低溫紅外系統(tǒng)光機結(jié)構(gòu)設(shè)計

蘇超

摘 要：隨著我國紅外技術(shù)研究成果的不斷涌現(xiàn)，目前其在光機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的應(yīng)用也變得越來越普遍。結(jié)合低溫紅外系統(tǒng)光機結(jié)構(gòu)的技術(shù)背景，文章首先分析了低溫紅外系統(tǒng)光機結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原則，其次對低溫紅外系統(tǒng)光機結(jié)構(gòu)的設(shè)計流程與優(yōu)化策略進行了解分析，希望能夠為紅外光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建發(fā)展提供新思路與參考。

關(guān)鍵詞：低溫紅外系統(tǒng)；光機；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

紅外設(shè)備在低溫條件下工作時會受到各種外界環(huán)境因素的影響，所以紅外系統(tǒng)光機結(jié)構(gòu)的設(shè)計一直是困擾行業(yè)發(fā)展的重要限制性因素。為了提升光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保在低溫環(huán)境下依然保障良好的熱應(yīng)力適應(yīng)性，就必須提升低溫紅外系統(tǒng)光機結(jié)構(gòu)優(yōu)化系數(shù)。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，現(xiàn)就低溫紅外系統(tǒng)光機技術(shù)背景的相關(guān)內(nèi)容分享如下。

一、低溫紅外系統(tǒng)光機技術(shù)背景

當(dāng)處于較低的溫度環(huán)境當(dāng)中時，無論是加工，還是裝配甚至是設(shè)備的正常開啟都會受到限制和影響。這是由于在較低的溫度調(diào)節(jié)下，不同的材料具有不同的熱膨脹系數(shù)，當(dāng)溫度降低到一定程度，不同的熱膨脹系數(shù)會帶來不同程度的形變量，而這種形變量并不一定會表現(xiàn)出具體的形變，會通過一定形變內(nèi)應(yīng)力的方式展現(xiàn)出來，這就是低溫環(huán)境中光機穩(wěn)定性不足的重要原因之一。除此之外，根據(jù)選擇的材料差異，結(jié)構(gòu)方面也會發(fā)生變形，比如說CTE參數(shù)不同，會引發(fā)明顯的光學(xué)材料折射率的變換，這樣一來系統(tǒng)的參數(shù)得不到保障，光學(xué)精確度出現(xiàn)偏差，光機的分辨率就會受到巨大的影響，出現(xiàn)拍攝圖像質(zhì)量下滑的問題。由此可見，低溫紅外系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計對比常規(guī)光學(xué)結(jié)構(gòu)具有更為苛刻的要求。

二、低溫紅外系統(tǒng)光機結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

1.均一性原則

所謂均一性原則，是指在進行光學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計時選擇相近甚至完全一致的材料來避免由于溫度變化而帶來的結(jié)構(gòu)應(yīng)力上的差異。在材料相似或者完全一致的情況下，溫度的下降會帶來相同的形變量，由于在裝配過程中選擇了完全一致的材料，所以溫度引發(fā)的變形量也會相同，且不會由此出現(xiàn)應(yīng)力變化，綜上整個系統(tǒng)就能夠保持高度的熱穩(wěn)定性，也就符合了低溫紅外系統(tǒng)光機結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求與預(yù)期。但是，根據(jù)上述分析我們也不難發(fā)現(xiàn)，均一性原則對于材料的要求極高，而光學(xué)材料在透射類型的裝置中往往需要不同類型的材料來實現(xiàn)其基本功能，所以不太可能選擇完全一樣的材料。一旦選擇了不同類型的材料，就會由于熱漲力引發(fā)室溫、低溫條件變化，進而引發(fā)材料內(nèi)應(yīng)力，出現(xiàn)一系列問題。

2.不調(diào)整原則

不調(diào)整原則是指在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計過程中，通過誤差分析、材料匹配等各種方式來對系統(tǒng)進行整體設(shè)計，完成整體設(shè)計后，不出現(xiàn)特殊情況不能夠?qū)ο到y(tǒng)進行修改。特別是不能夠采用傳統(tǒng)的修磨的方式對其進行修改。這是由于不同的溫度變化會具有一定的等待時間，當(dāng)出現(xiàn)溫度變化或者真空化之后，在室溫下進行調(diào)整，再進入到低溫狀態(tài)下，依然會引發(fā)新的問題，甚至?xí)霈F(xiàn)不可預(yù)期的嚴(yán)重問題。所以，在進行設(shè)計時應(yīng)該做好科學(xué)規(guī)劃，從整體籌劃的角度上進行思路整理，綜合考慮到多個層面的內(nèi)容，做好設(shè)計優(yōu)化工作，避免在設(shè)計后期進行各種修補、刪減，以確保系統(tǒng)最終的穩(wěn)定性要求。

