朱承希，李 陽，施家明

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基于光機(jī)熱集成分析法的紅外成像系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)

朱承希1，李 陽2，施家明1

（1. 中國科學(xué)院 上海技術(shù)物理研究所，上海 200083；2. 河南省輕工業(yè)學(xué)校，河南 鄭州 450006）

由于紅外成像光學(xué)的特殊性，溫度是影響其成像質(zhì)量的主要因素之一。針對一款紅外成像系統(tǒng)，應(yīng)用光機(jī)熱集成分析法，就其在夏季室外工作環(huán)境下的成像質(zhì)量展開綜合分析，發(fā)現(xiàn)光機(jī)元件溫度的梯度分布對系統(tǒng)引入無法校正的像差，降低系統(tǒng)成像質(zhì)量。建立在仿真分析的基礎(chǔ)上，本文有針對性地設(shè)計(jì)一種分布式散熱系統(tǒng)，在降低系統(tǒng)整體溫度的同時(shí)，使得光機(jī)元件的溫度分布均勻化，提高其成像質(zhì)量。

熱設(shè)計(jì)；光機(jī)熱集成分析；紅外成像系統(tǒng)

0 引言

隨著紅外技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們越發(fā)關(guān)注環(huán)境擾動對于紅外成像系統(tǒng)的影響。在眾多環(huán)境因素中，溫度變化對其成像質(zhì)量的影響尤為明顯。室外工作的紅外成像系統(tǒng)，因其工作周期長，工作環(huán)境復(fù)雜，多采用封閉式結(jié)構(gòu)。環(huán)境溫度、日照強(qiáng)度以及風(fēng)力強(qiáng)度等諸多環(huán)境因素，以外部熱源的形式和系統(tǒng)的內(nèi)部熱源相互作用，使系統(tǒng)內(nèi)部溫度上升，并產(chǎn)生非均勻性溫度場，進(jìn)而改變光機(jī)元件的幾何與材料特性，最終降低系統(tǒng)的成像質(zhì)量。

為研究環(huán)境因素對光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響，1981年，Jacob Miller等人首先提出光機(jī)熱（TSO）集成分析方法的概念和步驟[1]。經(jīng)過40余年的發(fā)展，目前歐美等發(fā)達(dá)國家己掌握了完備的分析、設(shè)計(jì)和試驗(yàn)技術(shù)，并將其大量應(yīng)用到光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。如2010年在研制30m地基望遠(yuǎn)鏡（TMT）時(shí)，亞利桑那大學(xué)的K. Vogiatzis等人就充分考慮了熱擾動對主鏡、次鏡和支撐結(jié)構(gòu)的影響，并對系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)[2-3]。

針對室外工作的某紅外成像系統(tǒng)，本文從理論分析出發(fā)，利用光機(jī)熱集成分析法，對其成像質(zhì)量進(jìn)行綜合分析。在此基礎(chǔ)上有針對性的設(shè)計(jì)散熱系統(tǒng)，以提高其工作性能和可靠性。

1 仿真模型簡介

1.1 模型簡介

本文研究的紅外成像系統(tǒng)由2臺紅外組件、一塊整機(jī)電路板以及機(jī)箱外殼等部分組成。其內(nèi)部布局如圖1所示。箱體內(nèi)部并排安裝兩臺紅外組件，整機(jī)電路板垂直安裝在機(jī)箱后部；紅外組件包括一套紅外鏡頭、一臺制冷型紅外探測器、一塊組件電路板以及基座等結(jié)構(gòu)件，其布局如圖2所示。紅外鏡頭采用四片式結(jié)構(gòu)，最外側(cè)安裝光學(xué)窗口于機(jī)箱前面板上，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示[4]。

