红外镜头的光机热集成分析方法的研究

发布时间：2017-08-05 15:35

  本文关键词：红外镜头的光机热集成分析方法的研究

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【摘要】：随着红外热成像技术在各个领域的广泛应用,人们对红外镜头的性能也提出了更高的要求。在众多影响红外镜头成像质量的因素中,温度对系统性能的影响最严重。在传统的红外镜头热光学分析中,温度一般作为分析的最终指标。并且,光学设计软件只能分析光学元件的结构参数改变后系统性能的变化情况,而不能完全考虑到机械结构热变形对红外镜头产生的影响。因此,为了更加全面的分析红外镜头在热环境中的成像质量,需要综合考虑光学元件与机械结构的变形对系统性能的影响。本文将光机热集成分析方法应用于普通的红外镜头中。首先利用机械设计软件PRO/E建立红外镜头的几何模型,并根据温度场数值分析理论,运用有限元软件ANSYS对红外镜头进行温度场分析,得到镜头在不同温度条件下的变形情况,特别是透镜的镜面面形变化,它体现了机械结构热变形对光学系统的影响程度。其次,为了将分析得到的镜面面形数据代入光学设计软件,利用Zernike多项式作为光学分析与有限元分析的接口工具,对变形后透镜的面形进行拟合,得到可以表征面形畸变的Zernike系数。最后将Zernike系数、透镜的折射率和透镜之间的间距代入光学设计软件ZEMAX中,利用光学性能评价指标分析各种因素变化对红外镜头性能的影响。此外,为了观察红外镜头在热环境中的实际性能,对设计的红外镜头进行高低温成像实验。镜头在常温和高低温状态下的成像质量与分析结果一致,表明光机热集成分析方法在红外镜头中的应用是有效的。为了使红外镜头具有高刚度、轻量化和良好的热环境适应性等特点,利用ANSYS的优化设计模块对镜筒的壁厚进行优化改进,以整个镜头的体积为目标函数。结果表明,与初始镜头相比,优化后的镜头在质量、热变形和镜面畸变上都得到了很大的改进,达到了优化设计的目的。通过对红外镜头进行光机热集成分析,可以有效的将光学、机械和热分析集成在一起,实现了所有分析在同一个模型中完成的目的,使我们能够在设计阶段预测红外镜头在热环境中的使用性能,对红外镜头进行光机一体化设计具有重要的指导意义。
【关键词】：红外镜头 光学性能 光机热 Zernike多项式 优化设计
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH74
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 课题研究背景及意义11-13
• 1.1.1 课题研究背景11
• 1.1.2 课题研究意义11-13
• 1.2 红外镜头简介13-16
• 1.2.1 红外热成像技术13-15
• 1.2.2 红外镜头15-16
• 1.3 光机热集成分析方法16-18
• 1.4 光机热集成分析的国内外研究现状18-21
• 1.4.1 光机热集成分析的国外研究现状18-20
• 1.4.2 光机热集成分析的国内研究现状20-21
• 1.5 本课题的主要研究内容21-23
• 第二章 光机热集成分析方法的理论研究23-47
• 2.1 红外光学系统设计理论23-25
• 2.1.1 红外光学系统的结构23-24
• 2.1.2 边界条件限定方法24-25
• 2.2 热分析的有限元理论25-36
• 2.2.1 稳态热传导基本理论25-27
• 2.2.2 温度场分析的有限元法27-33
• 2.2.3 热应力分析的有限元法33-36
• 2.3 镜面面形拟合理论36-46
• 2.3.1 有限元结果数据处理36-39
• 2.3.2 拟合方向数据的计算39-41
• 2.3.3 Zernike多项式概述41-43
• 2.3.4 Zernike多项式面形拟合计算方法43-46
• 2.4 本章小结46-47
• 第三章 红外镜头的光机热集成分析47-73
• 3.1 红外镜头的热应力分析47-58
• 3.1.1 红外镜头结构47-49
• 3.1.2 外镜头的三维造型49-50
• 3.1.3 红外镜头有限元模型的建立50-52
• 3.1.4 有限元分析结果52-55
• 3.1.5 镜面面形分析55-58
• 3.2 镜面面形的Zernike多项式拟合58-63
• 3.3 光学性能分析63-71
• 3.3.1 光学性能评价指标63-64
• 3.3.2 原始光学系统的性能评价64-65
• 3.3.3 温度对镜头成像质量的影响65-71
• 3.4 本章小结71-73
• 第四章 红外镜头的高低温实验73-77
• 4.1 红外镜头测试原理73-74
• 4.2 红外镜头性能测试74-76
• 4.3 本章小结76-77
• 第五章 红外镜头的结构优化77-87
• 5.1 光机结构的优化设计理论77-80
• 5.1.1 优化设计理论77-78
• 5.1.2 多目标优化理论78-80
• 5.2 ANSYS优化设计模块简介80-81
• 5.3 镜筒结构的尺寸优化81-83
• 5.3.1 选取优化对象81-82
• 5.3.2 优化结果82-83
• 5.4 优化后系统的性能参数83-86
• 5.4.1 优化后红外镜头的热变形分析83-85
• 5.4.2 优化后红外镜头的光学性能分析85-86
• 5.5 本章小结86-87
• 第六章 结论与展望87-89
• 6.1 结论87-88
• 6.2 展望88-89
• 致谢89-91
• 参考文献91-97
• 附录 攻读硕士期间的学术成果97

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6 ;“红外热成像图像处理技术研究”通过部级鉴定[J];北京理工大学学报;1997年02期

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1 刘程艳;秦飞;班兆伟;;基于红外热成像法的电子封装缺陷检测方法研究[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年

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4 赵军;潘功配;陈昕;;UIRFPA热像仪在泡沫红外性能测试中的应用[A];2007年红外探测器及其在系统中的应用学术交流会论文集[C];2007年

5 吕少文;李红;贾桂林;王英慧;何文彤;;临床诊断SARS病例红外热成像的定位定量研究[A];第六届全国生物医学体视学学术会议暨第九届全军军事病理学学术会议、第五届全军定量病理学学术会议论文汇编[C];2005年

6 郭杏林;赵延广;张传豹;;Q235疲劳试验过程中的实时锁相红外热成像无损检测技术[A];全国MTS岩土混凝土试验研讨会论文集[C];2009年

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9 王跃钢;肖陶;;神经网络在电路板红外诊断中的应用[A];第六届全国计算机应用联合学术会议论文集[C];2002年

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5 ;ZD3110C可信红外热成像摄像机 在极端条件下进行全天候监控[N];人民公安报;2010年

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本文编号：625647