吳文斌，常金彪，邱亞峰

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 南京 210094)

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可見光靶源光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

吳文斌，常金彪，邱亞峰

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 南京 210094)

飛機(jī)偵察系統(tǒng)性能判斷是通過野外與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試兩種方式進(jìn)行驗(yàn)證的。在實(shí)驗(yàn)室建立可見光靶源，放置在二維轉(zhuǎn)臺(tái)上，利用鹵素?zé)簟⒚儡姌?biāo)靶源、光學(xué)系統(tǒng)模擬遠(yuǎn)距離目標(biāo)，在規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出可見光靶源光學(xué)系統(tǒng)。通過光路設(shè)計(jì)、溫度場(chǎng)分析，計(jì)算出光路束散角，設(shè)計(jì)出光闌孔，分析溫度變化對(duì)光學(xué)鏡片的影響，通過精密測(cè)微自準(zhǔn)直儀檢測(cè)，所有形變量均為微米級(jí)，驗(yàn)證了其光學(xué)設(shè)計(jì)的可靠性，滿足飛機(jī)偵察系統(tǒng)的測(cè)試要求。

光學(xué)系統(tǒng)；靶源；濾光片架；光闌小孔盤；溫度場(chǎng)分析

引言

在野外試驗(yàn)場(chǎng)地常使用軍車、坦克及人作為目標(biāo)，飛機(jī)在指定高度飛行并探測(cè)與識(shí)別，根據(jù)探測(cè)圖像來評(píng)判飛機(jī)偵察系統(tǒng)性能[2]。實(shí)驗(yàn)室中可見光靶源必須放置在二維轉(zhuǎn)臺(tái)上，利用靶板和光學(xué)系統(tǒng)仿真出各種空間位置，來滿足整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

系統(tǒng)要求其出光口徑φ100 mm(有效出光口徑不小于φ80 mm)，光不平行度2′。出光口的直徑大小關(guān)系著可見光靶源的模擬對(duì)象特征，可見光靶源利用鹵素?zé)?、美軍?biāo)靶源、光學(xué)系統(tǒng)模擬遠(yuǎn)距離目標(biāo)[1]，研究制定了如下光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案：

1) 系統(tǒng)利用鹵素?zé)糇鳛楣庠础?/p>

2) 設(shè)計(jì)可插換美軍靶板及可旋轉(zhuǎn)光闌孔控制光路束散角，靶板位于光路焦點(diǎn)位置。

3) 采用多個(gè)反射鏡及離軸鏡構(gòu)成反射式平行光管，模擬空間距離[3-4]。

1 光學(xué)系統(tǒng)原理圖

按照這一方案設(shè)計(jì)一套光學(xué)系統(tǒng)，由鹵素?zé)?、靶板、可調(diào)光闌、三組光學(xué)鏡架、小反射鏡、離軸鏡、大反射鏡、三組擋光板、光學(xué)箱構(gòu)成，美軍標(biāo)靶板如圖1所示。可見光靶源二維、三維光路原理圖如圖2所示。

圖1 美軍標(biāo)靶Fig.1 US army target

圖2 光學(xué)系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of optical system

2 光路設(shè)計(jì)及濾光片架、光闌小孔盤設(shè)計(jì)

2.1 光路設(shè)計(jì)

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)類似于牛頓反射原理，使用離軸拋物面反射鏡與多個(gè)平面反射鏡構(gòu)成的反射式平行光管[5]，放置于系統(tǒng)光學(xué)暗箱中，如圖2所示。靶板位于離軸拋物面反射鏡的焦面，鹵素?zé)魧邪逭樟粒怅@控制光路束散角。經(jīng)過光闌出射的靶源圖像被小反射鏡反射后入射到離軸拋物面反射鏡上，形成平行光并反射，該平行光再經(jīng)過大反射鏡發(fā)射出去，形成可見光靶源。3個(gè)反射鏡采用銀膜，外加石英保護(hù)膜，在3 μm～6 μm處的反射率為97%。平面反射鏡面形精度小于λ/10，小平面反射鏡尺寸為40 mm×30 mm，大平面反射鏡尺寸為155 mm×100 mm。離軸拋物面反射鏡的焦距為700 mm，直徑為100 mm，離軸量為68 mm，彌散斑直徑小于0.02 mm。當(dāng)光闌孔徑為φ0.4 mm時(shí)，形成的束散角如公式(1)所示：

