王 璐，趙建川，馬文家

（1.海軍裝備部駐沈陽(yáng)地區(qū)軍事代表局駐長(zhǎng)春地區(qū)軍事代表室，長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033）

0 引言

折轉(zhuǎn)光管作為一種光線折轉(zhuǎn)裝置，可以將光線沿光管方向平移一段距離而不改變光的傳播方向，也即保持入射光與出射光平行。隨著其在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)已經(jīng)成為一種典型的光學(xué)設(shè)備。因此，分析與掌握折轉(zhuǎn)光管的光學(xué)與機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案及標(biāo)校特性，在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要性不言而喻。

國(guó)內(nèi)外對(duì)折轉(zhuǎn)光管結(jié)構(gòu)和精度等方面已經(jīng)做了大量研究，例如折轉(zhuǎn)光管在光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中的應(yīng)用[1－3]；折轉(zhuǎn)光管安裝誤差對(duì)于精度的影響[4]；折轉(zhuǎn)光管的典型光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[5]；外界環(huán)境對(duì)折轉(zhuǎn)光管精度的影響[6－8]；折轉(zhuǎn)光管的各種檢測(cè)與標(biāo)校方法等[9－10]。但對(duì)于折轉(zhuǎn)光管具體光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在實(shí)際環(huán)境中如何選擇并沒(méi)有具體闡述。

本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，首先介紹了幾種常用的折轉(zhuǎn)光管光學(xué)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)每種方案進(jìn)行了具體分析。其次從儀器精度設(shè)計(jì)角度出發(fā)，在折轉(zhuǎn)光管工作原理、形狀特性、外部干擾特性3個(gè)角度對(duì)折轉(zhuǎn)光管的通用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論，并根據(jù)前述幾種光學(xué)設(shè)計(jì)方案為例，具體分析了每種方案的安裝固定方法。通常在折轉(zhuǎn)光管裝調(diào)過(guò)程中采用檢測(cè)誤差與標(biāo)校同時(shí)進(jìn)行，以保證最終折轉(zhuǎn)光管的誤差達(dá)到預(yù)設(shè)精度范圍內(nèi)，因此本文最終闡述了適用于不同標(biāo)校情況下的幾種常用折轉(zhuǎn)光管誤差檢驗(yàn)方法，并分析了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 折轉(zhuǎn)光管的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

折轉(zhuǎn)光管的光學(xué)結(jié)構(gòu)一般采用反射鏡或一組反射鏡組作為內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)，其5種常用結(jié)構(gòu)如圖1所示。一般折轉(zhuǎn)光管長(zhǎng)度在300 mm以下時(shí)，可以采用如圖1（a）所示的兩端45°反射面的整體玻璃反射結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是省略了后續(xù)機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配時(shí)的誤差檢測(cè)與調(diào)整，誤差完全由反射鏡兩反射面的精度決定，但相對(duì)成本較高。圖1（b）所示為由兩塊平面反射鏡組成的反射式光學(xué)系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于制造成本低、機(jī)械固定簡(jiǎn)單、裝調(diào)方便，但抵抗震動(dòng)能力較差。圖1（c）~（d）所示為由一組五棱鏡或直角棱鏡作為反射鏡組構(gòu)成的折轉(zhuǎn)光管光學(xué)系統(tǒng)，其相對(duì)于圖1（b）的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)于五棱鏡或直角棱鏡來(lái)說(shuō)，能夠保證入射光與出射光完全垂直，因此具有抗環(huán)境震動(dòng)的能力，適用于在具有較大震動(dòng)環(huán)境的場(chǎng)合。缺點(diǎn)在于光線的多次折射會(huì)對(duì)光能量造成較大損失，同時(shí)在光路中會(huì)混入因?yàn)槠矫娴姆瓷涔舛a(chǎn)生的不易消除的多重假象。因此在使用時(shí)需要注意通過(guò)折轉(zhuǎn)光管減弱后的光能量是否滿足整套光學(xué)系統(tǒng)對(duì)于光能量強(qiáng)弱的要求；另外還需注意對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)中假象的識(shí)別以及是否采取消除假象的措施。如圖1（e）所示結(jié)構(gòu)為使用直角棱鏡斜面外反射作為反射鏡，其理論上與圖1（b）相同，但由于其直角棱鏡的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得固定更加方便。通過(guò)對(duì)5種情況分析可知，通常情況下，折轉(zhuǎn)光管采用以圖1（b）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主的光學(xué)設(shè)計(jì)，其相對(duì)成本較低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、光能損失少、裝調(diào)方便、靈敏度高。

