التحليل الحراري والميكانيكي البصري المتكامل لعدسات الأشعة تحت الحمراء

بالنسبة للنظام البصري عالي الدقة، يتأثر أدائه البصري إلى حد كبير بالأحمال الميكانيكية الخارجية ودرجة الحرارة المحيطة، ويحدد التفاعل بينهما في النهاية أداء النظام البصري بأكمله. بالنسبة للأنظمة البصرية بالأشعة تحت الحمراء، فإن درجة حرارة التشغيل النموذجية في التطبيقات العسكرية هي -40 درجة مئوية ~ +60 درجة مئوية.

في ظل ظروف درجات الحرارة المختلفة، بسبب عدم تناسق معاملات التمدد الحراري للعدسة البصرية ومواد هيكل الإطار، سوف يتسبب ذلك في تشوه العنصر البصري، وسوف يتغير أيضًا معامل الانكسار للمادة البصرية مع درجة الحرارة، الأمر الذي سوف يؤدي إلى تغيير معلمات أداء النظام البصري ويتسبب في انخفاض جودة الصورة أو حتى عدم العمل بشكل صحيح. لذلك لا بد من مراعاة عمل نظام الأشعة تحت الحمراء في نطاق واسع من درجات الحرارة عند التصميم، الأمر الذي يتطلب تصميماً متكاملاً من الضوء والآلة والحرارة.

بالنسبة للأدوات البصرية عالية الدقة، فإن تطويرها يغطي تخصصات متعددة مثل البصريات والميكانيكا والكهرباء والحرارة. عند التصميم، من الضروري النظر بشكل كامل في تأثير أحد التخصصات على الأنظمة الفرعية ذات الصلة بالتخصصات الأخرى.

تعد طريقة التحليل المتكامل الكهروضوئي والحراري حاليًا الطريقة الأكثر فعالية لتصميم وتحليل الأجهزة البصرية. يبدأ من وجهة نظر هندسة النظام، وينظر بشكل شامل في العلاقة بين النظام البصري، ونظام الهيكل الميكانيكي، والبيئة الحرارية الخارجية، ويستخدم الوسائل التقنية CAD/CAE لتحقيق البصريات.

يُستخدم التصميم الأمثل لنظام الأجهزة حاليًا بشكل أساسي في تصميم وتحليل الأجهزة البصرية الفضائية ولكن نادرًا ما يستخدم في الأنظمة البصرية العامة للأشعة تحت الحمراء. طريقة وتحليل التكامل الحراري البصري والميكانيكي لعدسة الأشعة تحت الحمراء هي كما يلي.

تعد طريقة التحليل المتكامل حاليًا هي الطريقة الشائعة الاستخدام عالميًا لحل المشكلات متعددة التخصصات. يستخدم كل تخصص برنامج التحليل الخاص به لحل مشاكل التخصص. لكي نتمكن من التنبؤ بدقة بأداء النظام، يجب أن يكون كل تخصص قادرًا على تبادل البيانات، بحيث تصبح نتائج التحليل والمعالجة في أحد التخصصات هي البيانات المصدر للحسابات في تخصص آخر. يدمج الإرسال العديد من برامج التحليل المستقلة في برنامج واحد. ويبين الشكل 1 عملية التحليل المتكامل البصري والميكانيكي والحراري.

الشكل 1: مخطط تدفق التحليل الحراري البصري الميكانيكي المتكامل

أولاً، قم ببناء نموذج أولي لشاشة الجهاز البصري بناءً على نتائج التصميم البصري، ثم قم ببناء نموذج حراري للحصول على توزيع درجة حرارة النظام. تحميل توزيع درجة الحرارة التي تم الحصول عليها كحمل الجسم لنموذج العناصر المحدودة الهيكلية للتحليل الميكانيكي.

من خلال معالجة قيمة التشوه، يمكن الحصول على إزاحة الجسم الصلب وتغيير شكل السطح للعنصر البصري، ويمكن استبدال البيانات التي تم الحصول عليها أعلاه وتغيير معامل انكسار العنصر البصري في نموذج البصريات، ثم تقييم التأثير درجة الحرارة على أداء النظام البصري. العملية برمتها عبارة عن تحليل تصميم حلقة مغلقة، ومن خلال التحليل والتحسين المتكرر، يمكن الحصول على النظام الأمثل في النهاية.

متطلبات النظام البصري بالأشعة تحت الحمراء: البعد البؤري 200 مم؛ F/# هو 2.5؛ 2 واط هو 3.3 درجة؛ عدد بكسلات الكاشف هو 320×240؛ حجم البكسل بوصة هو 25μm×25μm، ودرجة حرارة العمل هي -40°C~+60°C. بالنسبة للمتطلبات المذكورة أعلاه، إذا لم تكن هناك قيود، يمكن استخدام مجموعة متنوعة من الهياكل البصرية.