(1)

由(1)式可見，形成的束散角為1.9′，符合技術(shù)要求。

光路各器件放置于光學(xué)暗箱內(nèi)，光學(xué)暗箱采用鋁板制作，其中底部采用厚度10 mm的鋁板，用于固定和調(diào)節(jié)各光學(xué)元件的專用支撐結(jié)構(gòu)。在光路的傳輸路徑中，設(shè)置多重遮光罩和擋光板，以保證圖像質(zhì)量，光學(xué)暗箱內(nèi)壁烤漆后粘貼黑色絨布，降低內(nèi)部雜散光產(chǎn)生的噪聲[6]。

2.2 濾光片和靶板架設(shè)計(jì)

濾光片和靶板架的主要功能：固定、安裝、保護(hù)濾光片和靶板及其更換簡(jiǎn)潔可靠。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)濾光片和靶板及整個(gè)光學(xué)箱處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，易發(fā)生濾光片、靶板脫落，影響系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，所以設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮。

濾光片和靶板安裝于鋁制抽插片之中，采用螺紋壓片式安裝。濾光片和靶板抽插片插于濾光片和靶板架之中，整個(gè)濾光片和靶板架用螺釘固定于光學(xué)箱面板之上。濾光片和靶板架的前段與鹵素?zé)艄庠催B接，留有限位孔及限位端面，如圖3所示。

圖3 濾光片、靶板裝置三維示意圖Fig.3 3d sketch of target board device

2.3 光闌小孔盤設(shè)計(jì)

光闌小孔盤利用小孔光闌片控制束散角[7]，光闌小孔設(shè)置了多種口徑擋板和盲板，安裝于轉(zhuǎn)盤之上。光闌盤除了安裝小孔片外還得有定位作用，當(dāng)撥到某個(gè)小孔時(shí)應(yīng)該將其固定，在系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)過程中不應(yīng)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)或晃動(dòng)。

如圖4所示，光闌小孔盤由光闌小孔轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)盤軸承、固定螺栓、小孔片、鎖緊螺栓、彈簧、定位鋼球、定位夾具、尼龍隔片、后面板、尼龍襯套組成。定位裝置由定位夾具、鋼球、彈簧、鎖緊螺栓及轉(zhuǎn)盤自身組成，定位夾具、鋼球、彈簧、鎖緊螺栓形成一個(gè)有阻尼的彈性裝置。小孔盤背部設(shè)計(jì)有輻射狀定位槽，當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)至特定位置時(shí)彈簧鋼球彈起卡定位置，保證點(diǎn)光源的位置精度。光闌小孔盤背面及其與濾光片架裝配示意圖如圖5所示。

圖5 光闌小孔盤示意圖Fig.5 Sketch of aperture small hole plate

2.4 光學(xué)鏡片的溫度場(chǎng)分析

光學(xué)鏡片是光路的主要構(gòu)成部件，小反射鏡片對(duì)光源進(jìn)行第一次反射，反射后的光入射到離軸拋物面鏡上，形成平行光，通過大反射鏡對(duì)平行光進(jìn)行反射，反射后從出光口出射，形成面源。在極端溫度環(huán)境下，鏡片表面會(huì)形成不均勻形變，改變?cè)瓉矸瓷涿娴募夹g(shù)參數(shù)，因此需對(duì)光學(xué)鏡片進(jìn)行溫度場(chǎng)分析。