圖1 光學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.1 Optical structure

2 折轉(zhuǎn)光管的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 材料選擇

K9玻璃作為一種常用的光學(xué)玻璃，其熱膨脹系數(shù)為7.1×10－6/K，具有化學(xué)性能穩(wěn)定、優(yōu)良的機(jī)械性能與抗劃傷性以及非常低的氣泡和雜質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用。對(duì)于在環(huán)境溫度存在變化下工作的光學(xué)元件，通常要考慮與其直接接觸的結(jié)構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)不能相差過(guò)大，否則在溫度變化較大情況下會(huì)造成結(jié)構(gòu)件對(duì)光學(xué)件的擠壓，導(dǎo)致光學(xué)件變形，進(jìn)而影響整體精度的變化。因此在光學(xué)材料使用K9玻璃時(shí)，一般采用鑄鐵或鋼作為結(jié)構(gòu)件，因?yàn)槠錈崤蛎浵禂?shù)越11.5×10－6/K，與K9熱膨脹系數(shù)較接近，同時(shí)強(qiáng)度與研磨性能也相對(duì)鋁合金要好，缺點(diǎn)在于最終質(zhì)量會(huì)相對(duì)較重，可以通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)來(lái)減輕重量。

2.2 折轉(zhuǎn)光管安裝方向

對(duì)于誤差精度要求較高的光學(xué)系統(tǒng)中，折轉(zhuǎn)光管由于安裝擺放方式不同，在重力的作用下會(huì)產(chǎn)生形變，這種形變也會(huì)影響折轉(zhuǎn)光管的傳遞精度。因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮折轉(zhuǎn)光管使用時(shí)的擺放方式。通常折轉(zhuǎn)光管在光路傳遞中的擺放方式為水平擺放或豎直擺放；若為水平擺放，在折轉(zhuǎn)光管較長(zhǎng)時(shí)，重力作用下折轉(zhuǎn)光管的中間部位會(huì)下沉進(jìn)而使兩邊反射鏡產(chǎn)生彎曲，進(jìn)而影響折轉(zhuǎn)光管的整體傳遞精度。因此通常在光管外部增設(shè)加強(qiáng)筋，同時(shí)在折轉(zhuǎn)光管頭尾兩部分位置設(shè)置固定支撐柱，以保證折轉(zhuǎn)光管不會(huì)在重力作用下產(chǎn)生導(dǎo)致折轉(zhuǎn)光管精度發(fā)生變化的形變。若為豎直擺放，同樣應(yīng)該設(shè)計(jì)至少兩處有向上承托作用的支撐柱，且兩處支撐柱同樣應(yīng)保證與光管的連接穩(wěn)定牢固，在豎直方向上安裝時(shí)可減小光管在沿折轉(zhuǎn)方向在重力影響下的微小變形，以保證折轉(zhuǎn)光管的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。圖2所示為某水平放置光管的支腿設(shè)計(jì)。

2.3 外部干擾特性影響

典型外部干擾特性因素包括溫度、震動(dòng)、灰塵等。為了消除外界影響因素，通常也要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上加以改進(jìn)。

