大口徑平行光管

一、應(yīng)用簡介

配合光源提供大口徑平行光束，可用于進(jìn)行CCD等相機(jī)測試。

二、工作原理及設(shè)計案例

平行光管具有工作波段寬、精度高、光束口徑大和光譜范圍廣等技術(shù)特點(diǎn)。選用反射式準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)，光學(xué)鏡片鍍膜為金，實現(xiàn)覆蓋可見、短波紅外、中波紅外、長波紅外波段的0.4μm~14μm光譜反射能力，鍍膜后，單片光學(xué)鏡片的反射率＞95%，平行光管整體反射率＞85%。

1.平行光管光學(xué)系統(tǒng)

技術(shù)指標(biāo)要求平行光管能夠覆蓋0.4μm ~14μm，傳統(tǒng)的透射式光學(xué)系統(tǒng)無法難以消除色差，擬采用反射式光學(xué)系統(tǒng)解決上述問題。綜合考慮光學(xué)入瞳口徑、像質(zhì)和焦距等技術(shù)指標(biāo)要求，本方案擬采用離軸拋物面光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計。

圖1   準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局圖

光學(xué)系統(tǒng)的口徑為500mm，焦距為5000mm，使用CODEV軟件對光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計后，光學(xué)系統(tǒng)在±0.02°視場內(nèi)最大彌散斑直徑為0.0072mm，對應(yīng)彌散角為0.0018mrad，小于靶板最小分辨率0.016mrad。平行光管MTF圖如下圖所示。

圖2   準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)列圖

圖3   短波波段平行光管MTF圖

圖4   中波波段平行光管MTF圖

圖5   長波波段平行光管MTF圖

光學(xué)系統(tǒng)MTF在中心視場MTF接近衍射極限，成像質(zhì)量良好。

光學(xué)系統(tǒng)主鏡口徑Φ510mm，厚度為70mm，次鏡口徑為Φ250mm，厚度為30mm，鏡片外側(cè)設(shè)計有凸臺，便于結(jié)構(gòu)安裝的同時還可以保證結(jié)構(gòu)對鏡片的壓力不會直接作用于反射表面，可以有效保證鏡面面型良好。

由于平行光管工作溫度范圍為18℃~28℃，因此需要對平行光管反射鏡增加公差并在溫度變化下進(jìn)行像質(zhì)分析。單個反射鏡面型加工精度為1/40λ，可以將反射鏡的面型在CODEV中進(jìn)行Zernike多項式進(jìn)行擬合。再將光機(jī)設(shè)計結(jié)果帶入到Ansys軟件中進(jìn)行有限元分析，可以分析出主鏡座和次鏡座的應(yīng)力及位移量，還可以得到鏡面變形的變化量。將光學(xué)反射鏡有限元分析的結(jié)果通過Zernike多項式進(jìn)行擬合，擬合后得到18℃~28℃情況下光學(xué)反射鏡面型的Zernike系數(shù)，將Zernike系數(shù)帶入到CODE V軟件中進(jìn)行仿真，即可得到最終的在18℃~28℃環(huán)境下配有公差的光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。

圖6   18℃主鏡面型圖

圖7   18℃次鏡面型圖

圖8   23℃主鏡面型圖

圖9   23℃次鏡面型圖

圖10             28℃主鏡面型圖

圖11             28℃次鏡面型圖

在18℃~28℃主鏡面型變化RMS值為1.6nm，次鏡面型變化RMS值為0.3nm。

根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)隨溫度變化的仿真結(jié)果，18℃時，該系統(tǒng)最大位移量為0.003mm；23℃時，該系統(tǒng)最大位移量為0.0027mm，28℃時，該系統(tǒng)最大位移量為0.0024mm，對平行光管平行度造成影響可以忽略。

將上述有限元分析的結(jié)果通過Matlab進(jìn)行計算得到光學(xué)鏡面變形后的Zernike系數(shù)，將Zernike系數(shù)和光管整體位移變化量帶入到軟件中，得到在18℃~28℃內(nèi)得到光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)變化如下圖所示。由圖可知，在18℃環(huán)境下光學(xué)系統(tǒng)在8lp/mm處MTF下降值不超過0.1，中心視場點(diǎn)列圖彌散斑直徑為0.008μm，邊緣視場點(diǎn)列圖彌散斑直徑為0.03μm，在28℃環(huán)境下光學(xué)系統(tǒng)在8lp/mm處MTF下降值不超過0.1，中心視場點(diǎn)列圖彌散斑直徑為0.020μm，邊緣視場點(diǎn)列圖彌散斑直徑為0.016μm，在18℃~28℃環(huán)境下光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量均滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

