周學(xué)順，白素平，王鑫

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

中波紅外發(fā)射系統(tǒng)光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與主鏡的分析和檢測

周學(xué)順，白素平，王鑫

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

激光準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在光通信、光測量等領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)對出射激光準(zhǔn)直和擴(kuò)束，減小激光發(fā)散角，增強(qiáng)遠(yuǎn)場激光輻射強(qiáng)度。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和光學(xué)系統(tǒng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了口徑為290mm的卡塞格林式中波紅外發(fā)射系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了主、次鏡裝調(diào)結(jié)構(gòu)，并完成主鏡支撐結(jié)構(gòu)、次鏡支撐結(jié)構(gòu)、透射目鏡支撐結(jié)構(gòu)及其他部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。用ANSYS Workbench對主鏡支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。主鏡面形精度采用ZYGO干涉儀進(jìn)行波像差檢測，得到RMS為0.047λ（λ=4.7μm）。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的中波紅外發(fā)射系統(tǒng)滿足準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)對像質(zhì)的要求，可實(shí)現(xiàn)出射激光的準(zhǔn)直和擴(kuò)束，且結(jié)構(gòu)簡單，易于加工裝調(diào)，具有較高實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

中波紅外發(fā)射；卡塞格林系統(tǒng)；有限元分析；波像差檢測

激光具有光能量集中、方向性和單色性好等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。但激光器輸出的光束具有一定發(fā)散角，在精密測量中，還需用光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)一步提高其準(zhǔn)直性，減小發(fā)散角，改變光斑大小，增強(qiáng)遠(yuǎn)場激光輻射強(qiáng)度［1］。為了滿足激光發(fā)射的要求，本文設(shè)計(jì)了主鏡直徑為290mm的卡塞格林反射式激光準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)，并對主鏡進(jìn)行分析檢測，在滿足光學(xué)系統(tǒng)性能的前提下實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)輕量化和高穩(wěn)定性，并便于裝調(diào)和檢測。

光機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析與檢測是必不可少的。同時(shí)，為避免受自重的影響或?qū)⑦@種影響降低到可接受的限度，系統(tǒng)要在保證剛度的條件下盡可能的減輕質(zhì)量，并保證系統(tǒng)的各個(gè)組件可調(diào)整及方便檢測和裝調(diào)，這對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了較高的要求。

1 系統(tǒng)組成

1.1 總體結(jié)構(gòu)組成

中波紅外發(fā)射系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。主要由卡塞格林系統(tǒng)組成［2］，包括：a次鏡的支撐結(jié)構(gòu)；b遮光罩；c支撐座；d主鏡的支撐結(jié)構(gòu)；e透射目鏡部分的固定結(jié)構(gòu)，f激光器連接件等幾部分［3］。

圖1 中波紅外發(fā)射系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案圖

1.2 光學(xué)系統(tǒng)組成

反射式光學(xué)系統(tǒng)不存在色差和二級光譜，支撐結(jié)構(gòu)簡單，加工制造容易，一般用于口徑較大視場較小的光學(xué)系統(tǒng)［4］，本文的光學(xué)系統(tǒng)口徑為290mm，因此選用反射式光學(xué)系統(tǒng)。充分考慮各種反射系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選用卡塞格林式反射光學(xué)系統(tǒng)。

圖2 中波紅外激光準(zhǔn)直擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)

中波紅外激光準(zhǔn)直擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)為倒置望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)。如圖2所示，由透射目鏡和反射物鏡組成，面S8為中間像面，S1為通光口徑為7mm的孔徑光闌。目鏡部分包括三個(gè)折射球面透鏡E1、E2、E3，其中面S3、S4、S7為球面，面S2、S5、S6為平面；物鏡為卡塞格林結(jié)構(gòu)，主鏡E5為拋物面反射鏡，面S10為反射面，次鏡E4為雙曲面反射鏡，S9為反射面。該系統(tǒng)對4.7μm和3.96μm消色差，對出光口徑7mm，發(fā)散全角10mrad的4.7μm激光光束進(jìn)行準(zhǔn)直擴(kuò)束，激光器出射端口置于中波紅外激光準(zhǔn)直擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)第一片透鏡前表面S2前20mm處，出射光束發(fā)散全角設(shè)計(jì)值為247μrad，出射口徑290mm。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主鏡支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主鏡的支撐結(jié)構(gòu)采用背部支撐［5］，如圖3所示。主鏡采用膠粘的方式固定在鏡座內(nèi)，主鏡座與后座采用多點(diǎn)支撐連接，鏡座外徑與連接筒間留有間隙，不直接接觸，這樣可以避免鏡架變形對主鏡的直接影響，減小了主鏡在使用過程中的變形。后座與主鏡座背部連接，同時(shí)固定在連接筒上，通過結(jié)構(gòu)配合關(guān)系及裝配過程的微調(diào)整保證后座與主鏡的同軸關(guān)系，即保證目鏡、光源與主鏡的同軸關(guān)系。

