋轉(zhuǎn)旋鈕開關(guān)使系統(tǒng)打開，調(diào)節(jié)物鏡系統(tǒng)機構(gòu)，使景物成像聚焦在低照度CMOS探測器的探測面上，低照度CMOS探測器將微弱的光信號放大轉(zhuǎn)換為電信號，電信號經(jīng)過信號處理與控制系統(tǒng)到達OLED顯示屏，OLED顯示屏將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘栵@示出來，調(diào)節(jié)目鏡系統(tǒng)機構(gòu)對焦，人眼就能通過目鏡查看，當光強低于1×10－3lx照度時，打開補光燈工作[12]。裝配效果圖如圖13。

圖7 －40℃工況下熱應(yīng)力分布云圖

圖8 －40℃工況下熱應(yīng)變分布云圖

圖9 50℃工況下熱載荷以及穩(wěn)態(tài)溫度場分布

圖10 50℃工況下熱應(yīng)力分布云圖

圖11 50℃工況下熱應(yīng)變分布云圖

圖13 裝配效果圖

6 結(jié)論

本文根據(jù)技術(shù)指標設(shè)計了頭盔式單目廣角低照度CMOS夜視儀的結(jié)構(gòu)，遵從重量輕、布局合理、結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡便的設(shè)計理念，利用SolidWorks進行三維建模，對主殼體在強度滿足條件下進行質(zhì)量最小優(yōu)化，優(yōu)化后的質(zhì)量為81g，然后將主殼體導入ANSYS軟件進行有限元分析，計算了殼體在極限溫度條件下的熱應(yīng)力應(yīng)變，在－40℃工況下，最大熱應(yīng)力為200.5MPa，最大熱應(yīng)變?yōu)?.8×10－5mm，在50℃工況下最大熱應(yīng)力為57.9MPa，最大熱應(yīng)變?yōu)?.3×10－5mm，均小于材料的屈服強度，最后進行了總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，經(jīng)過分析所設(shè)計的頭盔式單目低照度CMOS夜視儀結(jié)構(gòu)滿足技術(shù)要求。

[1] 姚立斌. 低照度CMOS圖像傳感器技術(shù)[J]. 紅外技術(shù), 2013, 35(3): 125-132.

YAO Libin. Low-light-level CMOS image sensor technique[J]., 2013, 35(3): 125-132.

[2] SEO M W, SUH S H, IIDA T, et al. A low-noise high intrascene dynamic range CMOS image sensor with a 13 to 19b variable resolution column parallel folding integration/cyclic ADC[J]., 2012, 47(1): 272-283.

[3] CHEN Y, XU Y, MIEROP A J, et al. Column-parallel digital correlated multiple sampling for low-noise CMOS image sensors[J].,, 2012, 12(4): 793-799.

[4] 郁道銀, 談恒英. 工程光學[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2009.

Yu Daoyin, Tan Hengying.[M]. Beijing: Mechanical Industry Press, 2009.

[5] 薛金來, 鞏巖, 李佃蒙. N.A.0.75平場復消色差顯微物鏡光學設(shè)計[J]. 中國光學, 2015, 8(6): 957-963.

XUE Jinlai, GONG Yan, LI Dianmeng. Optical design of the N.A. 0.75 plan-apochromatic microscope objective[J]., 2015, 8(6): 957-963.

[6] 賈書海, 唐振華, 董君, 等. 柔性變焦透鏡發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 中國光學, 2015, 8(4): 535-547.

JIA Shuhai, TANG Zhenhua, DONG Jun, et al. Recent advances in flexible variable-focus lens[J]., 2015, 8(4): 535-547.

[7] 陳映蘋. 我國軍用夜視儀器可靠性分析研究[J]. 光電子技術(shù), 2003(3): 68-70.

CHEN Yingping. The analysis and study on the reliability of Chinese military night viewing instrument[J]., 2003(3): 68-70.

[8] 凌桂龍, 丁金濱, 溫正. ANSYS Workbench 13.0從入門到精通[M]. 北京: 清華大學出版社, 2012.

LING Gui-long, DING Jin-bin, WEN Zheng.13.0[M]. Beijing: Tsinghua University press, 2012.

[9] 孟瑞, 邱亞峰. 便攜式雙傳感器夜視鏡殼體可靠性分析與設(shè)計[J]. 紅外技術(shù), 2014, 36(10): 791-795.

MENG Rui, QIU Yafeng. Reliability analysis and design of the shell based on portable dual sensor night vision goggles[J]., 2014, 36(10): 791-795.

[10] 江克斌, 屠義強, 邵飛. 結(jié)構(gòu)分析有限元原理及ANSYS實現(xiàn)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2005: 6.

JIANG Kebin, TU Yiqiang, SHAO Fei.[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 2005: 6.

[11] 李玉濤, 屈孝池, 張?zhí)煨? 基于ANSYS的紅外光學系統(tǒng)的有限元分析[J]. 應(yīng)用光學, 2008, 29(2): 174-177.

LI Yutao, QU Xiaochi, ZHANG Tianxiao. Finite element analysis of IR optical system based on ANSYS[J]., 2008, 29(2): 174-177.

[12] 季玲玲, 邱亞峰, 張俊舉. 基于圖像融合的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 應(yīng)用光學, 2012, 33(6): 879-884.

JI Lingling, QIU Yafeng, ZHANG Junju. Video monitoring system with image fusion technology[J]., 2012, 33 (6): 879-884.

Structure Design and Analysis of Monocular Low Illumination CMOS Night Vision Device for Helmet

REN Taotao，QIU Yafeng

(,,210094,)

Combined with the technical requirements of monocular low illumination CMOS night vision device for helmet, the structure of the objective lens system and eyepiece lens system were designed. In the premise of meeting the strength requirements, and according to the shape and size of the components, the main shell structure of night vision device wasdesigned and optimized by the SolidWorks, then the 3D model of main shell was imported into ANSYS to make finite element analysis. According to the material performance, heat stress and strain of the main shell is calculated in the condition of limit temperature, thermal stress were all less than yield strength of materials, and thermal strain were in the error range. At last the overall structure of the low illumination CMOS night vision device was designed.

low illumination CMOS，night vision device，structure design and optimization，finite element analysis

TN223

A

1001-8891(2016)08-0653-06

2016-04-29；

2016-05-06.

任桃桃（1990-），男，江蘇鹽城人，碩士研究生，研究方向：光機電系統(tǒng)設(shè)計與研究。E-mail：jsrtt@qq.com。

邱亞峰（1966-），男，副教授，研究方向：光機電系統(tǒng)設(shè)計與研究。

重點實驗室基金項目（BJ2014001）。