若折轉(zhuǎn)光管所處工作環(huán)境清潔度較差，如存在灰塵、沙土等異物，通?？紤]在折轉(zhuǎn)光管的出光口和入光口處增加保護(hù)罩結(jié)構(gòu)，折轉(zhuǎn)光管工作時(shí)打開(kāi)保護(hù)罩，非工作狀態(tài)則關(guān)閉使其內(nèi)部空間保持相對(duì)獨(dú)立，避免光學(xué)系統(tǒng)暴露在惡劣環(huán)境中。若折轉(zhuǎn)光管需要保持長(zhǎng)時(shí)間工作狀態(tài)或工作時(shí)無(wú)法避免折轉(zhuǎn)光管表面沾染灰塵等雜物，則需要進(jìn)一步地在出光口及入光口處增加保護(hù)玻璃，以使得折轉(zhuǎn)光管內(nèi)部保持相對(duì)獨(dú)立環(huán)境。但是在折轉(zhuǎn)光管光學(xué)系統(tǒng)中加入保護(hù)玻璃后，會(huì)存在表面反射現(xiàn)象產(chǎn)生的表面像，進(jìn)而影響光學(xué)系統(tǒng)。為了減弱表面像的影響，對(duì)于保護(hù)玻璃通常會(huì)鍍?cè)鐾改?，同時(shí)通常會(huì)將保護(hù)玻璃處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為有一小楔形角度，使得保護(hù)玻璃安裝時(shí)不與光路方向完全垂直，從而避免表面像與光線平行干擾整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)。圖3所示為一種簡(jiǎn)易保護(hù)蓋的設(shè)計(jì)方法。

圖3 一種保護(hù)蓋設(shè)計(jì)方法Fig.3 A protective cover design

若折轉(zhuǎn)光管所處工作環(huán)境存在溫度突變現(xiàn)象，由于折轉(zhuǎn)光管中各零部件的材料不同，其熱膨脹系數(shù)一般也并不相同，會(huì)造成折轉(zhuǎn)光管的精度產(chǎn)生波動(dòng)。為了減弱由于溫度變化造成的精度變化，可以將折轉(zhuǎn)光管結(jié)構(gòu)分為內(nèi)外雙層設(shè)計(jì)。內(nèi)層作為骨架，連接折轉(zhuǎn)光管的光學(xué)元件同時(shí)與外層相連，而外層則附加出光入光口保護(hù)罩與支撐柱。在內(nèi)層與外層之間加入隔熱材料，減緩由于外界環(huán)境溫度突變導(dǎo)致折轉(zhuǎn)光管內(nèi)層溫度突變，從而造成其精度變化的現(xiàn)象。圖4所示為一種采用內(nèi)隔熱層的典型隔熱方法。

圖4 典型隔熱方法Fig.4 Typical insulation methods

外界瞬時(shí)的巨大震動(dòng)同樣會(huì)對(duì)折轉(zhuǎn)光管的精度產(chǎn)生巨大影響，甚至?xí)?duì)整體光機(jī)結(jié)構(gòu)造成永久性損害。因此結(jié)構(gòu)上必須考慮設(shè)置減震裝置，以保證折轉(zhuǎn)光管的精度以及對(duì)設(shè)備的保護(hù)。圖5所示為一種采用減震器設(shè)計(jì)的典型減震方法。

圖5 典型減震方法Fig.5 Typical vibration damping methods

2.4 光學(xué)元件安裝固定

考慮折轉(zhuǎn)光管中光學(xué)元件的安裝，通常需要考慮以下幾點(diǎn)要求：

（1）對(duì)于光學(xué)元件安裝接觸位置應(yīng)力較??；

（2）滿足機(jī)構(gòu)震動(dòng)過(guò)程中的使用精度要求；

（3）裝卡具備機(jī)械調(diào)整機(jī)構(gòu)，可以對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)。

以上為共性的設(shè)計(jì)思路，但涉及到不同光學(xué)結(jié)構(gòu)，其固定方式同樣有所差異，具體方法包括類剛體約束方法、微過(guò)機(jī)構(gòu)約束、膠接安裝方法等。

如圖1（a）所示，使用整塊玻璃作為折轉(zhuǎn)光管，其精度影響主要為兩反射面本身的角度誤差，同時(shí)反射面為兩斜面的內(nèi)反射膜，本身不暴露在外界環(huán)境，因此對(duì)于該方案設(shè)計(jì)可以不考慮保護(hù)玻璃及機(jī)械調(diào)整機(jī)構(gòu)，僅需考慮對(duì)玻璃整體進(jìn)行包裹，以起到對(duì)其保護(hù)作用同時(shí)加入保護(hù)罩結(jié)構(gòu)即可，設(shè)計(jì)時(shí)可以在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上使用仿真計(jì)算等方式進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

