YNST光電導行鏡機械設計*

程向明，陳林飛，許 駿，柳光乾，樓 柯，鄧林華，付 玉

(1.中國科學院國家天文臺云南天文臺，云南 昆明 650011;2.中國科學院研究生院，北京 100049)

YNST坐落于云南省昆明市東南60 km的撫仙湖畔，是目前國內唯一的地平式真空太陽望遠鏡。YNST配備先進的光譜儀，可以進行太陽精細結構的光譜測量，建成后將大大促進我國太陽物理領域的發(fā)展。為了得到太陽的精細結構光譜，該望遠鏡的跟蹤精度要求很高(0.3″/30 s、1″/10 min)，僅靠碼盤導行已經(jīng)難以滿足如此高的跟蹤要求，因此采用光電導行系統(tǒng)以滿足所要求的跟蹤精度［1］。

YNST光電導行鏡是光電導行系統(tǒng)的重要組成部分。光電導行系統(tǒng)的主要功能有進行光電導行;全日面太陽活動監(jiān)測;參與主鏡光軸校正［1］。導行鏡與光電導行系統(tǒng)見圖1。

圖1 YNST光電導行系統(tǒng)示意圖Fig.1 Illustration of the guiding system of the YNST

由圖1可以看出，導行鏡在光電導行系統(tǒng)中具有重要作用，光電導行系統(tǒng)的所有功能均需要導行鏡的參與，導行鏡光機系統(tǒng)的性能將直接影響光電導行系統(tǒng)的工作。

根據(jù)光電導行鏡的功能特點和要求，本文設計了導行鏡的機械結構。為確保系統(tǒng)的光學質量，選擇了適當?shù)亩ㄎ慌c固定方式實現(xiàn)導行鏡光學元件的夾持;為了克服溫度變化造成離焦，采取了被動式無熱化設計，保證導行鏡的溫度適應性，與電控穩(wěn)焦相比結構簡單，易于使用。對太陽輻射導致的熱變形計算表明，無熱化設計是有效的;鏡體彎沉計算表明，鏡體剛度設計結果滿足系統(tǒng)需求。

1 光電導行鏡光路與機械設計要求

1.1 導行鏡光路

光電導行系統(tǒng)中心波長為430 nm，光學設計的理論分辨率2.5″，接近衍射極限。光電導行鏡的光路見圖2，圖中，1、2為透鏡，3為分光棱鏡，4為濾光片，5為相機。

圖2 YNST導行鏡光路示意圖Fig.2 The optical layout of the guiding telescope of the YNST

導行鏡的主鏡焦比為8.8，CMOS相機靶面尺寸為7 mm×10.5 mm，視場約為1°×1.5°(矩形)，導行鏡的光學系統(tǒng)與探測器經(jīng)過匹配，靶面四分之一的面積(30'×45')即可滿足全日面成像的要求，滿足光電導行系統(tǒng)的要求。

為免鏡筒內空氣擾動影響像質，導行鏡需要設計成真空鏡筒，真空度參考YNST主鏡真空度要求(0.1托)。

1.2 性能要求

根據(jù)光電導行鏡功能特點，導行鏡的機械設計應滿足如下要求:

(1)保證光路的正確實現(xiàn)，元件的固定應當穩(wěn)固可靠;

(2)環(huán)境溫度變化不影響導行功能的實現(xiàn);

(3)鏡筒彎沉不影響光軸校正;

(4)具有指向調節(jié)功能，調節(jié)機構應便于操作，簡單可靠;

(5)保證導行鏡鏡筒內所要求的真空度。

2 光電導行鏡機械設計

2.1 設計要求分析

只有將導行鏡的性能要求轉化為具體的設計目標，才便于進行機械設計。

首先，元器件的夾持結構應按照光學設計給定的元件位置尺寸要求設計，并且應簡單可靠;其次，溫變環(huán)境可能導致系統(tǒng)的離焦，從而影響像質不利于導行鏡功能實現(xiàn)，因此要從設計方案上想辦法克服;再次，鏡筒彎沉影響光軸校正，這要求賦予鏡體結構足夠的剛度以控制形變;第四，指向調節(jié)功能應連接可靠，調節(jié)簡便;第五，因有真空度要求，所以設計時要考慮密封;此外，還需要考慮雜散光抑制、材料的選擇等問題。