本系統(tǒng)要求的工作環(huán)境溫度為-10 ℃～+40 ℃，設(shè)定室溫為20 ℃，對(duì)系統(tǒng)中3個(gè)光學(xué)鏡片進(jìn)行溫度場(chǎng)分析。三鏡片均為鍍銀鏡片，室溫環(huán)境下表面可以計(jì)為理想平面或離軸鏡面。在ANSYS溫度場(chǎng)模式進(jìn)行瞬態(tài)加熱分析，其參數(shù)設(shè)置如表1所示。分別設(shè)定+20 ℃～+40 ℃、+20 ℃～-10 ℃并施加對(duì)流熱載荷，時(shí)間設(shè)為10 min。得到3組分析云圖，分別如圖6～圖8所示。

表1 光學(xué)鏡片熱性能系數(shù)

圖6 小反射鏡+20 ℃～+40 ℃、+20 ℃～-10 ℃形變?cè)茍DFig.6 Deformation nephogram of small mirror at +20 ℃～+40 ℃ and +20 ℃～-10 ℃

圖7 大反射鏡+20 ℃～+40 ℃、+20 ℃～-10 ℃形變?cè)茍DFig.7 Deformation nephogram of big mirror at +20 ℃～+40 ℃ and +20 ℃～-10 ℃

圖8 離軸反射鏡+20 ℃～+40 ℃、+20 ℃～-10 ℃形變?cè)茍DFig.8 Deformation nephogram of off-axis mirror at +20 ℃～+40 ℃ and +20 ℃～-10 ℃

從上組圖分析結(jié)果可以看出,小反射鏡+20 ℃～+40 ℃、+20 ℃～-10 ℃的形變量分別為0.161×10-10m、0.57×10-10m，大反射鏡+20 ℃～+40 ℃、+20 ℃～-10 ℃的形變量分別為0.345×10-5m、0.267×10-6m，離軸反射鏡+20 ℃～+40 ℃、+20 ℃～-10 ℃的形變量分別為0.882×10-5m、0.557×10-6m。所有形變量均為微米級(jí)附近，相對(duì)于700mm的焦距，其誤差不足以對(duì)系統(tǒng)精度產(chǎn)生影響，可以忽略[8]。且工作時(shí)系統(tǒng)本身即為熱源，光學(xué)系統(tǒng)環(huán)境溫度介于室內(nèi)環(huán)境溫度的上下值之間，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

在制定光路原理方案的基礎(chǔ)上，對(duì)可見光靶源光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)并進(jìn)行可靠性分析。光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為以下2個(gè)部分：光路設(shè)計(jì)、光學(xué)配套機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。光路設(shè)計(jì)完成了整體光路原理性設(shè)計(jì)，決定了系統(tǒng)的大框架；配套機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是為實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)，包括了濾光片、靶板架設(shè)計(jì)、光闌小孔盤設(shè)計(jì)、構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)的主體框架。運(yùn)用有限元及溫度場(chǎng)分析方法對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的可靠性、溫度場(chǎng)下形變對(duì)光路精度的影響做了詳細(xì)分析，保證了光學(xué)系統(tǒng)的可靠性。

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Design and analysis of optical system about visible light source target

Wu Wenbin, Chang Jinbiao, Qiu Yafeng

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

The evaluation of aircraft reconnaissance system was executed by wild test and laboratory test. We created the visible light target in laboratory, then put it on an two-dimensional turntable to simulate a long-distance target, utilizing halogen lamp, US army target source and optical system. The optical system of visible light target source was designed to meet the required technical indicators. The light beam angle was calculated and the diaphragm hole was designed on the foundation of light path design and temperature field analysis. The temperature variation’s impact on optical lens was analyzed to verify the reliability of the optical design. Results show that the testing requirement of aircraft reconnaissance system could be met.

optical system； target resource； filter holder；diaphragm hole plate；analysis of temperature field

1002-2082(2015)01-0114-05

2014-04-16；

2014-09-12

吳文斌(1991-)，男，江西貴溪人，碩士研究生，主要從事光機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。E-mail: 793438562@qq.com

TN202

A

10.5768/JAO201536.0105005