張磊，崔啟胤，張凱

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

適應(yīng)大溫差變化的多光軸一致性測(cè)試系統(tǒng)

張磊，崔啟胤，張凱

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

為滿足在野外大溫差環(huán)境下能夠檢測(cè)光電設(shè)備的光軸平行性，基于卡塞格林平行光管結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)研究了一種能夠在-40℃～+55℃環(huán)境溫度下穩(wěn)定工作的多光軸一致性檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)考慮到寬光譜的檢測(cè)需求，可以滿足0.4μm～12μm的光譜覆蓋范圍?；趯?duì)系統(tǒng)溫度穩(wěn)定性的考慮，對(duì)系統(tǒng)的主體工作結(jié)構(gòu)進(jìn)行無熱化設(shè)計(jì)，并利用不同機(jī)械材料匹配的方式對(duì)平行光管進(jìn)行補(bǔ)償，保證在不同溫度情況下系統(tǒng)光束出射平行度偏差始終小于4"。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)具有良好的溫度穩(wěn)定性。

多軸一致性；無熱化；平行光管

隨著光電技術(shù)的不斷發(fā)展，多光譜共光路的光電探測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各種現(xiàn)代化武器平臺(tái)之上［1］。這些多光譜系統(tǒng)大多作為光電瞄具和光電跟蹤測(cè)量設(shè)備，輔助軍用光電系統(tǒng)的精確搜索和打擊。由于這類光電系統(tǒng)大多是融合激光、紅外與可見光等傳感器，這種多傳感器光電系統(tǒng)的一個(gè)特別重要的指標(biāo)就是各個(gè)光軸之間的平行性，該指標(biāo)制約著光電瞄具的精準(zhǔn)度和使用性能［2-4］。在實(shí)際應(yīng)用中，以光電瞄具為例，只有各光路光軸之間的平行性保持在一定精度之內(nèi)，其瞄準(zhǔn)和探測(cè)才有意義，因此對(duì)于含有多光譜多光路系統(tǒng)的光軸平行性的檢測(cè)顯得尤為重要。目前提出的一些針對(duì)多光軸平行性檢測(cè)的裝置只滿足實(shí)驗(yàn)室良好環(huán)境下工作，對(duì)于野外測(cè)試的適應(yīng)性不足［5-8］。

本文基于卡式平行光管，設(shè)計(jì)了一種多光軸一致性檢測(cè)系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行了合理的優(yōu)化，保證了該系統(tǒng)在大溫變環(huán)境下的工作穩(wěn)定性，通過高低溫檢測(cè)實(shí)驗(yàn)證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

1 系統(tǒng)的主體方案

基于對(duì)減輕整個(gè)系統(tǒng)重量、減小系統(tǒng)體積、便于攜帶、保證全光譜范圍使用等問題的考慮，以共軸卡塞格林結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1所示為多光軸一致性測(cè)試系統(tǒng)的主體設(shè)計(jì)方案。

拋物面主鏡與雙曲面次鏡共同構(gòu)成了卡式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，在主鏡后方利用分束鏡將光線分為三路，其中，F(xiàn)1'處安裝全光譜ZnS十字分劃板，用于提供可見光和紅外基準(zhǔn)十字分劃；在F2'處安裝近紅外CCD，用于激光發(fā)射光軸檢測(cè)與可見光自準(zhǔn)；在F3'處安裝帶光纖的全光譜分劃板，可實(shí)現(xiàn)二維掃描，用于檢測(cè)紅外熱像儀、激光測(cè)距機(jī)等光軸間的平行性偏差。

圖1 多光軸一致性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案示意圖

分劃板照明光源采用溴鎢燈,覆蓋波段0.4μm～14μm；近紅外 CCD 響應(yīng)譜段為 1μm～1.7μm，滿足激光在CCD上的成像需求；分光鏡采用ZnS紅外材料為基底，滿足寬光譜工作需求。

整個(gè)系統(tǒng)以卡式平行光管為工作主體，為被測(cè)系統(tǒng)提供無窮遠(yuǎn)目標(biāo)，并且接收被測(cè)系統(tǒng)的出射光線，其測(cè)試精度主要取決于平行光管主體。

2 溫度適應(yīng)性相關(guān)設(shè)計(jì)