對(duì)于圖1（b），通常結(jié)構(gòu)為將折轉(zhuǎn)光管在光路折轉(zhuǎn)方向連接為一個(gè)整體的筒型結(jié)構(gòu)，在其兩端固定平面鏡。固定時(shí)采用三點(diǎn)或四角壓片的方法將反射鏡施加較小預(yù)緊力固定在底座上后，使用熱膨脹系數(shù)與反射鏡較接近，同時(shí)變形系數(shù)較小的膠水（如706）在壓塊與反射鏡之間進(jìn)行填充黏接。使用膠水填充黏接的好處在于保證了反射鏡固定的同時(shí)，減小了壓塊對(duì)反射鏡預(yù)緊力產(chǎn)生的變形，這種變形會(huì)影響反射鏡相面的成像。圖6所示為一種典型固定方法。

圖6 典型四角固定方法Fig.6 Typical fixing method

對(duì)于光學(xué)結(jié)構(gòu)圖1（c）中五棱鏡的固定方法較復(fù)雜，因?yàn)槲謇忡R本身形狀體積相對(duì)較大，同時(shí)為保證光管的精度，還需要設(shè)置其具有微量調(diào)節(jié)功能。五棱鏡固定方法如圖7所示。由于五棱鏡入射面和反射面均需要考慮不被遮擋，因此可以先在五棱鏡頂面使用懸掛彈簧壓片，先將五棱鏡以三點(diǎn)形式壓緊在底座基面上，約束其6個(gè)自由度中的1個(gè)位移與2個(gè)旋轉(zhuǎn)。在五棱鏡2個(gè)透光面放置3個(gè)定位銷，其他3個(gè)非透光面方向設(shè)置用跨式彈簧片，使用彈簧片將五棱鏡壓靠固定在定位銷上即可約束其他3個(gè)自由度。固定時(shí)五棱鏡與結(jié)構(gòu)件之間可加入襯墊，以保證五棱鏡與結(jié)構(gòu)件之間不是以點(diǎn)接觸方式壓靠。

圖7 五棱鏡固定方法Fig.7 Pentaprism fixation method

對(duì)于結(jié)構(gòu)圖1（d）~（e）中直角棱鏡的固定，通常需要考慮到棱鏡的大小、位置、調(diào)節(jié)方法的因素以及固定件對(duì)于棱鏡的壓力、大小、位置等因素。因此，通常棱鏡的安裝主要使用機(jī)械壓緊方法進(jìn)行固定，如圖8所示為使用機(jī)械壓緊的半固定方法進(jìn)行固定的示意圖。利用一個(gè)粗磨過(guò)直角棱鏡頂面作為基準(zhǔn)面，利用具有彈性的襯墊和螺釘在棱鏡三點(diǎn)施加預(yù)緊力。

圖8 半固定方法的固定Fig.8 Schematic diagram of semi－fixed method of fixation

另外在棱鏡尺寸較小且使用環(huán)境基本無(wú)振動(dòng)情況下，還可以考慮使用光學(xué)黏接膠將棱鏡直接黏接在表面處理過(guò)的調(diào)整座基面上。在對(duì)折轉(zhuǎn)光管進(jìn)行調(diào)整時(shí)，僅需對(duì)調(diào)整座進(jìn)行調(diào)整。

3 典型誤差檢測(cè)方法

折轉(zhuǎn)光管的光學(xué)與機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都結(jié)束后，需要考慮折轉(zhuǎn)光管安裝后的調(diào)整過(guò)程。通常折轉(zhuǎn)光管的誤差檢測(cè)與調(diào)整同時(shí)進(jìn)行。對(duì)于折轉(zhuǎn)光管的誤差檢測(cè)，最重要的步驟為準(zhǔn)直光路的構(gòu)建，通常根據(jù)折轉(zhuǎn)光管尺寸、操作環(huán)境、檢測(cè)設(shè)備以及所需檢測(cè)精度不同，構(gòu)建不同的準(zhǔn)直光路及測(cè)量方法。