في الواقع، يعد طول النظام البصري أمرًا صعبًا، لذا من أجل تقليل الحجم وتحقيق مطابقة أفضل للغشاء البارد للنظام، تم تصميم عدسة الأشعة تحت الحمراء بطريقة تصوير ثانية. أولاً، ضع بؤبؤ العين البشري على السطح الأول، وقم بتمرير مجموعة العدسات الأمامية إلى مستوى الصورة الأساسي، ومن ثم ستقوم مجموعة العدسات الخلفية بتركيز مستوى الصورة الأساسي على المستوى البؤري، وتصوير البؤبؤ البشري على شريط الضوء البارد للنظام، وهي خروج التلميذ والكشف عن النظام. تتداخل الأغشية الباردة للأجهزة، وقد تم تصميم النظام البصري الموضح في الشكل 2.

الشكل 2: التخطيط البصري

تتكون العدسة الأمامية للنظام من 3 عدسات Si ذات قوة انكسار إيجابية وعدسة واحدة Ge ذات قوة انكسار سلبية. تُستخدم عدسات 3 Si بشكل أساسي لتركيز الضوء وتصحيح الانحراف الكروي، بينما تستخدم عدسات Ge بشكل أساسي لتصحيح الانحراف اللوني. تتكون العدسة الخلفية للنظام من 3 عدسات Si. تستخدم المجموعة الأخيرة التصوير الثانوي على مستوى الصورة الوسطى لتصحيح الانحراف اللوني والانحراف الكروي مع المجموعة السابقة.

يبلغ الطول البؤري للعدسة الأمامية بأكملها 50 مم، وتكبير العدسة الخلفية 4. لذلك، إذا تحرك مستوى الصورة وحدة واحدة في كل مرة، فإن مستوى الصورة النهائية يتحرك حوالي 16 وحدة. تعد المسافة بين مجموعتي العدسات الأمامية والخلفية حساسة للغاية لموضع مستوى الصورة، كما أن التغيير في الفاصل الزمني للعدسة بين العدسات الأمامية والخلفية له تأثير ضئيل على أداء النظام. لذلك، يتم استخدام المسافة بين المجموعتين الأمامية والخلفية كمبلغ تعويض لضبط موضع مستوى الصورة للتصميم الهيكلي.

يعتقد التحليل أن استخدام مادة هيكلية واحدة لا يمكن أن يحقق تعويض الفاصل الزمني. لذلك، تم اعتماد نظام تعويض الهيكل ثنائي المعدن، أي أنه يتم استخدام مجموعة من المواد الإنشائية ذات معاملات التمدد العالية والمنخفضة لضبط مبلغ التعويض المطلوب، والذي يمكن حساب طول المادتين من خلال الصيغة التالية:

في الصيغة: α هو معامل التمدد الحراري للمادة ذات معامل التمدد العالي؛ △T هو التغير في درجة الحرارة. ل₁هو طول المادة ذات معامل التمدد العالي؛ ألفا₂هو معامل التمدد الحراري للمادة ذات معامل التمدد المنخفض؛ ل₂هو طول المادة ذات معامل التمدد المنخفض؛ δ هو مقدار التعويض للمجموعات الأمامية والخلفية المقابلة لدرجة الحرارة؛ Δl هو الفاصل الزمني بين المجموعتين الأمامية والخلفية.

هنا، المادة ذات معامل التمدد المنخفض هي الفولاذ والفولاذ، والمواد ذات معامل التمدد العالي هي سبائك الألومنيوم. تصميم هيكل التعويض الميكانيكي الموضح في الشكل 3 لضمان التصميم المتكامل للنظام.

من بينها، يتم تثبيت عدسة المجموعة الخلفية على برميل العدسة الألومنيوم، ويتم تثبيت برميل العدسة الألومنيوم على الطرف الخلفي للبرميل الفولاذي الإنديوم. يتم تثبيت عدسة المجموعة الأمامية على الطرف الأمامي لبرميل الإنديوم الفولاذي.

يتم ضمان محورية سطح التوصيل للبرميل الفولاذي الإنديوم من خلال المعالجة لضمان النظام بأكمله. يضمن فاصل العدسة للمجموعة الأمامية المسافة بين المجموعتين الأمامية والخلفية. في النهاية، يبلغ الطول الإجمالي لعدسة الأشعة تحت الحمراء 146 مم، وطول أنبوب الإنديوم الفولاذي 107 مم، وطول أنبوب العدسة الألومنيوم 67.5 مم.