圖1 紅外成像系統(tǒng)內(nèi)部布局圖

圖2 紅外組件布局圖

1.2 系統(tǒng)邊界條件簡介

該紅外成像系統(tǒng)安裝于室外，工作時(shí)主要受到環(huán)境與內(nèi)部熱源的影響。仿真時(shí)選取夏日室外環(huán)境條件作為輸入熱載荷，目的在于研究最惡劣工作條件下系統(tǒng)內(nèi)部的溫度分布。表1給出了相關(guān)的環(huán)境熱載荷，表2列出了系統(tǒng)內(nèi)部熱源數(shù)量及熱功耗，表3列出了系統(tǒng)光機(jī)元件的力/熱學(xué)性能參數(shù)，表4列出了光機(jī)元件材料的對照表。

圖3 光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 系統(tǒng)測溫點(diǎn)分布簡介

為掌握系統(tǒng)內(nèi)部溫度分布情況，在系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵器件處布置4處Pt100型鉑電阻測溫管，結(jié)合數(shù)顯式測溫儀，用于測量紅外探測器，光學(xué)鏡頭，組件電路板及環(huán)境的溫度值，圖4給出了測溫點(diǎn)的大致分布位置。

表1 環(huán)境熱載荷

表2 紅外成像系統(tǒng)的內(nèi)部熱源及熱功耗表

表3 紅外成像系統(tǒng)光機(jī)元件力/熱學(xué)性能參數(shù)表

表4 光機(jī)元件材料對照表

圖4 系統(tǒng)內(nèi)部測溫點(diǎn)分布圖

2 紅外成像系統(tǒng)的集成分析

2.1 光機(jī)熱集成分析簡介

紅外成像系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境條件多變，通常采用有限元法對系統(tǒng)進(jìn)行熱-機(jī)耦合分析，將變形后的光學(xué)鏡片面型在光學(xué)分析軟件中進(jìn)行重構(gòu)，并結(jié)合溫度變化時(shí)材料特性的改變量，最終評價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。

本文中所采用的熱力學(xué)分析軟件為ICEPAK，其采用FLUNT求解器，能夠分析從芯片級到系統(tǒng)級散熱問題；結(jié)構(gòu)分析軟件為ANSYS WORKBENCH，由ANSYS公司開發(fā)，能實(shí)現(xiàn)跨平臺的多重仿真數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與交換；光學(xué)分析軟件為ZEMAX，其采用光束追跡的方法，可實(shí)現(xiàn)序列與非序列分析，已廣泛應(yīng)用于顯示、照明及成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之中。

2.2 鏡片面型擬合方法

在得到變形后鏡面節(jié)點(diǎn)的矢高變化量后，通過選用Zernike多項(xiàng)式作為基底函數(shù)擬合變形后的鏡面，以便輸入光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行像質(zhì)評價(jià)。Zernike多項(xiàng)式的表達(dá)形式如下：

式中：R()為徑向基底函數(shù)；，為正整數(shù)；為標(biāo)準(zhǔn)化半徑，0≤≤1；為極角，0≤≤2p。

直角坐標(biāo)系下，待擬合的鏡片面型函數(shù)可用項(xiàng)Zernike多項(xiàng)式表示：

(,)＝11(,)＋22(,)＋…＋qZ(,) (2)

式中：1,2, …,q為項(xiàng)Zernike多項(xiàng)式系數(shù)。

由熱-結(jié)構(gòu)分析可以得到個(gè)離散的鏡面數(shù)據(jù)點(diǎn)，(x,y)，＝1, 2, …,；令其對應(yīng)的Zernike各項(xiàng)為a＝Z(x,y)，＝1, 2, …,；＝1, 2, …,。將兩者帶入式(2)后得到矛盾方程組(3)（＞），求解方程組即可得到Zernike多項(xiàng)式的系數(shù)向量[5]：

＝(3)

式中：＝(a)×n；＝(1,2, …,q)；＝(1,2, …,)。

2.3 仿真模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真結(jié)果的有效性，針對已試制完成的紅外成像系統(tǒng)樣機(jī)，在室內(nèi)環(huán)境下連續(xù)工作，待系統(tǒng)內(nèi)部溫度穩(wěn)定后采集各測溫點(diǎn)的溫度。同時(shí)在ICEPAK中針對室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行仿真，記錄各測溫點(diǎn)仿真值，并將其與實(shí)測值對比，將對比結(jié)果記錄于表5中。

