程向明，陳林飛，許 駿，柳光乾，樓 柯，鄧林華，付 玉

(1.中國科學(xué)院國家天文臺云南天文臺，云南 昆明 650011;2.中國科學(xué)院研究生院，北京 100049)

YNST坐落于云南省昆明市東南60 km的撫仙湖畔，是目前國內(nèi)唯一的地平式真空太陽望遠(yuǎn)鏡。YNST配備先進(jìn)的光譜儀，可以進(jìn)行太陽精細(xì)結(jié)構(gòu)的光譜測量，建成后將大大促進(jìn)我國太陽物理領(lǐng)域的發(fā)展。為了得到太陽的精細(xì)結(jié)構(gòu)光譜，該望遠(yuǎn)鏡的跟蹤精度要求很高(0.3″/30 s、1″/10 min)，僅靠碼盤導(dǎo)行已經(jīng)難以滿足如此高的跟蹤要求，因此采用光電導(dǎo)行系統(tǒng)以滿足所要求的跟蹤精度［1］。

YNST光電導(dǎo)行鏡是光電導(dǎo)行系統(tǒng)的重要組成部分。光電導(dǎo)行系統(tǒng)的主要功能有進(jìn)行光電導(dǎo)行;全日面太陽活動監(jiān)測;參與主鏡光軸校正［1］。導(dǎo)行鏡與光電導(dǎo)行系統(tǒng)見圖1。

圖1 YNST光電導(dǎo)行系統(tǒng)示意圖Fig.1 Illustration of the guiding system of the YNST

由圖1可以看出，導(dǎo)行鏡在光電導(dǎo)行系統(tǒng)中具有重要作用，光電導(dǎo)行系統(tǒng)的所有功能均需要導(dǎo)行鏡的參與，導(dǎo)行鏡光機(jī)系統(tǒng)的性能將直接影響光電導(dǎo)行系統(tǒng)的工作。

根據(jù)光電導(dǎo)行鏡的功能特點和要求，本文設(shè)計了導(dǎo)行鏡的機(jī)械結(jié)構(gòu)。為確保系統(tǒng)的光學(xué)質(zhì)量，選擇了適當(dāng)?shù)亩ㄎ慌c固定方式實現(xiàn)導(dǎo)行鏡光學(xué)元件的夾持;為了克服溫度變化造成離焦，采取了被動式無熱化設(shè)計，保證導(dǎo)行鏡的溫度適應(yīng)性，與電控穩(wěn)焦相比結(jié)構(gòu)簡單，易于使用。對太陽輻射導(dǎo)致的熱變形計算表明，無熱化設(shè)計是有效的;鏡體彎沉計算表明，鏡體剛度設(shè)計結(jié)果滿足系統(tǒng)需求。

1 光電導(dǎo)行鏡光路與機(jī)械設(shè)計要求

1.1 導(dǎo)行鏡光路

光電導(dǎo)行系統(tǒng)中心波長為430 nm，光學(xué)設(shè)計的理論分辨率2.5″，接近衍射極限。光電導(dǎo)行鏡的光路見圖2，圖中，1、2為透鏡，3為分光棱鏡，4為濾光片，5為相機(jī)。

圖2 YNST導(dǎo)行鏡光路示意圖Fig.2 The optical layout of the guiding telescope of the YNST

導(dǎo)行鏡的主鏡焦比為8.8，CMOS相機(jī)靶面尺寸為7 mm×10.5 mm，視場約為1°×1.5°(矩形)，導(dǎo)行鏡的光學(xué)系統(tǒng)與探測器經(jīng)過匹配，靶面四分之一的面積(30'×45')即可滿足全日面成像的要求，滿足光電導(dǎo)行系統(tǒng)的要求。

為免鏡筒內(nèi)空氣擾動影響像質(zhì)，導(dǎo)行鏡需要設(shè)計成真空鏡筒，真空度參考YNST主鏡真空度要求(0.1托)。

1.2 性能要求

根據(jù)光電導(dǎo)行鏡功能特點，導(dǎo)行鏡的機(jī)械設(shè)計應(yīng)滿足如下要求:

(1)保證光路的正確實現(xiàn)，元件的固定應(yīng)當(dāng)穩(wěn)固可靠;