野外環(huán)境工作時(shí)，溫差對(duì)系統(tǒng)的精度影響很大，無論是卡式結(jié)構(gòu)主鏡與次鏡受溫度的影響面形產(chǎn)生變化，還是鏡筒結(jié)構(gòu)受溫度影響導(dǎo)致主鏡與次鏡的間距發(fā)生改變，都會(huì)對(duì)平行光管出射光束的平行性產(chǎn)生嚴(yán)重影響［35］。因此在設(shè)計(jì)過程中，必須對(duì)光管結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度適應(yīng)性設(shè)計(jì)［9］。

2.1 密封窗設(shè)計(jì)

為滿足-40℃～+55℃的溫度下的應(yīng)用需求，平行光管內(nèi)部必須進(jìn)行密封充氮，因此需要在平行光管前端放置一塊窗口玻璃。

圖2 窗口玻璃示意圖

所設(shè)計(jì)的窗口玻璃以折射率為1.508的K4王冕玻璃為主體，作為可見光通過窗口，鑲嵌ZnS玻璃，作為紅外光窗口，如圖2所示。兩種材料平板玻璃的楔角需要匹配，經(jīng)過計(jì)算，K4平板玻璃與ZnS平板玻璃的角度關(guān)系為：

其中，β為ZnS平板楔角，β′為K4玻璃楔角，透明ZnS材料在紅外波段折射率取2.178，將ZnS平板玻璃楔角加工為10″，K4平板玻璃應(yīng)加工成約23.2″與之匹配，使引入的平行度偏差不影響系統(tǒng)的性能。

2.2 主要材料選取

（1）鏡筒材料選擇

當(dāng)卡式平行光管的焦距發(fā)生改變時(shí),分劃板十字中心對(duì)應(yīng)的出射光線，將不再嚴(yán)格平行。如圖3為光線平行度偏差示意圖。

圖3 光線平行度偏差示意圖

其中，焦點(diǎn)位置的變化量可以理解為物距x，焦點(diǎn)移動(dòng)后新的焦距為f，分劃板十字中心此時(shí)位于A點(diǎn)（原焦點(diǎn)位置），從而可以得到出射光線與光軸夾角：

所求光軸夾角即為卡式平行光管焦距改變后的平行度偏差θ。

設(shè)計(jì)的主次鏡之間的間距為d=403.23mm，固定分劃板后鏡筒的尺寸l=299.89mm，平行光管的焦距f=2500mm。

表1 不同材料制作鏡筒對(duì)應(yīng)變化量

假設(shè)大溫差ΔT=-60℃（溫度從+20℃室溫變化至-40℃），利用硬鋁、殷鋼和碳纖維三種材料制作鏡筒時(shí)各種變化量如表1所示［10］。

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，使用殷鋼與碳纖維材料制作鏡筒時(shí)，溫度變化引起的光線出射平行度偏差小于1″，同時(shí)考慮減輕系統(tǒng)重量，選擇密度較小的碳纖維材料作為卡式光管結(jié)構(gòu)的鏡筒，制作了長(zhǎng)度為445mm的鏡筒。

（2）反射鏡材料選取

通過比較幾種常用玻璃的熱膨脹系數(shù)，反射鏡采用熱膨脹系數(shù)為0.8×10-7/℃的微晶玻璃。利用Zemax光學(xué)仿真軟件進(jìn)行模擬分析，模擬溫度達(dá)到-40℃時(shí)光學(xué)系統(tǒng)的像差，如表2所示。

表2 溫度在-40℃時(shí)光學(xué)系統(tǒng)的像差

由表2可知，dl和sc均為微小量，且這些像差對(duì)系統(tǒng)的影響極其微小。

2.3 結(jié)構(gòu)熱補(bǔ)償

除了選擇熱穩(wěn)定性良好的制作材料外，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了補(bǔ)償式設(shè)計(jì)［11］，鏡筒采用碳纖維材料，主鏡與次鏡座固定在鏡筒上，次鏡通過次鏡座與鏡筒連接，如圖4所示。