主鏡座、背板都在主鏡精拋前完成加工，主鏡采用環(huán)氧樹脂膠固定在主鏡座內(nèi)，精加工鏡面時(shí)，帶上背板和主鏡座加工，以防止注膠造成面形變化。

圖3 激光發(fā)射準(zhǔn)直主鏡支撐結(jié)構(gòu)

圖4 次鏡組結(jié)構(gòu)圖

2.2 次鏡支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

次鏡組支撐方式如圖4所示。次鏡組包括次鏡座、次鏡調(diào)整塊、連桿前座。次鏡座采用柔性結(jié)構(gòu)，固定在前調(diào)整塊上，前調(diào)整塊與連桿前座固定，可通過修磨調(diào)整塊來調(diào)整主次鏡軸向間隔。鏡面周邊通過點(diǎn)環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行固定，鏡面進(jìn)行精加工前就將鑲嵌件和鏡面作為一體，這樣在鏡面精加工后就可避免次鏡粘膠固定過程引起的鏡面面形變化。

圖5 發(fā)射系統(tǒng)主次鏡及后座連接結(jié)構(gòu)

圖5為發(fā)射系統(tǒng)主次鏡及后座連接結(jié)構(gòu)［6］。次鏡組通過圓周均布的三個(gè)連接桿和連桿后座連接，連桿后座固定在連接筒上?？赏ㄟ^精修調(diào)整塊及連桿前、后座來調(diào)整次鏡的位置，保證次鏡與主鏡同軸且控制其垂直位置。連接桿后座固定在連接筒上。最后遮光罩固定在連接筒上，整體固定結(jié)構(gòu)對主鏡、次鏡位置、面形不產(chǎn)生直接影響，可將負(fù)面影響降到最低。安裝結(jié)構(gòu)均采用鋁合金材料，保持溫度變化等因素對鏡面的影響一致［7］。

2.3 目鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

準(zhǔn)直發(fā)射系統(tǒng)的目鏡組中單個(gè)透鏡采用螺紋壓圈進(jìn)行固定，現(xiàn)有機(jī)械加工水平，能夠保證位置公差在±0.02mm，元件傾斜在1′以內(nèi)。在鏡面加工中為保證同軸度，鏡面加工的外圓尺寸都為12mm，因此透射目鏡中的三個(gè)折射透鏡均采用壓圈的固定安裝結(jié)構(gòu)，其中機(jī)械靠面和外鏡筒一起，通過結(jié)構(gòu)加工保證每個(gè)透鏡和光軸的垂直度。

目鏡筒結(jié)構(gòu)如圖6所示，目鏡筒通過螺釘固定于主鏡后框架上。在裝調(diào)時(shí)沿軸向距離可以通過墊片進(jìn)行調(diào)整。

圖6 發(fā)射系統(tǒng)目鏡筒結(jié)構(gòu)

3 主鏡支撐結(jié)構(gòu)的分析與檢測

3.1 主鏡支撐結(jié)構(gòu)分析

卡式光學(xué)系統(tǒng)主次鏡的面形精度及裝配精度對光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量有著非常重要的影響，而其中主鏡的裝調(diào)質(zhì)量會極大地影響整個(gè)系統(tǒng)的成像水平［8］，因此需要分析主鏡在支撐狀態(tài)下的面形。將主鏡支撐結(jié)構(gòu)的三維模型從UG導(dǎo)入ANSYS Workbench中，定義主鏡和主鏡座的材料為鋁合金（7075），定義兩者間的接觸類型為Bonded。六面體網(wǎng)格是結(jié)構(gòu)中最穩(wěn)定的單元，因此盡量使用正六面體網(wǎng)格和四邊形網(wǎng)格。對主鏡切分用Sweep的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，主鏡座選用Automatic的方法［9］，共劃分單元18648個(gè)，共有節(jié)點(diǎn)48708個(gè)，劃分有限元模型如圖7所示。分析主鏡在重力下的變形，主鏡及主鏡筒約重9.68kg，選擇主鏡座背部上與后座相連接的六個(gè)螺紋孔作為約束，約束類型為Fixed Support，進(jìn)行靜力學(xué)分析，應(yīng)變云圖如圖8所示。主鏡在豎直放置下的最大變形為0.1171μm，出現(xiàn)在主鏡座上方外徑處，主鏡RMS為0.065μm。

圖7 有限元網(wǎng)格模型

圖8 豎直支撐狀態(tài)下主鏡變形云圖

3.2 波像差檢測

激光發(fā)射系統(tǒng)的主體是兩反的卡式物鏡，因此測試時(shí)對于中波激光準(zhǔn)直發(fā)射系統(tǒng)的測試是相對于物鏡而言的。激光發(fā)射系統(tǒng)波像差檢測采用紅外干涉儀進(jìn)行，本文選用ZYGO干涉儀測試［10］。測試原理如圖9所示，干涉儀檢測原理為光的干涉原理，即通過本征光和信號光的干涉條紋解算信號光束與本征光束之間的波面差異。測試過程如下：

