本文關(guān)鍵詞：紅外鏡頭的光機(jī)熱集成分析方法的研究

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【摘要】：隨著紅外熱成像技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,人們對(duì)紅外鏡頭的性能也提出了更高的要求。在眾多影響紅外鏡頭成像質(zhì)量的因素中,溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響最嚴(yán)重。在傳統(tǒng)的紅外鏡頭熱光學(xué)分析中,溫度一般作為分析的最終指標(biāo)。并且,光學(xué)設(shè)計(jì)軟件只能分析光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)改變后系統(tǒng)性能的變化情況,而不能完全考慮到機(jī)械結(jié)構(gòu)熱變形對(duì)紅外鏡頭產(chǎn)生的影響。因此,為了更加全面的分析紅外鏡頭在熱環(huán)境中的成像質(zhì)量,需要綜合考慮光學(xué)元件與機(jī)械結(jié)構(gòu)的變形對(duì)系統(tǒng)性能的影響。本文將光機(jī)熱集成分析方法應(yīng)用于普通的紅外鏡頭中。首先利用機(jī)械設(shè)計(jì)軟件PRO/E建立紅外鏡頭的幾何模型,并根據(jù)溫度場(chǎng)數(shù)值分析理論,運(yùn)用有限元軟件ANSYS對(duì)紅外鏡頭進(jìn)行溫度場(chǎng)分析,得到鏡頭在不同溫度條件下的變形情況,特別是透鏡的鏡面面形變化,它體現(xiàn)了機(jī)械結(jié)構(gòu)熱變形對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的影響程度。其次,為了將分析得到的鏡面面形數(shù)據(jù)代入光學(xué)設(shè)計(jì)軟件,利用Zernike多項(xiàng)式作為光學(xué)分析與有限元分析的接口工具,對(duì)變形后透鏡的面形進(jìn)行擬合,得到可以表征面形畸變的Zernike系數(shù)。最后將Zernike系數(shù)、透鏡的折射率和透鏡之間的間距代入光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX中,利用光學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)分析各種因素變化對(duì)紅外鏡頭性能的影響。此外,為了觀察紅外鏡頭在熱環(huán)境中的實(shí)際性能,對(duì)設(shè)計(jì)的紅外鏡頭進(jìn)行高低溫成像實(shí)驗(yàn)。鏡頭在常溫和高低溫狀態(tài)下的成像質(zhì)量與分析結(jié)果一致,表明光機(jī)熱集成分析方法在紅外鏡頭中的應(yīng)用是有效的。為了使紅外鏡頭具有高剛度、輕量化和良好的熱環(huán)境適應(yīng)性等特點(diǎn),利用ANSYS的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊對(duì)鏡筒的壁厚進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),以整個(gè)鏡頭的體積為目標(biāo)函數(shù)。結(jié)果表明,與初始鏡頭相比,優(yōu)化后的鏡頭在質(zhì)量、熱變形和鏡面畸變上都得到了很大的改進(jìn),達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。通過對(duì)紅外鏡頭進(jìn)行光機(jī)熱集成分析,可以有效的將光學(xué)、機(jī)械和熱分析集成在一起,實(shí)現(xiàn)了所有分析在同一個(gè)模型中完成的目的,使我們能夠在設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)紅外鏡頭在熱環(huán)境中的使用性能,對(duì)紅外鏡頭進(jìn)行光機(jī)一體化設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。
【關(guān)鍵詞】：紅外鏡頭 光學(xué)性能 光機(jī)熱 Zernike多項(xiàng)式 優(yōu)化設(shè)計(jì)
【學(xué)位授予單位】：昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH74
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-23
• 1.1 課題研究背景及意義11-13
• 1.1.1 課題研究背景11
• 1.1.2 課題研究意義11-13
• 1.2 紅外鏡頭簡(jiǎn)介13-16
• 1.2.1 紅外熱成像技術(shù)13-15
• 1.2.2 紅外鏡頭15-16
• 1.3 光機(jī)熱集成分析方法16-18
• 1.4 光機(jī)熱集成分析的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀18-21
• 1.4.1 光機(jī)熱集成分析的國(guó)外研究現(xiàn)狀18-20
• 1.4.2 光機(jī)熱集成分析的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀20-21
• 1.5 本課題的主要研究?jī)?nèi)容21-23
• 第二章 光機(jī)熱集成分析方法的理論研究23-47
• 2.1 紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論23-25
• 2.1.1 紅外光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)23-24
• 2.1.2 邊界條件限定方法24-25
• 2.2 熱分析的有限元理論25-36
• 2.2.1 穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)基本理論25-27
• 2.2.2 溫度場(chǎng)分析的有限元法27-33
• 2.2.3 熱應(yīng)力分析的有限元法33-36
• 2.3 鏡面面形擬合理論36-46
• 2.3.1 有限元結(jié)果數(shù)據(jù)處理36-39
• 2.3.2 擬合方向數(shù)據(jù)的計(jì)算39-41
• 2.3.3 Zernike多項(xiàng)式概述41-43
• 2.3.4 Zernike多項(xiàng)式面形擬合計(jì)算方法43-46
• 2.4 本章小結(jié)46-47
• 第三章 紅外鏡頭的光機(jī)熱集成分析47-73
• 3.1 紅外鏡頭的熱應(yīng)力分析47-58
• 3.1.1 紅外鏡頭結(jié)構(gòu)47-49
• 3.1.2 外鏡頭的三維造型49-50
• 3.1.3 紅外鏡頭有限元模型的建立50-52
• 3.1.4 有限元分析結(jié)果52-55
• 3.1.5 鏡面面形分析55-58
• 3.2 鏡面面形的Zernike多項(xiàng)式擬合58-63
• 3.3 光學(xué)性能分析63-71
• 3.3.1 光學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)63-64
• 3.3.2 原始光學(xué)系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)64-65
• 3.3.3 溫度對(duì)鏡頭成像質(zhì)量的影響65-71
• 3.4 本章小結(jié)71-73
• 第四章 紅外鏡頭的高低溫實(shí)驗(yàn)73-77
• 4.1 紅外鏡頭測(cè)試原理73-74
• 4.2 紅外鏡頭性能測(cè)試74-76
• 4.3 本章小結(jié)76-77
• 第五章 紅外鏡頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化77-87
• 5.1 光機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論77-80
• 5.1.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)理論77-78
• 5.1.2 多目標(biāo)優(yōu)化理論78-80
• 5.2 ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊簡(jiǎn)介80-81
• 5.3 鏡筒結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化81-83
• 5.3.1 選取優(yōu)化對(duì)象81-82
• 5.3.2 優(yōu)化結(jié)果82-83
• 5.4 優(yōu)化后系統(tǒng)的性能參數(shù)83-86
• 5.4.1 優(yōu)化后紅外鏡頭的熱變形分析83-85
• 5.4.2 優(yōu)化后紅外鏡頭的光學(xué)性能分析85-86
• 5.5 本章小結(jié)86-87
• 第六章 結(jié)論與展望87-89
• 6.1 結(jié)論87-88
• 6.2 展望88-89
• 致謝89-91
• 參考文獻(xiàn)91-97
• 附錄 攻讀碩士期間的學(xué)術(shù)成果97

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