劉永清，高天元，韓 旭

大口徑熱不敏星敏感器光機(jī)設(shè)計(jì)與分析

劉永清，高天元，韓 旭

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

為滿足大口徑長(zhǎng)焦距星敏感器的需求，對(duì)一種大口徑熱不敏星敏感器進(jìn)行光機(jī)設(shè)計(jì)，根據(jù)指標(biāo)要求，對(duì)熱不敏系統(tǒng)進(jìn)行光機(jī)熱集成分析。使用MSC.Patran軟件對(duì)主次鏡結(jié)構(gòu)施加溫度載荷，計(jì)算出主次鏡結(jié)構(gòu)的熱彈性變形，先利用MSC.Nastran軟件計(jì)算熱變形后節(jié)點(diǎn)的剛體位移，再利用Sigft光機(jī)接口軟件分析得到變形后主次鏡表面的Zernike多項(xiàng)式系數(shù)。將結(jié)果導(dǎo)入Zemax中，預(yù)判鏡片面型變化以及剛體位移對(duì)彌散斑、光軸漂移量及波像差的影響。最后通過在20℃±5℃的溫度范圍內(nèi)裝調(diào)測(cè)試驗(yàn)證了系統(tǒng)性能滿足指標(biāo)要求以及光機(jī)熱集成分析的準(zhǔn)確性，提供了一套準(zhǔn)確快捷的光機(jī)熱集成分析流程。

星敏感器；光機(jī)設(shè)計(jì)；彌散斑；光機(jī)熱集成分析

0 引言

星敏感器是當(dāng)前廣泛應(yīng)用的天體敏感器[1-2]，其工作環(huán)境必然會(huì)受到安裝面溫度變化等影響，光機(jī)結(jié)構(gòu)的熱變形會(huì)導(dǎo)致鏡片面型變化，從而影響光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量下降[3-4]，會(huì)對(duì)彌散斑產(chǎn)生較大的影響，為了保證系統(tǒng)的成像質(zhì)量，需要對(duì)結(jié)構(gòu)完成光機(jī)熱集成分析，分析環(huán)境溫度對(duì)鏡頭的影響[5]。

隨著航天事業(yè)的發(fā)展，星敏感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多種場(chǎng)合[6]，由于我國星敏感器研究起步較晚，國內(nèi)對(duì)長(zhǎng)焦距大口徑星敏感器的研究相對(duì)較少，孟祥月[7]等研制了焦距50mm，入瞳直徑40mm的星敏感器。孫東起[8]等人研制了一種焦距200mm，入瞳直徑125mm的雙高斯光學(xué)系統(tǒng)的長(zhǎng)焦距星敏感器。伍雁雄[9]等研制了焦距200mm，入瞳直徑100mm的高精度星敏感器。

本文設(shè)計(jì)了一種大口徑熱不敏星敏感器，光學(xué)系統(tǒng)焦距900mm，入瞳直徑200mm，光譜范圍450～750nm，通過光機(jī)熱集成分析方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行熱分析，通過將Nastran計(jì)算的主次鏡表面節(jié)點(diǎn)剛體位移代入Sigfit光機(jī)熱耦合軟件進(jìn)行Zernike多項(xiàng)式擬合，再將主次鏡表面Zernike系數(shù)導(dǎo)入Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中，分析了由于溫度變化導(dǎo)致的光機(jī)結(jié)構(gòu)剛體位移等變化。

1 光機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 熱不敏光學(xué)系統(tǒng)