3.1 平面鏡檢測(cè)法

平面鏡檢測(cè)法如圖9所示。在折轉(zhuǎn)光管尺寸不是很長(zhǎng)的情況下，可使用直徑大于折轉(zhuǎn)光管長(zhǎng)度的平面鏡作為測(cè)量基準(zhǔn)，先將自準(zhǔn)直儀與平面鏡準(zhǔn)直后，在兩者之間擺放折轉(zhuǎn)光管并調(diào)整到適當(dāng)位置，自準(zhǔn)直儀發(fā)射的準(zhǔn)直光通過(guò)折轉(zhuǎn)光管折射到平面鏡后又接收到返回像，即可通過(guò)返回像的誤差測(cè)得折轉(zhuǎn)光管的誤差。這種方法誤差較小、但受平面鏡的大小及折轉(zhuǎn)光管長(zhǎng)度限制。

圖9 平面鏡檢測(cè)法Fig.9 Plane mirror inspection method

3.2 水銀盤檢測(cè)法

水銀盤檢測(cè)法如圖10所示。在地基較穩(wěn)定且外界震動(dòng)較小情況下，可以使用水銀盤代替方法圖1（a）中的平面鏡。先將自準(zhǔn)直儀豎直放置對(duì)準(zhǔn)放置在地面呈穩(wěn)定狀態(tài)的水銀盤并準(zhǔn)直后，將折轉(zhuǎn)光管對(duì)準(zhǔn)自準(zhǔn)直儀口徑，并移動(dòng)水銀盤至折轉(zhuǎn)光管另一端，待水銀盤穩(wěn)定后自準(zhǔn)直儀發(fā)射的準(zhǔn)直光通過(guò)折轉(zhuǎn)光管折射到水銀盤后又接收到返回像，即可通過(guò)返回像的誤差測(cè)得折轉(zhuǎn)光管的誤差。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于不受折轉(zhuǎn)光管長(zhǎng)度的限制，缺點(diǎn)在于水銀盤返回像較模糊且水銀有毒，使用時(shí)應(yīng)注意安全。

圖10 水銀盤檢測(cè)法Fig.10 Mercury plate test method

3.3 五棱鏡檢測(cè)法

五棱鏡檢測(cè)法如圖11所示。若平面鏡尺寸較小，可以通過(guò)2個(gè)五棱鏡代替折轉(zhuǎn)光管的方法進(jìn)行誤差測(cè)量。使用2個(gè)五棱鏡建立從自準(zhǔn)直儀到平面鏡的準(zhǔn)直光路，將自準(zhǔn)直儀與平面鏡準(zhǔn)直。準(zhǔn)直后用折轉(zhuǎn)光管替代五棱鏡連接從自準(zhǔn)直儀到平面鏡的光路，通過(guò)此時(shí)的返回像誤差可以計(jì)算出折轉(zhuǎn)光管的折轉(zhuǎn)誤差。這種方法的優(yōu)點(diǎn)同樣不受折轉(zhuǎn)光管長(zhǎng)度的限制，但缺點(diǎn)在于五棱鏡本身存在制造誤差與放置姿態(tài)引起的誤差，因此在最終的誤差計(jì)算時(shí)需考慮。

圖11 五棱鏡檢測(cè)法Fig.11 Pentaprism detection method

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從實(shí)際工程應(yīng)用角度出發(fā)，首先闡述了折轉(zhuǎn)光管常用的幾種光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)每種方案進(jìn)行了精度、優(yōu)缺點(diǎn)分析以及針對(duì)實(shí)際使用情況的具體選擇。其次從儀器精度理論出發(fā)，闡述了保證折轉(zhuǎn)光管精度所需結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾個(gè)方面，包括材料選擇、安裝方向的影響、外界干擾因素以及幾種光學(xué)鏡的固定方法，并對(duì)前述幾種光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的機(jī)械方案進(jìn)行了具體分析與設(shè)計(jì)。最后詳細(xì)闡述了幾種常用折轉(zhuǎn)光管的精度檢測(cè)方法以及使用條件，并對(duì)檢測(cè)方法精度進(jìn)行了比較。本文對(duì)于折轉(zhuǎn)光管在工程方面的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。