(2)環(huán)境溫度變化不影響導(dǎo)行功能的實現(xiàn);

(3)鏡筒彎沉不影響光軸校正;

(4)具有指向調(diào)節(jié)功能，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)應(yīng)便于操作，簡單可靠;

(5)保證導(dǎo)行鏡鏡筒內(nèi)所要求的真空度。

2 光電導(dǎo)行鏡機(jī)械設(shè)計

2.1 設(shè)計要求分析

只有將導(dǎo)行鏡的性能要求轉(zhuǎn)化為具體的設(shè)計目標(biāo)，才便于進(jìn)行機(jī)械設(shè)計。

首先，元器件的夾持結(jié)構(gòu)應(yīng)按照光學(xué)設(shè)計給定的元件位置尺寸要求設(shè)計，并且應(yīng)簡單可靠;其次，溫變環(huán)境可能導(dǎo)致系統(tǒng)的離焦，從而影響像質(zhì)不利于導(dǎo)行鏡功能實現(xiàn)，因此要從設(shè)計方案上想辦法克服;再次，鏡筒彎沉影響光軸校正，這要求賦予鏡體結(jié)構(gòu)足夠的剛度以控制形變;第四，指向調(diào)節(jié)功能應(yīng)連接可靠，調(diào)節(jié)簡便;第五，因有真空度要求，所以設(shè)計時要考慮密封;此外，還需要考慮雜散光抑制、材料的選擇等問題。

概括起來，導(dǎo)行鏡的設(shè)計可以分解為以下幾個方面:

(1)各光學(xué)元件的夾持結(jié)構(gòu)設(shè)計;

(2)消熱結(jié)構(gòu)設(shè)計;

(3)鏡筒剛度設(shè)計;

(4)指向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計;

(5)密封設(shè)計;

(6)雜散光的抑制;

(7)材料的選擇。

基于功能語言學(xué)對于語言的概念、人際和組篇三大元功能的分析，Kress & van Leeuwen將這些功能拓展到視覺圖像的領(lǐng)域，并構(gòu)建了相應(yīng)的圖像語法體系。 本節(jié)運用該理論對漫畫1和漫畫2進(jìn)行重點闡釋。

導(dǎo)行鏡總體結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 YNST導(dǎo)行鏡結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Illustration of the structure of the guiding telescope of the YNST

2.2 密封設(shè)計

由于擔(dān)心導(dǎo)行鏡鏡體內(nèi)空氣湍流影響像質(zhì)，提出了真空鏡筒的設(shè)想。因此導(dǎo)行鏡要做真空密封設(shè)計。

對于真空密封，通常采用O形橡膠圈密封，密封結(jié)構(gòu)采用平面榫槽密封面［2］。橡膠密封圈可采用邵氏硬度為55～65的丁腈橡膠或氯丁橡膠密封圈。

有資料表明［3－4］，澄江觀測地的年極端最高氣溫約33℃，極端最低氣溫約－2℃，給定導(dǎo)行鏡設(shè)計環(huán)境溫度為－10～40℃，因此不需特別的高溫或低溫密封圈。

對于導(dǎo)行鏡，如果能夠做到整體密封是最理想的，但是考慮到具體情況，不適合整體密封。CMOS相機(jī)和激光器的電纜線和數(shù)據(jù)線需要與外界相連，難以實現(xiàn)有效密封。而且上述兩部分光路光程很短，不密封對光學(xué)性能影響較小，因此確定僅將光路的大部分也就是鏡體部分納入密封設(shè)計，密封范圍見圖4。

從圖中可以看出，密封范圍包括:主鏡處、激光光路接入處、濾光片以及真空閥接口處。各處密封均采用O形圈密封。為了便于密封，需要在主鏡之前和激光光路接入處增加密封窗。濾光片是平板玻璃，可以兼具密封窗的功能。

2.3 消熱結(jié)構(gòu)設(shè)計

隨著結(jié)構(gòu)體溫度的變化，結(jié)構(gòu)尺寸會因材料的膨脹和收縮而變化，從而引起元件的相對位置發(fā)生變化。如果位置變化較大，就可能影響光學(xué)系統(tǒng)的性能。