表5 室內(nèi)環(huán)境下仿真及實(shí)測溫度值對照表

由表5可知，仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)誤差最大為4.5%，絕對溫度誤差最大為2.2℃。造成誤差的原因可能是部分接觸面導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置存在偏差、實(shí)際熱源設(shè)置存在偏差或網(wǎng)格劃分不夠精細(xì)等。總體來說，該仿真模型合理可信。

2.4 仿真結(jié)果及系統(tǒng)成像質(zhì)量分析

在ICEPAK中依據(jù)表1設(shè)置室外環(huán)境下的熱載荷，迭代收斂后得到此環(huán)境下的系統(tǒng)內(nèi)部溫度分布，圖5為系統(tǒng)內(nèi)部向溫度分布圖。對其進(jìn)行分析可知[6]：

1）工作數(shù)小時(shí)后，該系統(tǒng)內(nèi)將呈現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定的溫度場。從箱體后側(cè)上方至前側(cè)下方呈現(xiàn)溫度由高至低的梯度分布，由于紅外探測器與紅外鏡頭采用分體式安裝，處于箱體中的不同溫度梯度區(qū)的兩者將產(chǎn)生不一樣的熱膨脹變形。

2）受到環(huán)境溫度的升高以及日照影響，鏡筒及光學(xué)鏡片的溫度顯著高于設(shè)計(jì)溫度，同時(shí)紅外窗口上產(chǎn)生明顯的溫度梯度分布。

3）箱體頂層呈現(xiàn)熱量倒流現(xiàn)象，減弱系統(tǒng)頂層的自然散熱效果，并使得箱體內(nèi)部的頂層空氣被局部加熱，進(jìn)一步加劇系統(tǒng)內(nèi)部溫升。

圖5 系統(tǒng)內(nèi)部Z向溫度分布圖

考慮到2臺紅外組件在箱體中并排安裝，其溫度分布也幾乎一致，為避免重復(fù)敘述，后續(xù)僅針對紅外組件A展開分析。為進(jìn)一步研究溫度變化對系統(tǒng)像質(zhì)造成的影響，現(xiàn)將紅外組件A的溫度分布圖示于圖6中，主要光機(jī)元件的溫度值列于表6中。

該紅外組件在此溫度場內(nèi)受到的影響主要由以下3方面：

1）系統(tǒng)內(nèi)部各元件都存在溫升及溫度梯度分布現(xiàn)象，溫度差值從0.21℃～3.92℃不等。

2）鏡筒上存在較大溫度梯度分布，導(dǎo)致鏡筒產(chǎn)生翹曲，影響光學(xué)元件的同軸度。同時(shí)機(jī)械元件上存在溫升，導(dǎo)致探測器與鏡頭光軸錯(cuò)位，改變光學(xué)元件間隔并使得最佳像面發(fā)生偏移?，F(xiàn)將機(jī)械元件對光學(xué)元件空間位置的改變量列于表7中。

3）光學(xué)窗口及鏡片二上存在明顯的溫度梯度分布，導(dǎo)致其面型產(chǎn)生非均勻性變形。同時(shí)各光學(xué)元件上存在溫升，改變其折射率，面型及鏡片間隔。

針對光學(xué)窗口及鏡片二，在該溫度分布情況下，將ICEPAK中各網(wǎng)格對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)溫度導(dǎo)入至ANSYS中，仿真得出每個(gè)節(jié)點(diǎn)在，，向上的位移量，采用前37項(xiàng)Zernike多項(xiàng)式系數(shù)擬合變形后的光學(xué)元件表面面型。為簡化篇幅，將擬合后的前十項(xiàng)Zernike系數(shù)列于表8中，其余鏡片可視為均勻變形，其變形量列于表9中。

將光學(xué)元件面型數(shù)據(jù)及空間位置變化量輸入Zemax中重構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)，以評價(jià)系統(tǒng)成像質(zhì)量。現(xiàn)選取位于全視場角、頻率為33Hz下弧矢光線的MTF值和系統(tǒng)彌散斑的均方根半徑及最大幾何半徑作為成像質(zhì)量的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將其列于表10；各情況下系統(tǒng)MTF及點(diǎn)列圖列于圖7～圖12。分析可知：