光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)：焦距范圍為900mm，入瞳直徑≥200mm，光譜范圍為470～900nm，在熱不敏光學(xué)系統(tǒng)安裝面溫度為20℃±5℃時(shí)，其光軸偏角優(yōu)于12，0.8視場(chǎng)下80%能量集中在9.2～18.4mm之間。光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，0.8視場(chǎng)下各波段圈入能量曲線如圖2所示，可以看出滿足80%能量集中時(shí)，彌散斑直徑滿足指標(biāo)要求。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用改進(jìn)型卡式系統(tǒng)，為保證主鏡和后接透鏡組的同軸度，選用中心固定形式，主鏡材料選用微晶玻璃，為達(dá)到熱不敏效果，減少溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，主鏡軸材料應(yīng)選用與主鏡材料熱膨脹系數(shù)相近的殷鋼，主鏡通過膠層與主鏡軸固定連接，主鏡軸作為整個(gè)系統(tǒng)的連接構(gòu)件，具有一定的剛性，而膠層的柔性能夠很好的減少重力、溫度等對(duì)主鏡產(chǎn)生的變形影響，主鏡結(jié)構(gòu)如圖3所示。

次鏡是非常敏感的光學(xué)構(gòu)件，微小的變化都會(huì)帶來很大影響，并且支架的大小直接影響光學(xué)系統(tǒng)的中心遮擋大小，為保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、中心遮擋小以及減小加工難度等原因采用三片殷鋼片連接主次鏡，能夠有效減少溫度等因素引起的主次鏡間距的變化，支撐結(jié)構(gòu)如圖4所示。

透鏡組通過壓圈固定方式保證鏡片間間距，鏡筒材料采用A704能夠減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，并且在后端機(jī)械結(jié)構(gòu)上留有兩個(gè)接口方便后續(xù)探測(cè)器接入，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 0.8視場(chǎng)各波段彌散斑包圍能量曲線

圖3 主鏡結(jié)構(gòu)

圖4 主次鏡支撐結(jié)構(gòu)

圖5 整體結(jié)構(gòu)模型圖

2 光機(jī)熱集成分析

在本系統(tǒng)中，主次鏡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性對(duì)成像質(zhì)量的影響最大，本次分析只對(duì)主次鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，分析目的是驗(yàn)證主次鏡結(jié)構(gòu)在20±5℃范圍內(nèi)是否滿足光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

2.1 建立有限元模型

通過MSC.Patran建立模型如圖6所示，整個(gè)模型采用手工劃分網(wǎng)格的方法，控制網(wǎng)格疏密，使得計(jì)算結(jié)果更加精確，模型主要六面體單元及少量的五面體建模，共有單元數(shù)12172個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)18707個(gè)，結(jié)構(gòu)有限元建模計(jì)算中主次鏡及支撐結(jié)構(gòu)的材料及其屬性參數(shù)如表1所示。

按照指標(biāo)要求的環(huán)境溫度25℃，對(duì)主次鏡模型施加溫度載荷，利用Nastran軟件計(jì)算得到剛體位移結(jié)果，主次鏡剛體位移云圖如圖7所示，可以看出主鏡最大軸向位移為0.228mm，次鏡最大軸向位移為0.986mm，目前來看熱變形結(jié)果還在可控范圍內(nèi)。

利用光機(jī)熱耦合工具Sigfit輸入系統(tǒng)主次鏡的曲率半徑、主次鏡表面節(jié)點(diǎn)位置數(shù)據(jù)、熱變形后主次鏡表面節(jié)點(diǎn)變化數(shù)據(jù)等進(jìn)行擬合。溫度為25℃時(shí)，Sigfit擬合得到的Zernike多項(xiàng)式系數(shù)[10]如表2所示。

圖6 有限元模型圖

表1 選用材料屬性參數(shù)

圖7 整體位移分布

表2 Zernike系數(shù)

將主次鏡的Zernike多項(xiàng)式系數(shù)導(dǎo)入Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中，即可得到系統(tǒng)彌散斑直徑以及光軸的變化，圖8給出了在環(huán)境溫度25℃，0.8°視場(chǎng)下各波段的圈入能量曲線圖，由圖中信息可知，各波段80%能量彌散斑直徑集中在9.2～18.4mm之間，與圖2對(duì)比可知在溫度的影響下，各波段的彌散斑直徑也會(huì)增大。同時(shí)由圖9得到波前RMS（Root-Mean-Square）值為0.035＜1/12，成像質(zhì)量良好，調(diào)用評(píng)價(jià)函數(shù)RAID指令，在0°視場(chǎng)入射光線與像面法線夾角可以近似為光軸偏角約為0.0332優(yōu)先于12。

