李海波，畢 勇

(中科院南京天文儀器有限公司，江蘇 南京 210042)

擴束光學(xué)系統(tǒng)[1]作為激光通信、激光測距等技術(shù)領(lǐng)域重要組成部分，已經(jīng)在天文觀測、衛(wèi)星通信、全球定位系統(tǒng)、國防建設(shè)等領(lǐng)域發(fā)揮了重大作用。為滿足激光測距系統(tǒng)的使用需求，文[2]設(shè)計了一套2～6倍的透射式連續(xù)變倍系統(tǒng)，文[3]設(shè)計完成了一個離軸三反系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)二鏡和三鏡實現(xiàn)光學(xué)變倍，反射鏡均采用非球面。擴束光學(xué)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的同時，穩(wěn)定性要求也在不斷提升。然而大溫差環(huán)境對擴束光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的影響。主要因為熱脹冷縮是絕大多數(shù)材料的固有屬性，在溫度變化較大的工作環(huán)境下，各構(gòu)件內(nèi)部不均勻的熱應(yīng)力導(dǎo)致復(fù)雜的熱應(yīng)變，引發(fā)光學(xué)元件熱失調(diào)，降低設(shè)備的光學(xué)性能[4]。支撐結(jié)構(gòu)變形引起的光學(xué)元件位置偏差[5]一直是困擾研發(fā)人員和工程設(shè)計人員的難題之一。因此越來越多的人開始從結(jié)構(gòu)設(shè)計本身出發(fā)改善光學(xué)系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性。2016年，文[6]通過設(shè)計電機控制系統(tǒng)來完成溫度補償，該方法可以有效控制系統(tǒng)的溫度范圍，但是系統(tǒng)溫度的均勻性不容易保證，系統(tǒng)成像質(zhì)量受到影響。2021年，文[7]在低溫離軸反射式準(zhǔn)直系統(tǒng)中設(shè)計的溫度補償機構(gòu)可以明顯提高光學(xué)系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性,該機構(gòu)通過殷鋼的低膨脹系數(shù)進行補償，并沒有設(shè)計反向溫度補償機構(gòu)，系統(tǒng)成像質(zhì)量依然受到較大影響。

在研制200 mm口徑激光發(fā)射擴束系統(tǒng)過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)溫度大范圍變化對擴束光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)有很大影響，無法滿足系統(tǒng)波像差進而影響設(shè)備的通信功能。為了解決這一問題，本文設(shè)計了一種自動溫度補償機構(gòu)，該機構(gòu)設(shè)計有反向溫度補償裝置，根據(jù)不同材料膨脹系數(shù)以及膨脹方向的不同，并通過理論計算，設(shè)計相應(yīng)的機械結(jié)構(gòu)及長度，在30 ℃范圍內(nèi)鏡間距隨溫度總變化量趨近0，從而抑制一定范圍溫度變化對擴束光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)的影響。在+30 ℃溫差范圍內(nèi)，本文通過ANSYS軟件分析了自動溫度補償機構(gòu)對擴束光學(xué)系統(tǒng)主次鏡位置的影響，然后通過ZMAX軟件對變化后的主次鏡進行光學(xué)仿真分析。分析結(jié)果表明，自動溫度補償機構(gòu)可以減小溫度改變對主次鏡鏡間距的影響，有效地抑制溫度變化對擴束光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響。

1 擴束系統(tǒng)自動溫度補償機構(gòu)原理

擴束光學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)：口徑200 mm，擴束比16X，裝調(diào)后實現(xiàn)系統(tǒng)軸上波前RMS≤λ/20@632.8 nm。系統(tǒng)采用同軸無實焦點設(shè)計，系統(tǒng)如圖1，系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)如表1。12.5 mm直徑的激光束入射到次鏡，經(jīng)過次鏡及主鏡反射后，形成200 mm直徑激光束向外發(fā)射，配合接收望遠鏡可以實現(xiàn)激光的發(fā)射和接收。

圖1 16X擴束系統(tǒng)圖Fig.1 16X beam expansion system diagram

表1 鏡面參數(shù)Table 1 Mirror parameters

主鏡、次鏡以及窗口鏡之間的相互位置關(guān)系對擴束系統(tǒng)的光學(xué)成像質(zhì)量有很大的影響，為了安裝窗口鏡、主鏡和次鏡，并保持相互位置關(guān)系，擴束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2。系統(tǒng)主要由鏡筒機構(gòu)、窗口鏡機構(gòu)、次鏡機構(gòu)、主鏡機構(gòu)、后罩殼機構(gòu)、自動溫度補償機構(gòu)等組成。鏡筒機構(gòu)主要由Q235材料焊接而成，作為系統(tǒng)主支撐件，用于安裝其他機構(gòu)；窗口鏡安裝于窗口鏡機構(gòu)中，與鏡筒機構(gòu)相連；主鏡安裝于主鏡室內(nèi)，主鏡室設(shè)計有側(cè)支撐機構(gòu)，機構(gòu)處通過聚四氟乙烯結(jié)構(gòu)與主鏡接觸，通過鏡室鋼結(jié)構(gòu)、主鏡微晶玻璃、側(cè)支撐聚四氟乙烯之間溫度膨脹系數(shù)的不同，可實現(xiàn)自動溫度補償，減小結(jié)構(gòu)受溫度影響對主鏡的力學(xué)作用，并與鏡筒相連。次鏡與殷鋼副鏡室通過膠粘連接，安裝在次鏡機構(gòu)上，次鏡機構(gòu)與溫度補償機構(gòu)相連，與鏡筒隔開，次鏡位置設(shè)計有五維調(diào)整機構(gòu)，確保主次鏡之間光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)試功能。