概括起來，導行鏡的設計可以分解為以下幾個方面:

(1)各光學元件的夾持結構設計;

(2)消熱結構設計;

(3)鏡筒剛度設計;

(4)指向調節(jié)機構與安裝結構設計;

(5)密封設計;

(6)雜散光的抑制;

(7)材料的選擇。

基于功能語言學對于語言的概念、人際和組篇三大元功能的分析，Kress & van Leeuwen將這些功能拓展到視覺圖像的領域，并構建了相應的圖像語法體系。 本節(jié)運用該理論對漫畫1和漫畫2進行重點闡釋。

導行鏡總體結構見圖3。

圖3 YNST導行鏡結構示意圖Fig.3 Illustration of the structure of the guiding telescope of the YNST

2.2 密封設計

由于擔心導行鏡鏡體內空氣湍流影響像質，提出了真空鏡筒的設想。因此導行鏡要做真空密封設計。

對于真空密封，通常采用O形橡膠圈密封，密封結構采用平面榫槽密封面［2］。橡膠密封圈可采用邵氏硬度為55～65的丁腈橡膠或氯丁橡膠密封圈。

有資料表明［3－4］，澄江觀測地的年極端最高氣溫約33℃，極端最低氣溫約－2℃，給定導行鏡設計環(huán)境溫度為－10～40℃，因此不需特別的高溫或低溫密封圈。

對于導行鏡，如果能夠做到整體密封是最理想的，但是考慮到具體情況，不適合整體密封。CMOS相機和激光器的電纜線和數(shù)據(jù)線需要與外界相連，難以實現(xiàn)有效密封。而且上述兩部分光路光程很短，不密封對光學性能影響較小，因此確定僅將光路的大部分也就是鏡體部分納入密封設計，密封范圍見圖4。

從圖中可以看出，密封范圍包括:主鏡處、激光光路接入處、濾光片以及真空閥接口處。各處密封均采用O形圈密封。為了便于密封，需要在主鏡之前和激光光路接入處增加密封窗。濾光片是平板玻璃，可以兼具密封窗的功能。

2.3 消熱結構設計

隨著結構體溫度的變化，結構尺寸會因材料的膨脹和收縮而變化，從而引起元件的相對位置發(fā)生變化。如果位置變化較大，就可能影響光學系統(tǒng)的性能。

導行鏡的工作溫度范圍是－10～40℃，加上太陽輻照造成結構溫度不均勻，可能導致相機靶面與焦面嚴重不重合。因此要在設計時考慮適當?shù)慕Y構方案加以克服。

圖4 YNST導行鏡密封示意圖Fig.4 Illustration of the seal of the guiding telescope of the YNST

由于光學系統(tǒng)并未針對溫度變化進行設計，從可靠性與復雜程度兩方面綜合考慮，決定采用機械被動式無熱化技術。

本文采用的機械被動式無熱化機構參見圖5。

圖5 無熱化結構示意圖Fig.5 Illustration of the structure for athermalization

欲滿足溫度變化時不產生離焦，需滿足如下條件:

式中，L0為鏡體特征長度;L1為主鏡座特征長度;L2為相機座特征長度;α0為鏡體膨脹系數(shù);α1為主鏡座膨脹系數(shù);α2為相機座材料膨脹系數(shù)。

2.4 光學元件夾持設計

由導行鏡光路圖可知，導行鏡涉及的光學元件有光學主鏡、分光棱鏡、濾光片、密封光窗等，此外還有CMOS相機也需要設計安裝結構。激光器、激光器透鏡的安裝結構暫未設計，但留出了安裝接口。

對光學儀器而言，光學元件的夾持應保證位置和姿態(tài)的準確。根據(jù)設計要求，各元件的安裝結構設計結果介紹如下。

2.4.1 主鏡夾持結構設計

導行鏡的主鏡為雙分離透鏡，兩塊透鏡有較高的同軸度要求和間隔要求。為了便于安裝，采用隔圈實現(xiàn)透鏡間隔的確定。為了減小接觸應力，隔圈兩側分別采用相切與超環(huán)面設計。透鏡整體采用螺紋壓圈進行固定。