導(dǎo)行鏡的工作溫度范圍是－10～40℃，加上太陽輻照造成結(jié)構(gòu)溫度不均勻，可能導(dǎo)致相機(jī)靶面與焦面嚴(yán)重不重合。因此要在設(shè)計時考慮適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)方案加以克服。

圖4 YNST導(dǎo)行鏡密封示意圖Fig.4 Illustration of the seal of the guiding telescope of the YNST

由于光學(xué)系統(tǒng)并未針對溫度變化進(jìn)行設(shè)計，從可靠性與復(fù)雜程度兩方面綜合考慮，決定采用機(jī)械被動式無熱化技術(shù)。

本文采用的機(jī)械被動式無熱化機(jī)構(gòu)參見圖5。

圖5 無熱化結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Illustration of the structure for athermalization

欲滿足溫度變化時不產(chǎn)生離焦，需滿足如下條件:

式中，L0為鏡體特征長度;L1為主鏡座特征長度;L2為相機(jī)座特征長度;α0為鏡體膨脹系數(shù);α1為主鏡座膨脹系數(shù);α2為相機(jī)座材料膨脹系數(shù)。

2.4 光學(xué)元件夾持設(shè)計

由導(dǎo)行鏡光路圖可知，導(dǎo)行鏡涉及的光學(xué)元件有光學(xué)主鏡、分光棱鏡、濾光片、密封光窗等，此外還有CMOS相機(jī)也需要設(shè)計安裝結(jié)構(gòu)。激光器、激光器透鏡的安裝結(jié)構(gòu)暫未設(shè)計，但留出了安裝接口。

對光學(xué)儀器而言，光學(xué)元件的夾持應(yīng)保證位置和姿態(tài)的準(zhǔn)確。根據(jù)設(shè)計要求，各元件的安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果介紹如下。

2.4.1 主鏡夾持結(jié)構(gòu)設(shè)計

導(dǎo)行鏡的主鏡為雙分離透鏡，兩塊透鏡有較高的同軸度要求和間隔要求。為了便于安裝，采用隔圈實現(xiàn)透鏡間隔的確定。為了減小接觸應(yīng)力，隔圈兩側(cè)分別采用相切與超環(huán)面設(shè)計。透鏡整體采用螺紋壓圈進(jìn)行固定。

2.4.2 分光棱鏡夾持結(jié)構(gòu)設(shè)計

分光棱鏡的安裝采用了半運動學(xué)的夾持方式，靠加工保證位置精度，這種安裝具有一定的調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)能力。

分光棱鏡的夾持結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 分光棱鏡夾持結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure for the gripping of the beam-splitter prism

2.4.3 封窗夾持結(jié)構(gòu)設(shè)計

封窗共有3個，分別是主鏡封窗、激光光路封窗和濾光片。封窗為圓形平板玻璃，采用螺紋壓圈固定，并設(shè)計有O形圈密封結(jié)構(gòu)，封窗壓住密封圈，實現(xiàn)密封功能。

2.4.4 相機(jī)安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

利用CMOS相機(jī)背后的安裝螺孔，將相機(jī)固定在安裝板上，再將安裝板固定于座體上。

作為無熱化結(jié)構(gòu)設(shè)計的一部分，相機(jī)安裝在矩形框架內(nèi)部。同時，這種方式也有利于相機(jī)的保護(hù)。數(shù)據(jù)線和電纜線從矩形框的側(cè)面引出。

2.4.5 激光光路安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到激光器透鏡的位置需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，宜將激光器透鏡和激光器另外安裝，再作為整體裝在鏡身上。

由于激光光路暫不使用，因此僅留出了接口。在該處設(shè)計有密封光窗。

2.5 鏡體剛度設(shè)計

整個導(dǎo)行鏡的質(zhì)量約23 kg，為了保持結(jié)構(gòu)剛度，鏡體壁厚約7 mm，矩形框部分增加了加強(qiáng)筋?？梢员ＷC軸線最大彎沉量小于1″。在10 min內(nèi)，彎沉變化可小于0.1″，滿足導(dǎo)行要求。

2.6 調(diào)焦機(jī)構(gòu)與安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.6.1 調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計