圖4 熱補(bǔ)償結(jié)構(gòu)示意圖

通過多次實(shí)驗(yàn)，得到碳纖維鏡的實(shí)際熱膨脹系數(shù)為0.78×10-6℃，長(zhǎng)度為14.6mm的硬鋁將與445mm長(zhǎng)鏡筒的膨脹量相當(dāng)。利用硬鋁制作反射鏡的支撐結(jié)構(gòu)，其膨脹方向恰與鏡筒相反，保證主次鏡間隔不變。

對(duì)經(jīng)過結(jié)構(gòu)熱補(bǔ)償后的卡式平行光管進(jìn)行有限元分析，如圖5所示。

圖5 卡式結(jié)構(gòu)熱變形云圖

分別提取次鏡和主鏡表面的原始節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和變形后坐標(biāo)，通過擬合程序計(jì)算出兩個(gè)表面分別沿X軸的位移，得到主次鏡剛體位移變化量為3.0714737e-002mm，滿足系統(tǒng)光束出射平行性的要求。

3 溫度穩(wěn)定性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

通過選取熱膨脹系數(shù)小的關(guān)鍵材料，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)償式設(shè)計(jì)，理論上保證了卡式系統(tǒng)的出射光束平行性保持不變。圖6為熱穩(wěn)定性檢測(cè)實(shí)驗(yàn)圖。

利用五棱鏡法檢測(cè)系統(tǒng)出射光束的平行性［12］，被檢驗(yàn)的卡式平行光管放置在高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，五棱鏡與自準(zhǔn)直儀放置在高低溫試驗(yàn)箱外的對(duì)應(yīng)位置。首先在25℃（室溫環(huán)境）下，打開裝置分劃板照明，利用五棱鏡對(duì)光管全口徑進(jìn)行掃描，先后讀取自準(zhǔn)直儀讀數(shù)，測(cè)得光束出射的平行性。然后依次將溫度調(diào)整至-40℃（最低溫度）和50℃（最高溫度），利用同樣方法進(jìn)行測(cè)試。表3、表4、表5為裝置出射光束的平行性檢測(cè)結(jié)果。

圖6 熱穩(wěn)定性檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

表3 出射光束平行性檢測(cè)結(jié)果（25℃）

表4 出射光束平行性檢測(cè)結(jié)果（-40℃）

表5 出射光束平行性檢測(cè)結(jié)果（50℃）

由此可知，所設(shè)計(jì)研究的多光軸平行性檢測(cè)裝置在大溫度變化范圍下，其出射光束平行性偏差始終保持在4"以內(nèi)，具有良好的平行性，熱穩(wěn)定性良好，滿足野外大溫差變化環(huán)境下的使用要求。

4 結(jié)論

基于大溫差環(huán)境變化的問題研究了一種用于多光軸多譜段的光軸平行性檢測(cè)的系統(tǒng)，闡述了整個(gè)系統(tǒng)的總體方案，著重考慮系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性問題，在材料選取上進(jìn)行分析，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用了無熱化設(shè)計(jì)，保證了卡式平行光管在大溫變環(huán)境的工作性能。利用高低溫試驗(yàn)箱模擬野外低溫與高溫的工作環(huán)境對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明系統(tǒng)的光束出射平行性偏差在4"以內(nèi)，系統(tǒng)具有良好的溫度適應(yīng)性。本系統(tǒng)重量輕，體積小，能在溫差變化較大的野外環(huán)境下工作，在光軸檢測(cè)領(lǐng)域具有一定的指導(dǎo)意義。

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Multi-axis Parallelism Measuring System with Temperature Insensitivity

ZHANG Lei,CUI Qiyin,ZHANG Kai
（School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

In order to detect the parallelism of optical axis of photoelectric device accurately in large temperature difference environment，we design a measuring system based on Cassegrain structure.The system is adapt to the temperature range from-40℃to+55℃ with the spectral bandwidth from 0.4μm to 12μm.According to the demand of temperature stability，the athermal structure of the system is analyzed and the compensation by different mechanical materials is carried out.The beam parallel deviation is less than 4"in different temperrature.The experimental result shows that the system has good temperature stability.

multi-axis parallelism；athermalization；collimator

TH741

A

1672-9870（2017）04-0010-04

2017-06-17

張磊（1981-），男，博士，副教授，E-mail：ZhangL@cust.edu.