3. تحليل التكامل الحراري لعدسة الأشعة تحت الحمراء

استخدم برنامج تحليل العناصر المحدودة لإنشاء نماذج التحليل الهيكلي والتحليل الحراري للعناصر المحدودة، كما هو موضح في الشكل 4. تستخدم الشبكة في الشكل عناصر سداسية وخماسية السطوح، بإجمالي 27,168 عقدة و17,788 عنصرًا. يتم عرض خصائص المواد المستخدمة في التحليل في الشكل في الجدول 1.

في التحليل، يتم أخذ بيانات تحليل مجال درجة الحرارة كحمل للجسم ثم يتم إجراء التحليل الديناميكي الحراري للحصول على قيمة التشوه لكل عدسة. الشكل 5 هو مخطط التشوه لكل عدسة عندما تكون درجة الحرارة 60 درجة مئوية. يمكن أن نرى من مخطط سحابة التشوه أن تغيير الفاصل الزمني بين المجموعتين الأمامية والخلفية يمثل الجانب الرئيسي للتشوه، وهو ما يتوافق أيضًا مع فكرة تعويض التصميم.

في الوقت نفسه، قم باستخراج الإزاحة العقدية لكل مرآة عدسة وقم بإجراء تركيب Zernike متعدد الحدود للحصول على تغيير شكل سطح المرآة البصرية. يتم استخدام متعدد الحدود Zernike القياسي في التحليل. نظرًا لقيود المساحة، يسرد الجدول 2 فقط معاملات Zernike التسعة الأولى، ويمكن رؤية المعنى المادي المقابل من الجدول 2. وينعكس تشوه سطح المرآة بشكل أساسي في الترجمة، يليه عدم التركيز الناتج عن تشوه سطح المرآة، والتغيرات الأخرى في شكل السطح تكون صغيرة.

استبدال المعلمات مثل التغير في الفاصل البصري، ومعامل Zernike لتشوه المرآة، ومعامل درجة حرارة معامل الانكسار لمادة العدسة التي تم الحصول عليها من تحليل ما بعد الديناميكية الحرارية في برنامج الحساب البصري Code V، للحصول على النقل البصري تعمل عند كل مستوى من مستويات درجة الحرارة المحيطة، كما هو موضح في الشكل 6.

تظهر النتائج أن وظيفة النقل لهذه العدسة في نطاق درجة الحرارة من -40 درجة مئوية إلى +60 درجة مئوية لكل مجال رؤية مكون من 16 زوجًا من الخطوط أكبر من 0.5، وجودة الصورة جيدة.

بالنسبة للأنظمة البصرية التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء، فإن درجة الحرارة لها تأثير كبير على جودة تصوير النظام البصري. تم تصميم عدسة تعمل بالأشعة تحت الحمراء بنطاق واسع من درجات حرارة التشغيل من خلال طريقة التصميم المتكاملة البصرية والميكانيكية والحرارية، كما قامت بتحليل تشوه عدسة الأشعة تحت الحمراء عند درجات حرارة مختلفة بسبب تشوه سطح المرآة، وتغير الفاصل الزمني للعدسة ، وتغير معامل الانكسار لدرجة الحرارة. عوامل مثل التغيرات في جودة صورة النظام، تظهر نتائج التحليل أن عدسة الأشعة تحت الحمراء المصممة تتمتع بجودة صورة جيدة عند -40 درجة مئوية ~ +60 درجة مئوية.

إن طريقة التصميم المتكامل البصري-الميكانيكي-الحراري وطريقة التحليل المتكامل البصري-الميكانيكي-الحراري المستخدمة في هذه الورقة لها قيم مرجعية مهمة لتصميم وتحليل الأنظمة البصرية المماثلة.

كخبير في أبحاث العدسات البصرية بالأشعة تحت الحمراء لسنوات عديدة، يمكن لـ Quanhom أن يقدم لك بعض التوجيهات المهنية إلى حد ما. إذا كنت ترغب في الحصول على حل أكثر شمولاً وتفصيلاً بعد قراءة هذه المقالة، فلا تتردد في الاتصال بنا.

نحن شركة تصنيع ذات خبرة في المكونات الكهروميكانيكية البصرية، مكرسة لتزويد المستخدمين بمجموعة متنوعة من عدسات التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء عالية الجودة. نحن نأخذ احتياجات العملاء كأولوية أولى ونتحكم بشكل شامل في جودة منتجاتنا. لهذا السبب، نحن مجهزون بنظام صارم لفحص الجودة للتحكم في تصميم، تصنيع، وتصدير المنتجات. إذا كنت مهتمًا بعدسات التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء، يرجى الاتصال بنا على الفور!