圖12             8℃時平行光管點(diǎn)列圖

圖13             18℃時平行光管MTF圖

圖14             23℃時平行光管點(diǎn)列圖

圖15             23℃時平行光管MTF圖

圖16             28℃時平行光管MTF圖

圖17             28℃時平行光管MTF圖

準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)采用離軸兩反形式的光學(xué)系統(tǒng)，設(shè)計要求主鏡口徑不小于Φ500mm。為保證目標(biāo)視場成像質(zhì)量要求，系統(tǒng)F數(shù)需要足夠大，光學(xué)系統(tǒng)焦距不小于5000mm。依據(jù)任務(wù)提出方提供的要求，設(shè)計了適用于測試系統(tǒng)的多波段復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)。

2.光管機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)

光機(jī)系統(tǒng)主要包括：離軸拋物面反射鏡、平面反射鏡和支撐結(jié)構(gòu)。其中平行光管支撐結(jié)構(gòu)包括底板、外罩、前后支板、主鏡座和次鏡座。底板、外罩和前后支板構(gòu)成封閉空間，內(nèi)部噴涂亞光黑漆，可以屏蔽雜散光對系統(tǒng)使用的影響,在此基礎(chǔ)上設(shè)置相應(yīng)消雜光光闌。其中底板是固定在光學(xué)平臺上，滿足系統(tǒng)安裝的剛性要求。外罩采用插板式結(jié)構(gòu)，選擇硬鋁合金材料，通過線切割加工出光闌支撐板的安裝位置，光管內(nèi)部進(jìn)行表面處理，實現(xiàn)防銹功能。外罩通過螺釘與底板、前后支板連接安裝，構(gòu)成封閉空間。前后支板選用硬鋁合金材料。前支板設(shè)置在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的光闌位置，開有通光孔，通光孔直徑為Φ500mm，保證中心高與光管光軸重合。

(1)主鏡座結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于主鏡口徑較大，主鏡采用四周支撐5點(diǎn)粘接的方式，安裝時把主鏡鏡室放置水平，把主鏡放入鏡室內(nèi)輔助工裝上；再用鏡室側(cè)面均勻分布的三個輔助側(cè)支撐固定主鏡（輔助支撐為了使主鏡翻轉(zhuǎn)時安全，并且使鏡片位置不會發(fā)生變化），同時用均布的三個彈性壓塊對平面鏡進(jìn)行軸向定位。主鏡的上下微調(diào)采用鋼帶兩側(cè)的鎖緊螺母來調(diào)整。鏡架底座上加工有4個環(huán)形腰槽，對主鏡的角度位置進(jìn)行調(diào)整。主鏡示意圖如下圖所示：

圖18             主鏡座結(jié)構(gòu)圖

為保證18℃~28℃的環(huán)境下，主鏡的位移量最小，為達(dá)到長期穩(wěn)定性，主鏡架應(yīng)經(jīng)過熱處理退火和震動消應(yīng)力處理和時效處理；鏡架須有足夠的剛度和強(qiáng)度，通過軟件在計算機(jī)上對其進(jìn)行了分析，得出位移（圖）應(yīng)力（圖）分析如下：

圖19              28℃主鏡機(jī)應(yīng)力示意圖

圖20             23℃主鏡機(jī)構(gòu)應(yīng)力示意圖

圖21             18℃主鏡機(jī)構(gòu)應(yīng)力示意圖

圖22             28℃主鏡主鏡機(jī)構(gòu)位移示意圖

圖23             23℃主鏡主鏡機(jī)構(gòu)位移示意圖

圖24             18℃主鏡機(jī)構(gòu)位移示意圖

分析結(jié)果如下：

鏡架支撐面最大位移為9.898×10-3mm，支撐面的面形變化對鏡面的指向變化不產(chǎn)生任何影響。

鏡架最大應(yīng)力為2.5×106N/m2，小于屈服應(yīng)力（2.06×108N/m2）；從分析結(jié)果看出，鏡架剛度完全能夠滿足設(shè)計要求。