對于光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計，盡管大多數(shù)參數(shù)事先已知曉，但仍有必要設(shè)計調(diào)焦機(jī)構(gòu)來進(jìn)行精密調(diào)焦。根據(jù)瑞利準(zhǔn)則，導(dǎo)行鏡主鏡的焦深為:

式中，δL'為焦深(單邊絕對值);λ為中心波長;U'm為孔徑邊緣光線傾角;D為光闌口徑;l為光闌到焦點距離。

因此所設(shè)計的調(diào)焦機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)精度值至少不大于0.13 mm。由于總體采用無熱化設(shè)計，因此一個手動調(diào)焦機(jī)構(gòu)便足夠了。該調(diào)焦機(jī)構(gòu)采用差動螺紋機(jī)構(gòu)，差動機(jī)構(gòu)的有效螺距為0.25 mm，調(diào)節(jié)螺母周向均布25條刻線，可實現(xiàn)精度不低于0.01 mm的調(diào)焦，完全可以滿足使用要求。調(diào)焦機(jī)構(gòu)有消隙結(jié)構(gòu)。

2.6.2 安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

這里所說的安裝結(jié)構(gòu)，是指將導(dǎo)行鏡安裝到Y(jié)NST主鏡上的結(jié)構(gòu)。

根據(jù)導(dǎo)行鏡的功能，導(dǎo)行鏡的光軸應(yīng)與主鏡光軸平行。采用經(jīng)典的抱箍結(jié)構(gòu)固定導(dǎo)行鏡，結(jié)構(gòu)簡單可靠。

導(dǎo)行鏡安裝在太陽塔主鏡的中間塊上。這個部位是望遠(yuǎn)鏡的重心和轉(zhuǎn)動中心，便于安裝固定。

2.7 雜散光抑制設(shè)計

為避免雜散光的影響，主鏡封窗玻璃前留有較長的鏡體，可起遮光罩的作用，鏡筒內(nèi)壁則車制消光螺紋。所有零件表面發(fā)黑處理，僅導(dǎo)行鏡外表面涂白漆。另外，在CCD相機(jī)和棱鏡座上添加了兩個遮光筒，相互交錯，消除可能的雜散光影響。

2.8 材料選擇

根據(jù)無熱化結(jié)構(gòu)的需要，鏡身材料用A3鋼，主鏡座、棱鏡座、和相機(jī)安裝結(jié)構(gòu)采用硬鋁，調(diào)節(jié)帽和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)軸襯為銅合金。

2.9 設(shè)計結(jié)果

導(dǎo)行鏡的外表面涂白色漆，盡量減少對對陽光的吸收。導(dǎo)行鏡實物見圖7。

圖7 導(dǎo)行鏡實物外形Fig.7 Outside view of the guiding telescope of the YNST

經(jīng)實驗測試，導(dǎo)行鏡調(diào)焦功能可靠，成像清晰。

3 太陽輻照下導(dǎo)行鏡熱變形校核

導(dǎo)行鏡的無熱化設(shè)計是基于均勻溫度分布變化的情況的。但實際上，導(dǎo)行鏡鏡體的溫度不可能是均勻分布的，特別是由于YNST導(dǎo)行鏡用于太陽觀測，并且導(dǎo)行鏡具有正對太陽的突起結(jié)構(gòu)，太陽輻照致熱現(xiàn)象比較嚴(yán)重。因此，導(dǎo)行鏡的鏡體結(jié)構(gòu)在觀測過程中溫度的變化遠(yuǎn)較夜天文望遠(yuǎn)鏡大，且溫度分布不均勻。由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)熱變形，可能使成像面與焦面的相對位置發(fā)生較大偏離，產(chǎn)生熱離焦。

YNST光電導(dǎo)行鏡安裝在望遠(yuǎn)鏡主鏡筒上，跟隨望遠(yuǎn)鏡一起運動。由于觀測目標(biāo)是太陽，因此觀測時間在晴朗的白晝，且鏡體軸線與陽光入射線平行，不工作時則被關(guān)閉的圓頂所保護(hù)。在導(dǎo)行鏡工作的時候，導(dǎo)行鏡前方有一個減光模塊，用來衰減太陽光(衰減為萬分之三)。因此光窗、主鏡及鏡體前端面都是受到減弱后的光線垂直照射。另外，由于鏡體軸線與陽光入射線重合，鏡體側(cè)壁不會有陽光照射，而鏡體中間凸起部分與鏡筒軸線垂直的前表面則受到陽光的垂直入射。導(dǎo)行鏡鏡筒內(nèi)抽真空。