圖8 0.8視場(chǎng)圈入能量曲線

圖9 波前圖

2.2 裝調(diào)測(cè)試

為檢驗(yàn)光機(jī)熱集成分析的準(zhǔn)確性以及光機(jī)設(shè)計(jì)的合理性，設(shè)置實(shí)驗(yàn)室20±5℃的溫度條件下，進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)主鏡、次鏡以及透鏡組系統(tǒng)裝調(diào)，主鏡及透鏡組利用三坐標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)裝調(diào)，保證其位置精度，然后利用干涉儀進(jìn)行次鏡的裝調(diào)工作，系統(tǒng)整體裝調(diào)結(jié)構(gòu)如圖10所示。

在實(shí)驗(yàn)室室溫25℃下，系統(tǒng)裝調(diào)后的軸上視場(chǎng)波像差如圖11所示，RMS值為0.08，所測(cè)得RMS值與有限元分析結(jié)果相差很小，分析實(shí)例驗(yàn)證了本系統(tǒng)分析方法的有效性。

圖10 系統(tǒng)整體裝調(diào)結(jié)構(gòu)圖

圖11 0視場(chǎng)波像差

2.3 系統(tǒng)性能測(cè)試

本次測(cè)試溫度環(huán)境分別設(shè)為15℃、20℃、25℃，采用平行光管照射，鏡頭放置在精密旋轉(zhuǎn)的調(diào)整臺(tái)上，通過對(duì)鏡頭的成像光斑與能量分布進(jìn)行分析獲得彌散斑，檢測(cè)圖如圖12所示，記錄3組數(shù)據(jù)取平均值最終結(jié)果如圖13所示，由此可見各波段均符合在0.8視場(chǎng)下集中80%能量時(shí)，彌散斑直徑在9.2～18.4mm區(qū)間的指標(biāo)要求。

在20±5℃溫度范圍內(nèi)，通過對(duì)0°視場(chǎng)像點(diǎn)觀測(cè)，由公式(1)可知：

式中：像元大小a為4.6mm，焦距f為900mm，經(jīng)過計(jì)算只要像點(diǎn)偏移小于一個(gè)像元即可認(rèn)為光軸偏角優(yōu)于12。經(jīng)過觀察，像點(diǎn)最大位移小于一個(gè)像元，故可以判斷光軸偏角優(yōu)于12，滿足指標(biāo)要求。通過對(duì)彌散斑直徑以及光軸漂移量的檢測(cè)結(jié)果與仿真分析結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)光機(jī)熱集成分析具有可靠性，所以有必要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行光機(jī)熱集成分析以快速檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是否滿足指標(biāo)。

圖13 彌散斑直徑圖

3 結(jié)論

本文通過對(duì)熱不敏光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，結(jié)合光機(jī)熱集成分析方法，通過sigfit計(jì)算出在20±5℃下主次鏡RMS值為0.13，將擬合得到的Zernike系數(shù)代入光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax中進(jìn)行仿真模擬，設(shè)計(jì)結(jié)果表明光軸偏角為0.0232優(yōu)于12，波前RMS值為0.035，圈入能量80%集中度彌散斑直徑在9.2～18.4mm之間，最終進(jìn)行裝調(diào)檢測(cè)，結(jié)果顯示系統(tǒng)軸上視場(chǎng)波像差RMS值為0.08，實(shí)現(xiàn)彌散斑能量80%集中度的直徑在9.2～18.4mm內(nèi)，像點(diǎn)最大位移小于一個(gè)像元，光軸偏角優(yōu)先于12，滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。該分析方法能夠準(zhǔn)確地驗(yàn)證系統(tǒng)是否滿足指標(biāo)要求，極大地縮短了研制周期，能夠?qū)ο到y(tǒng)性能進(jìn)行有效的評(píng)估，同時(shí)可以將該方法運(yùn)用到其他光學(xué)系統(tǒng)光機(jī)熱集成分析中。

[1] Aurélia Secroun, Michael Lampton, Michael Levi. A high-accuracy, small field of view star guider with application to SNAP[J]., 2001, 12(2): 69-85.