1）夏季室外環(huán)境下，系統(tǒng)MTF顯著下降，彌散斑遠(yuǎn)超艾里斑大小，系統(tǒng)無法正常工作。此時(shí)系統(tǒng)成像質(zhì)量主要發(fā)生兩種變化：一是系統(tǒng)產(chǎn)生離焦；二是系統(tǒng)產(chǎn)生像差。離焦主要由系統(tǒng)的均勻溫升引起，像差主要由光學(xué)元件的溫度梯度分布引起。

2）通過調(diào)節(jié)探測器像面位置，使系統(tǒng)重新合焦后，由均勻溫升引起的系統(tǒng)離焦得到改善，而由溫度梯度分布引起的像差并未消失，此時(shí)的彌散斑仍超出艾里斑，系統(tǒng)實(shí)際成像質(zhì)量明顯低于設(shè)計(jì)值。

表6 光機(jī)元件溫度表

圖6 紅外組件A溫度分布圖

Fig.6 Thermal distribution of IR module A

表7 光學(xué)元件的空間位置變化量

表8 光學(xué)元件擬合后對應(yīng)的Zernike項(xiàng)系數(shù)

表9 鏡片表面曲率半徑與中心厚度變化值

表10 系統(tǒng)光學(xué)性能變化表

圖7 理論情況下系統(tǒng)MTF

圖8 理論情況下系統(tǒng)點(diǎn)列圖

圖9 實(shí)際情況下系統(tǒng)MTF

圖10 實(shí)際情況下系統(tǒng)點(diǎn)列圖

3 紅外成像系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)

3.1 分布式散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

在本紅外成像系統(tǒng)中，由均勻溫升引起的系統(tǒng)離焦，可以通過調(diào)節(jié)探測器像面位置的方式得到解決，但是對于由溫度梯度分布引入的系統(tǒng)像差，則無法解決。因此，有必要設(shè)計(jì)一套散熱系統(tǒng)，以降低光學(xué)系統(tǒng)溫度梯度分布與整機(jī)溫升，改善系統(tǒng)成像質(zhì)量。

系統(tǒng)級散熱的常規(guī)措施包括：自然對流散熱，強(qiáng)迫對流散熱，傳導(dǎo)散熱和輻射散熱等多種措施[7]。在本紅外成像系統(tǒng)中，由于同時(shí)存在外部與內(nèi)部熱源，單一的散熱措施效果往往不佳?，F(xiàn)采用強(qiáng)迫風(fēng)冷結(jié)合熱電制冷的方式，設(shè)計(jì)分布式散熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括若干個(gè)熱電制冷單元及一套溫控電路板。其中熱電制冷單元獨(dú)立布置于紅外成像系統(tǒng)中，每個(gè)單元相互獨(dú)立，可根據(jù)實(shí)際需求增減數(shù)量、更改安裝位置及調(diào)節(jié)制冷量大小。溫控電路板通過采集系統(tǒng)溫度與各個(gè)熱電制冷單元的反饋溫度，措施控制熱電制冷單元的冷量輸出，進(jìn)而達(dá)到系統(tǒng)散熱的目的。分布式散熱系統(tǒng)原理如圖13所示，熱電制冷單元結(jié)構(gòu)如圖14所示。

在本紅外成像系統(tǒng)中，系統(tǒng)后部為熱源集中區(qū)，需要集中散熱；系統(tǒng)前部安裝光學(xué)鏡頭，需要實(shí)現(xiàn)溫度分布的均勻化。為在這兩者之間合理分配制冷量，現(xiàn)選擇以下3種分布方案,通過仿真的方式定量化比較每種方案的散熱效果，以決定最終的熱電制冷單元的分布形式。3種方案如表11所示，各方案下對應(yīng)的光學(xué)元件溫度值如表12所示，方案一對應(yīng)的箱體內(nèi)氣流軌跡圖如圖15所示。