擴束光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量受溫度影響較大，為了減小溫度對系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響，在主次鏡之間使用殷鋼(牌號：4J32)材料的連接機構(gòu)，在次鏡位置處設(shè)計了鋁材料的溫度反向補償機構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖3。圖3中，殷鋼桿部件1、次鏡鋼機構(gòu)2、反向補償鋁部件3、殷鋼隔圈部件4和殷鋼次鏡室部件5等結(jié)構(gòu)部件對溫度補償起主要作用。殷鋼桿部件1采用低膨脹殷鋼材料，主要用于減小主次鏡受溫度影響鏡間距的變化量。次鏡鋼機構(gòu)2用于安裝次鏡及反向補償鋁部件3；反向補償鋁部件3選用熱膨脹系數(shù)大的鋁材料，用于溫度反向補償；殷鋼隔圈部件4用于減小正向膨脹；殷鋼次鏡室部件5選用低膨脹殷鋼材料，用于安裝次鏡，減小溫度變化對次鏡的影響。部件材料類型及其屬性如表2。設(shè)定6處為溫度變化基準(zhǔn)面，當(dāng)溫度升高時，殷鋼桿部件1、次鏡鋼機構(gòu)2、殷鋼隔圈部件4將沿+z方向膨脹，而反向補償鋁部件3和殷鋼次鏡室部件5將沿-z方向膨脹。通過殷鋼桿部件1、次鏡鋼機構(gòu)2、殷鋼隔圈部件4與反向補償鋁部件3、殷鋼次鏡室部件5之間溫度膨脹系數(shù)以及膨脹方向的不同，設(shè)計相應(yīng)的結(jié)構(gòu)長度，并通過理論計算總變化量趨近0，從而產(chǎn)生自動溫度補償?shù)男Ч?。通過該結(jié)構(gòu)可以極大地抑制溫度變化對主次鏡鏡間距的影響，確保光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。

圖2 擴束系統(tǒng)鏡筒結(jié)構(gòu)示意圖

金屬材料的熱膨脹公式為

Δl=αL(T1-T0)，

(1)

其中，Δl為材料軸向伸長；α為材料線性膨脹系數(shù)；L為材料長度；T0為材料初始溫度；T1為材料工作溫度。鏡間距變化量為

ΔZ=α1L1(T1-T0)+α2L2(T1-T0)+

α1L4(T1-T0)-α3L3(T1-T0)-

α1L5(T1-T0)，

(2)

圖3 擴束系統(tǒng)溫度補償機構(gòu)示意圖

其中，α1為殷鋼線性膨脹系數(shù)；α2為45#鋼線性膨脹系數(shù)；α3為6061鋁線性膨脹系數(shù)；L1為殷鋼桿部件1長度；L2為次鏡鋼機構(gòu)2長度；L3為反向補償鋁部件3長度；L4為殷鋼隔圈部件4長度；L5為殷鋼次鏡室部件5長度。

2 系統(tǒng)溫度變化分析

2.1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

各零件的熱膨脹系數(shù)及長度如表2。

表2 結(jié)構(gòu)件參數(shù)Table 2 Frame parameters

2.2 系統(tǒng)溫度分析結(jié)果

設(shè)定20 ℃為系統(tǒng)參考溫度，通過ANSYS有限元分析軟件，分析鏡筒在30 ℃，40 ℃和50 ℃時，擴束系統(tǒng)主次鏡之間的相對位置變化，分析中定義光軸為z方向，坐標(biāo)系基準(zhǔn)如圖4。主次鏡之間的相對位置通過最小二乘法擬合鏡面球心坐標(biāo)的方法，計算主次鏡相對偏移量。由于自動溫度補償機構(gòu)是軸對稱結(jié)構(gòu)，受溫度影響，x軸和y軸方向主次鏡位置變化基本為0，因此分析中忽略了x軸和y軸方向主次鏡位置變化帶來的影響，主要分析z軸方向主次鏡球心相對偏移量，然后將主次鏡相對變化量代入ZMAX中進行光學(xué)仿真，計算該溫差下激光擴束系統(tǒng)的波前誤差。