由此可知，導(dǎo)行鏡存在的熱交換形式主要為:

(1)太陽光對導(dǎo)行鏡的輻射(分為衰減和不衰減的);

(2)導(dǎo)行鏡與外部空氣的對流換熱;

(3)導(dǎo)行鏡與環(huán)境的輻射換熱;

(4)導(dǎo)行鏡各零部件之間的熱傳導(dǎo)。

采用集成于三維CAD軟件SolidWorks環(huán)境下的COSMOSWork對導(dǎo)行鏡的太陽輻照致熱及熱變形進(jìn)行了計算。典型工況下(低溫狀態(tài))導(dǎo)行鏡的溫度分布與熱變形計算結(jié)果見圖8和圖9。

圖8 低溫狀態(tài)導(dǎo)行鏡體溫度云圖Fig.8 Thermogram of the guiding telescope near a low temperature

圖9 低溫狀態(tài)導(dǎo)行鏡體熱變形云圖Fig.9 Deformograph of the structure of the guiding telescope near a low temperature

計算結(jié)果表明，單純太陽輻射直接造成的熱變形約為7 μm，遠(yuǎn)小于系統(tǒng)焦深，而均勻溫度變化產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形已經(jīng)被無熱化結(jié)構(gòu)所抵消，因此不會造成熱離焦，這也說明無熱化設(shè)計是有效的。

4 鏡筒彎沉校核

鏡筒彎沉是鏡體在自重作用下造成的鏡體彎曲變形。鏡體彎沉的結(jié)果將造成光路的畸變，影響成像質(zhì)量和指向精度。由于結(jié)構(gòu)及重量原因，YNST主鏡筒產(chǎn)生的彎沉可能影響望遠(yuǎn)鏡的指向精度。光電導(dǎo)行系統(tǒng)參與校正這一偏差，其中，導(dǎo)行鏡的彎沉量比主鏡的彎沉小得多，從而成為主鏡彎沉的校準(zhǔn)器。

由于導(dǎo)行鏡在工作時其姿態(tài)在不斷發(fā)生變化，彎沉量也在發(fā)生變化。當(dāng)導(dǎo)行鏡處于水平狀態(tài)時彎沉量最大。一般，在一天的觀測過程中，會有兩次接近最大彎沉。

采用COSMOSWorks對導(dǎo)行鏡鏡筒的最大彎沉進(jìn)行了計算，計算云圖見圖10。計算結(jié)果表明，在重力作用下，鏡筒處于水平狀態(tài)時的總彎沉量約為2.4 μm，相對距離約為600 mm，轉(zhuǎn)角約為0.83″。

在半個觀測時段(約5h)內(nèi)，導(dǎo)行鏡的彎沉從最小(接近0)變化到最大值。因此在10 min內(nèi)，彎沉的變化量約為0.04″，這一結(jié)果可以滿足光軸校正的要求。

圖10 導(dǎo)行鏡彎沉云圖Fig.10 Deflection graph of the guiding telescope

5 結(jié)論

根據(jù)YNST光電導(dǎo)行鏡的功能分析了導(dǎo)行鏡的機(jī)械設(shè)計要求，并據(jù)此進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計。在設(shè)計中采用了機(jī)械被動式無熱化結(jié)構(gòu)，可消除溫度變化造成的離焦。各元件的夾持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。作為校核，計算了導(dǎo)行鏡受陽光輻照導(dǎo)致的熱變形以及導(dǎo)行鏡的最大彎沉，結(jié)果表明設(shè)計結(jié)果滿足性能要求。

致謝:在本文工作中，南京天文光學(xué)技術(shù)研究所薛俊蓀高級工程師、昆明物理所張衛(wèi)峰高級工程師以及成都光電所于學(xué)剛工程師曾給與支持與幫助，在此表示感謝。同時也感謝袁沭、宋佳陽和宋騰飛在本文相關(guān)工作中給予的幫助。

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