在3種方案中，方案二及方案三對系統(tǒng)取得較好的降溫效果，但是其對光學(xué)鏡片的直接制冷導(dǎo)致鏡片溫差加劇，與設(shè)計(jì)初衷相背。方案一雖然整體降溫效果不如后兩種，但是其使得鏡片溫差大幅下降，符合設(shè)計(jì)目的，因此選擇方案一作為最終熱電制冷單元的分布形式，將兩套熱電制冷單元集成于系統(tǒng)后蓋上，最終設(shè)計(jì)的系統(tǒng)參數(shù)列于表13，加工完成后的系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖16所示。

圖11 調(diào)焦后系統(tǒng)MTF

圖12 調(diào)焦后系統(tǒng)點(diǎn)列圖

圖13 分布式散熱系統(tǒng)原理圖

圖14 熱電制冷單元結(jié)構(gòu)圖

表11 熱電制冷單元分布方案表

表12 各方案下紅外組件A光學(xué)元件溫度值

表13 分布式散熱系統(tǒng)性能參數(shù)

3.2 散熱效果驗(yàn)證

經(jīng)實(shí)際測試，在室內(nèi)環(huán)境下，開啟分布式散熱系統(tǒng)后，各測溫點(diǎn)溫度普遍下降，最高降幅達(dá)16.3℃，光學(xué)系統(tǒng)溫度梯度差小于0.27℃。針對夏季室外環(huán)境對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析發(fā)現(xiàn)，開啟散熱系統(tǒng)后，系統(tǒng)雖產(chǎn)生輕微離焦現(xiàn)象，但當(dāng)調(diào)節(jié)探測器像面位置，使系統(tǒng)重新合焦后，系統(tǒng)的成像質(zhì)量接近設(shè)計(jì)值。此時(shí)的系統(tǒng)MTF圖與點(diǎn)列圖如圖17與圖18所示。

4 結(jié)論

運(yùn)用光機(jī)熱集成分析法，輔助以有限元分析軟件及光學(xué)追跡軟件，本文針對某紅外成像系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)級成像質(zhì)量分析，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)分布式散熱系統(tǒng)，改善系統(tǒng)的成像質(zhì)量。由于仿真技術(shù)的引用，大大節(jié)省了系統(tǒng)改進(jìn)所需的時(shí)間與成本。同樣，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初始，運(yùn)用該方法對系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)分析，能直觀地顯示出系統(tǒng)內(nèi)溫度分布情況，使各方設(shè)計(jì)人員能對最終的熱力學(xué)工作環(huán)境有充分了解，便于進(jìn)行針對性的設(shè)計(jì)，以提高系統(tǒng)最終的成像質(zhì)量。

圖15 方案一對應(yīng)的箱體內(nèi)氣流軌跡圖

圖16 分布式散熱系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖17 開啟散熱時(shí)系統(tǒng)調(diào)焦后MTF

圖18 開啟散熱時(shí)系統(tǒng)調(diào)焦后點(diǎn)列圖

[1] Hatheway A E. Optomechanical analysis strategies [C]//, 1987, 748: 96-103.

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Thermal Design of One Infrared Imaging System Based on the Method of TSO Integrated Analysis

ZHU Cheng-xi1，LI Yang2，SHI Jia-ming1

(1.,200083,; 2.,450006,)

Because of the speciality of infrared optics, heat is one of the factors which will impact its image quality. For one kind of infrared imaging system, with the use of Thermal/Structure/Optical integrated analysis, the paper analyzed its image quality when it worked on summer condition, and discovered the gradient temperature distribution introduced aberrations which couldn’t be corrected. On the basis of the result, one distributed cooling system was designed to reduce both system’s gradient temperature distribution and temperature shift. It also helped to improve the image quality of the infrared imaging system.

thermal deign，TSO integrated analysis，infrared imaging system

TN216

A

1001-8891(2015)05-0380-07

2014-10-05；

2014-11-12.

朱承希（1983-），男，江蘇無錫人，主要從事光機(jī)系統(tǒng)方面的研究。E-mail：zcx_sitp@163.com。

中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所四期創(chuàng)新專項(xiàng)項(xiàng)目，編號：Q-DX-18。