當(dāng)溫度升高到30 ℃，40 ℃和50 ℃時，擴束光學(xué)系統(tǒng)在未設(shè)計自動溫度補償機構(gòu)和設(shè)計自動溫度補償機構(gòu)的兩種機理下，主次鏡位置變化分析結(jié)果如圖5和圖6，其中(d)為主次鏡位置變化數(shù)據(jù)。然后將兩種原理下的主次鏡變化量進行對比，結(jié)果如圖7。

分析結(jié)果表明，在溫度升高到30 ℃，40 ℃和50 ℃時，未采用自動溫度補償機構(gòu)的擴束光學(xué)系統(tǒng)主次鏡變化0.027 22 mm，0.054 43 mm和0.081 64 mm，而采用自動溫度補償機構(gòu)設(shè)計的擴束光學(xué)系統(tǒng)主次鏡變化分別為0.000 05 mm，0.000 09 mm和0.000 14 mm，并且通過圖7鏡間距變化對比可以看出，采用自動溫度補償機構(gòu)設(shè)計后的鏡間距變化量遠小于未采用自動溫度補償機構(gòu)設(shè)計后的鏡間距變化量，因此該自動溫度補償機構(gòu)可以極大地抑制主次鏡鏡間距的變化。

圖4 鏡筒坐標(biāo)系基準(zhǔn)圖Fig.4 Reference map of mirror tube coordinate system

圖5 未設(shè)計自動溫度補償機構(gòu)Fig.5 No automatic temperature compensation mechanism is designed

圖6 設(shè)計自動溫度補償機構(gòu)Fig.6 Design of automatic temperature compensation mechanism

2.3 系統(tǒng)光學(xué)像質(zhì)分析結(jié)果

在主鏡與次鏡的距離保持設(shè)計值時，擴束光學(xué)系統(tǒng)的波前誤差為0.001 3λ(RMS)，如圖8。在溫度升高到30 ℃，40 ℃和50 ℃時，通過ZMAX光學(xué)仿真軟件分別分析了未設(shè)計自動溫度補償機構(gòu)和設(shè)計自動溫度補償機構(gòu)兩種機理下的主次鏡光學(xué)系統(tǒng)波前誤差均方根，系統(tǒng)波前誤差均方根分析結(jié)果如圖9和圖10，然后將兩種機理下的系統(tǒng)波前誤差均方根進行對比，結(jié)果如圖11。

通過系統(tǒng)波前分析對比，當(dāng)擴束光學(xué)系統(tǒng)溫度從20 ℃升高到30 ℃，40 ℃和50 ℃時，系統(tǒng)未設(shè)計溫度補償機構(gòu)時，光學(xué)系統(tǒng)的軸上視場波前均方根分別為1.389 8λ，2.778 2λ和4.165 6λ，該狀態(tài)系統(tǒng)波前變化較大，導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)的出射光平行性變差，無法滿足系統(tǒng)波前RMS≤λ/20的指標(biāo)；系統(tǒng)設(shè)計溫度補償機構(gòu)后，光學(xué)系統(tǒng)的軸上視場波前均方根分別為0.002 6λ，0.004 6λ和0.007 2λ，與20 ℃狀態(tài)下的波前最大僅相差0.005 9λ，滿足系統(tǒng)波前均方根的指標(biāo)要求，可高質(zhì)量發(fā)射光束。

圖7 鏡間距變化對比圖Fig.7 Comparison diagram of mirror spacing change

圖8 20 ℃系統(tǒng)波前圖Fig.8 Wavefront diagram of 20 ℃ system

圖9 系統(tǒng)波前圖(未設(shè)計補償)Fig.9 Wavefront diagram of 50 ℃ system (no compensation is designed)

3 結(jié) 論

擴束系統(tǒng)溫度從20 ℃升高到30 ℃，40 ℃和50 ℃時，未采用自動溫度補償機構(gòu)設(shè)計時，擴束光學(xué)系統(tǒng)主次鏡鏡間距分別變化0.027 22 mm，0.054 43 mm和0.081 64 mm，系統(tǒng)波前誤差均方根從0.001 3λ變?yōu)?.389 8λ，2.778 2λ和4.165 6λ(λ=632.8 nm)，無法滿足光學(xué)成像質(zhì)量要求；而采用自動溫度補償機構(gòu)設(shè)計后，擴束光學(xué)系統(tǒng)主次鏡鏡間距分別變化0.000 05 mm，0.000 09 mm和0.000 14 mm，系統(tǒng)波前誤差均方根從0.001 3λ變?yōu)?.002 6λ，0.004 6λ和0.007 2λ，仍然可以滿足光學(xué)成像質(zhì)量要求。因此該自動溫度補償機構(gòu)可以極大地抑制大溫差對擴束光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響，為后續(xù)擴束系統(tǒng)溫度補償設(shè)計提供參考。

圖10 系統(tǒng)波前圖(設(shè)計補償)Fig.10 Wavefront diagram of system (design compensation)

圖11 系統(tǒng)波前誤差均方根對比圖Fig.11 RMS comparison diagram of system wavefront error