（1）打開氣浮，將調(diào)整架、標(biāo)準(zhǔn)鏡、干涉儀按照圖10所示放置固定；

圖9 激光發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)波像差檢測原理圖

圖10 波像差檢測裝置圖

（2）ZYGO干涉儀換上平面標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，讓其和平面標(biāo)準(zhǔn)鏡做自準(zhǔn)直（口徑大于310mm），調(diào)整干涉儀五維調(diào)整架高低，使出射光束口徑中心位置和平面標(biāo)準(zhǔn)鏡中心位置盡量重合，偏差不超過10mm；

（3）調(diào)整干涉儀旋轉(zhuǎn)和俯仰，使得從平面標(biāo)準(zhǔn)鏡反射回的干涉光束與干涉儀內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)光源相干，并將干涉圖調(diào)至零條紋或一個(gè)條紋，完成干涉儀和標(biāo)準(zhǔn)鏡對準(zhǔn)；

（4）干涉儀換上F數(shù)位3.3的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，將發(fā)射物鏡系統(tǒng)固定于調(diào)整架上，調(diào)整調(diào)整架的Z軸（光軸方向），使得干涉儀發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)球面波球心位于理論設(shè)計(jì)的物鏡焦面位置附近；

（5）調(diào)整六維調(diào)整架的高低和左右，使得干涉儀發(fā)出的球面波基本成對稱狀態(tài)通過主鏡中心孔；

（6）調(diào)整六維調(diào)整架的俯仰，使得干涉儀發(fā)出的球面波返回光束進(jìn)入干涉儀視場內(nèi)；

（7）精調(diào)六維調(diào)整架的各個(gè)參數(shù)和干涉儀的調(diào)整機(jī)構(gòu)，使得干涉儀采集干涉圖接近于最佳位置。

（8）采集干涉圖，求出發(fā)射物鏡系統(tǒng)的波像差。

圖11 激光發(fā)射物鏡波像差

ZYGO檢測結(jié)果如圖11所示，發(fā)射物鏡系統(tǒng)波像差為0.35λ（λ=632.8nm），本文研究的光學(xué)系統(tǒng)工作波長為4.7μm，折算后的波像差為0.047λ（λ=4.7μm）小于設(shè)計(jì)要求值0.1λ。

本文所述的主鏡結(jié)構(gòu)的有限元分析是基于理想狀態(tài)下的分析結(jié)果，而實(shí)際中主鏡精拋、鍍膜、膠粘固定等過程以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境因素的影響會使檢測結(jié)果比單主鏡組件時(shí)損失一部分面形，這和有限元分析結(jié)果從理想狀態(tài)下變?yōu)?.047λ的情況是吻合的。一方面說明有限元分析是正確的，另一方面說明支撐效果是理想的，根據(jù)本文光學(xué)系統(tǒng)波像差＜0.1λ的要求，這樣的面形是完全符合要求的。

4 結(jié)論

本文對一種中波紅外準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)采用卡塞格林反射式光學(xué)結(jié)構(gòu)。針對設(shè)計(jì)指標(biāo)要求設(shè)計(jì)了卡式系統(tǒng)中主鏡、次鏡的支撐結(jié)構(gòu)、透射目鏡部分的固定結(jié)構(gòu)等，可實(shí)現(xiàn)激光準(zhǔn)直擴(kuò)束并易于裝調(diào)和檢測。對主鏡支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，并用ZYGO干涉儀對發(fā)射系統(tǒng)的波像差進(jìn)行檢測，滿足像質(zhì)要求。系統(tǒng)可應(yīng)用于激光通信、激光測量、激光干涉儀等領(lǐng)域。

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Design of Opto-mechanical Structure and Analysis and Detection of Primary Mirror in MW Infrared Emitting System

ZHOU Xueshun，BAI Suping，WANG Xin
（School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Laser collimation and expansion system is widely used in optical communications，optical measurement and other fields，it can achieve the emission of laser collimation and beam expansion，Reducing the laser divergence angle and Enhancing of far field laser radiation intensity.According to design requirements and characteristics of optical system，a caliber of 290mm Cassegrain medium wave infrared emission system is designed.The structural design of the primary and secondary mirror，and completed the primary mirror support structure，secondary mirror support structure，transmission eyepiece support structure and other parts are accomplished.ANSYS Workbench is used to analyze the primary mirror support structure，and the precision of the primary mirror is verified.Wave aberration detection with ZYGO interferometer，the results show that RMS is 0.47λ（λ=4.7μm）.The results show that the medium wave infrared emission system satisfies the requirements of the collimated beam system and achieves the collimation and expansion of the laser.And the structure is simple，easy to process and adjust，with a high practical value.

Medium wave infrared emission；Cassegrainian system；finite element analysis；Wave aberration detection

TH74

A

1672-9870（2017）05-0017-04

2017-09-22

周學(xué)順（1992-），男，碩士研究生，E-mail：zxs13341405672@163.com

白素平（1970-），女，副教授，E-mail：1404754177@qq.com