（2）次鏡座結(jié)構(gòu)設(shè)計

次鏡座基體材料為鋁合金，可以保證足夠的支撐強(qiáng)度和穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)如下圖所示。采用三點(diǎn)支撐次鏡，反射鏡前方為一虛掩的擋環(huán)，通過調(diào)節(jié)次鏡圓周均勻分布的支板高度，可以對次鏡中心進(jìn)行微量調(diào)整。次鏡座沿光軸方向和垂直方向具有角度調(diào)節(jié)功能。

圖25  次鏡座結(jié)構(gòu)圖

圖26  18℃次鏡應(yīng)力圖

圖27  23℃次鏡應(yīng)力圖

圖28  28℃次鏡應(yīng)力圖

圖29  18℃次鏡位移圖

圖30  23℃次鏡位移圖

圖31  28℃次鏡位移圖

分析結(jié)果如下：

次鏡室的最大位移為6.328×10-4mm。次鏡座的最大應(yīng)力為2.68×106N/m2,小于屈服應(yīng)力（2.06×108N/m2）；從分析結(jié)果看出，次鏡座的剛度完全能夠滿足設(shè)計要求。

3.消雜光設(shè)計

為了提升測試精度，測試系統(tǒng)進(jìn)行了消雜光設(shè)計。在平行光管內(nèi)部噴涂有F952高吸收率黑漆，吸收率可以達(dá)到0.9以上，經(jīng)過多次反射有效吸收率可以達(dá)到0.95以上?？梢杂行掌叫泄夤軆?nèi)部的雜散光，光管光路中還增加了多個雜散光抑制光闌，光闌表面也噴涂有高發(fā)射率黑漆，可以有效消除系統(tǒng)的雜光。

4.具有升降功能的自準(zhǔn)直儀

自準(zhǔn)直儀可以用于自準(zhǔn)直標(biāo)校功能，自準(zhǔn)直儀可以發(fā)出平行光，也可以接收平行光，可以觀察平行光管發(fā)出的可見光目標(biāo)實現(xiàn)自準(zhǔn)直標(biāo)校功能。自準(zhǔn)直儀安裝在可升降支架上，可以通過升降改變自準(zhǔn)直儀的工作高度。

根據(jù)平行光管設(shè)計結(jié)果，光學(xué)系統(tǒng)主鏡口徑達(dá)到510mm，焦距為5000mm，視場角Φ1.6°。根據(jù)以往經(jīng)驗，采用五棱鏡法調(diào)整光路（詳見第5章），平行光管平行度可達(dá)到2″。采用紅外可見光目標(biāo)源同光路設(shè)計，因此紅外可見光目標(biāo)源同軸度為2″。以上指標(biāo)滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

5.系統(tǒng)裝調(diào)

平行光管面臨著溫度變化、大口徑光學(xué)零件難以安裝等問題。采用了低應(yīng)力安裝方式，實現(xiàn)大口徑光學(xué)元件低應(yīng)力安裝及固定。

在平行光管焦面確定時，需保證其具有較高的平行度指標(biāo)，以保證測試的準(zhǔn)確度。特別針對子午面和弧矢面兩個平面內(nèi)平行光管平行度的校準(zhǔn)，一般采用五棱鏡的方法對平行光管進(jìn)行裝調(diào)，將五棱鏡放置在平移導(dǎo)軌上，通過控制器控制平移導(dǎo)軌在光管出口處進(jìn)行左右移動，確定平移導(dǎo)軌平移行程，以滿足全口徑測試要求；將自準(zhǔn)直儀調(diào)節(jié)對準(zhǔn)五棱鏡，使其反射光線進(jìn)入自準(zhǔn)直儀，從自準(zhǔn)直儀中觀察到光管的目標(biāo)像；通過控制器控制平移導(dǎo)軌在光管出口左右移動，從自準(zhǔn)直儀中讀取左端角度與右端角度值，其角度值差值為平行度值，經(jīng)過多次測試取其平均值，得到平行度測試結(jié)果，根據(jù)以往經(jīng)驗，可以保證平行度達(dá)到2″。如下圖所示，特別給出了平行光管出口處X方向（子午面）和Y方向（弧矢面）的平行度測量示意圖。

圖32 光學(xué)不平行度測量示意圖

以上案例僅供參考，具體參數(shù)可根據(jù)實際情況調(diào)整