[2] ZHANG S, XING F. Attitude measurement for spacecraft with high update rate based on the rolling shutter mode of a star tracker[C]//(CGNCC), 2018: 1-6.

[3] Leung H, Dubash N, Xie N. Transactions on Aerospace and Electronic Systems[J]., 2002, 38: 98.

[4] LIU H, TAN J, YANG J K, et al. Method for thermo-optic analysis in a star sensor[J]., 2010, 60(3): 276-281.

[5] LU S, HUANG Y. Thermal/Optical analysis of optical system of star tracker[C]//,, 2011, 8196: 125-134.

[6] Zacharov A I, Krusanova N L, Moskatiniev I V, et al. On increasing the accuracy of star trackers to subsecond levels[J]., 2018, 52: 636-643.

[7] 孟祥月, 王洋, 張磊, 等. 大相對(duì)孔徑寬光譜星敏感器光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)[J].紅外與激光工程, 2019, 48(7): 718005-0718005(8).MENG Xiangyue, WANG Yang, ZHANG Lei, et al. Lens design of star sensor with large relative aperture and wide spectral range [J]., 2019, 48(7): 718005-0718005 (8).

[8] 孫東起, 胡明勇, 劉晨凱, 等. 大口徑長(zhǎng)焦距星敏感器光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2021, 58(11): 1112001. SUN Dongqi, HU Mingyong, LIU Chenkai, et al.. Design of star sensor optical lens with large aperture andlong focal length[J]., 2021, 58(11): 1112001.

[9] 伍雁雄, 吳洪波, 張繼真, 等. 亞秒級(jí)甚高精度星相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 中國激光, 2015, 42(7): 312-321.WU Yanxiong, WU Hongbo, ZHANG Jizhen, et al. Optical system design of star camera with high precision better second level[J]., 2015, 42(7): 312-321.

[10] Lakshminarayanan V, Fleck A. Zernike polynomials: a guide[J]., 2011, 58(7): 545-561.

Optomechanical Design and Analysis of Large Aperture Thermal Insensitive Star Sensor

LIU Yongqing，GAO Tianyuan，HAN Xu

(College of Optoelectronic Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China)

To meet the requirements of large-aperture and long-focal-length star sensors, an optomechanical design of a large-aperture thermally insensitive star sensor was created. According to the index requirements, an optomechanical thermal integration analysis of the thermally insensitive system was conducted. The MSC Patran software applied temperature loads to the primary and secondary mirror structures to calculate their thermoelastic deformations. The rigid body displacement of the node after thermal deformation was calculated using the Nastran software, and the Zernike polynomial coefficients of the primary and secondary mirror surfaces after deformation were analyzed using Sigft optical mechanical interface software. The results were imported to Zemax to predict the influence of lens shape change and rigid body displacement on speckle, optical axis drift, and wave aberration. The system performance meets the index requirements and the accuracy of the optical mechanical thermal integration analysis is verified through an installation and debugging test in the temperature range of 20℃±5℃, providing an accurate and fast optical mechanical thermal integration analysis process.

star sensor, optical and mechanical design, diffuse plaque, optical mechanical thermal integration analysis

TH74

A

1001-8891(2024)01-0031-05

2022-11-21；

2022-11-30.

劉永清（1998-）男，碩士研究生，研究方向：光學(xué)儀器設(shè)計(jì)。E-mail: 2221515370@qq.com。

高天元（1970-）男，博士，研究員，研究方向：光學(xué)儀器設(shè)計(jì)。E-mail: gty@cust.edu.cn。