三、低溫紅外系統(tǒng)光機結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.反射鏡設(shè)計

在紅外系統(tǒng)當(dāng)中，望遠鏡的選擇對于光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建十分關(guān)鍵。一般來說，厚度不均勻的離軸反射鏡是進行反射鏡設(shè)計的最佳方法。在鏡子加工過程中，可以采用單點安裝的方式來將其固定到安裝座上，通過背面基板的中心定位孔來實現(xiàn)精準(zhǔn)定位，同時用螺紋孔進行管理，用于控制鏡子的旋轉(zhuǎn)位置。在這個過程中，溝槽能夠提供豐富的運動自由度而不太會影響到整體線性分布，以此來確保系統(tǒng)的位置與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2.透鏡設(shè)計

在進行透鏡的設(shè)計安裝時，需要考慮到光學(xué)設(shè)計誤差方面的系統(tǒng)要求。在滿足冷卻過程中的內(nèi)應(yīng)力變化的前提下做好固定安裝工作。一般來說，傳統(tǒng)的安裝方法是采用壓環(huán)固定的方式進行安裝，這種方式可能會由于材料本身在熱膨脹系數(shù)方面存在較大的差異而引發(fā)透鏡損壞或者精度下降的問題。針對這個情況，可以采用運動學(xué)安裝設(shè)計的方式予以解決。具體的方法能夠確保透鏡在光軸上的平移自由度，同時降低環(huán)境溫度對結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力影響，確保將應(yīng)力完全釋放出來，不容易導(dǎo)致后期的材料損耗。除此之外，在接觸面上透鏡可能會出現(xiàn)滑動情況，或者由于溫度的變換而出現(xiàn)一些微小的位移，要解決這些問題就需要妥善考慮好冷卻關(guān)系，提前留出充足的余量。

3.濾波輪設(shè)計

濾波輪在進行設(shè)計時需要選擇四個濾光片，借助于不同的探測需要來進行組裝，實際的結(jié)構(gòu)類型需要結(jié)合工況條件進行判斷。通過將濾波輪中心固定在低溫球的軸承上，能夠確保其在相對較低的溫度下正常運轉(zhuǎn)，同時類似于濾波輪外圓的加工模式需要在齒輪嚙合驅(qū)動條件下進行自由的切換。為了進一步確定濾光片的位置，可以采用濾波輪外圓設(shè)計鎖緊的方式來進行管理，通過濾波輪中心加裝球軸承的方式，實現(xiàn)滾珠、軸承環(huán)的接觸，使得整個接觸面積得到有效的控制，在一定程度上確保熱傳導(dǎo)性能的穩(wěn)定，這樣一來濾波輪組件的冷卻周期就會變得很長，可以加速冷卻，縮短整個過程所需要的時間。值得注意的是，在進行定位鎖緊機構(gòu)的設(shè)計時，需要考慮不同端點的壓縮彈簧結(jié)構(gòu)的伸縮量，確保細桿能夠徑向運動，在步進電機濾波輪旋轉(zhuǎn)時可以完全進入到凹槽當(dāng)中，這樣一來電機停止后，兩個最終的V字形結(jié)構(gòu)就可以運行到濾波輪指定的區(qū)域內(nèi)。

總結(jié)

綜上所述，低溫紅外系統(tǒng)光機結(jié)構(gòu)設(shè)計是確保光學(xué)元件在低溫條件下能夠維持良好的穩(wěn)定性的必要條件。在進行低溫紅外系統(tǒng)光機結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化過程中，需要考慮到低溫紅外光機設(shè)計的均一性、不調(diào)整性原則，以此來提升結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學(xué)性、針對性。本文對于低溫紅外系統(tǒng)光機結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化途徑進行了解析，提出了反射鏡設(shè)計、透鏡設(shè)計以及濾波輪設(shè)計等方面的優(yōu)化內(nèi)容，希望能夠為技術(shù)優(yōu)化與發(fā)展提供必要的支撐。

參考文獻：

[1]陳永和. 應(yīng)用于中短波紅外天文觀測的空間低溫光學(xué)系統(tǒng)研究[D].中國科學(xué)院大學(xué)（中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所），2017.

[2]翟金龍. 低溫紅外目標(biāo)模擬光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計及反射鏡制冷技術(shù)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.

[3]周超.低溫紅外系統(tǒng)光機結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].紅外與激光工程，2013，42（08）：2092-2096.

[4]許敏達. 低溫多目標(biāo)復(fù)合紅外仿真系統(tǒng)光機熱特性研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.