2.4.2 分光棱鏡夾持結構設計

分光棱鏡的安裝采用了半運動學的夾持方式，靠加工保證位置精度，這種安裝具有一定的調節(jié)旋轉能力。

分光棱鏡的夾持結構見圖6。

圖6 分光棱鏡夾持結構示意圖Fig.6 Structure for the gripping of the beam-splitter prism

2.4.3 封窗夾持結構設計

封窗共有3個，分別是主鏡封窗、激光光路封窗和濾光片。封窗為圓形平板玻璃，采用螺紋壓圈固定，并設計有O形圈密封結構，封窗壓住密封圈，實現(xiàn)密封功能。

2.4.4 相機安裝結構設計

利用CMOS相機背后的安裝螺孔，將相機固定在安裝板上，再將安裝板固定于座體上。

作為無熱化結構設計的一部分，相機安裝在矩形框架內部。同時，這種方式也有利于相機的保護。數(shù)據(jù)線和電纜線從矩形框的側面引出。

2.4.5 激光光路安裝結構設計

考慮到激光器透鏡的位置需要進行調節(jié)，宜將激光器透鏡和激光器另外安裝，再作為整體裝在鏡身上。

由于激光光路暫不使用，因此僅留出了接口。在該處設計有密封光窗。

2.5 鏡體剛度設計

整個導行鏡的質量約23 kg，為了保持結構剛度，鏡體壁厚約7 mm，矩形框部分增加了加強筋?？梢员ＷC軸線最大彎沉量小于1″。在10 min內，彎沉變化可小于0.1″，滿足導行要求。

2.6 調焦機構與安裝結構設計

2.6.1 調焦機構設計

對于光學系統(tǒng)的設計，盡管大多數(shù)參數(shù)事先已知曉，但仍有必要設計調焦機構來進行精密調焦。根據(jù)瑞利準則，導行鏡主鏡的焦深為:

式中，δL'為焦深(單邊絕對值);λ為中心波長;U'm為孔徑邊緣光線傾角;D為光闌口徑;l為光闌到焦點距離。

因此所設計的調焦機構的調節(jié)精度值至少不大于0.13 mm。由于總體采用無熱化設計，因此一個手動調焦機構便足夠了。該調焦機構采用差動螺紋機構，差動機構的有效螺距為0.25 mm，調節(jié)螺母周向均布25條刻線，可實現(xiàn)精度不低于0.01 mm的調焦，完全可以滿足使用要求。調焦機構有消隙結構。

2.6.2 安裝結構設計

這里所說的安裝結構，是指將導行鏡安裝到YNST主鏡上的結構。

根據(jù)導行鏡的功能，導行鏡的光軸應與主鏡光軸平行。采用經(jīng)典的抱箍結構固定導行鏡，結構簡單可靠。

導行鏡安裝在太陽塔主鏡的中間塊上。這個部位是望遠鏡的重心和轉動中心，便于安裝固定。

2.7 雜散光抑制設計

為避免雜散光的影響，主鏡封窗玻璃前留有較長的鏡體，可起遮光罩的作用，鏡筒內壁則車制消光螺紋。所有零件表面發(fā)黑處理，僅導行鏡外表面涂白漆。另外，在CCD相機和棱鏡座上添加了兩個遮光筒，相互交錯，消除可能的雜散光影響。

2.8 材料選擇

根據(jù)無熱化結構的需要，鏡身材料用A3鋼，主鏡座、棱鏡座、和相機安裝結構采用硬鋁，調節(jié)帽和調節(jié)機構軸襯為銅合金。

2.9 設計結果

導行鏡的外表面涂白色漆，盡量減少對對陽光的吸收。導行鏡實物見圖7。

圖7 導行鏡實物外形Fig.7 Outside view of the guiding telescope of the YNST

經(jīng)實驗測試，導行鏡調焦功能可靠，成像清晰。

3 太陽輻照下導行鏡熱變形校核

導行鏡的無熱化設計是基于均勻溫度分布變化的情況的。但實際上，導行鏡鏡體的溫度不可能是均勻分布的，特別是由于YNST導行鏡用于太陽觀測，并且導行鏡具有正對太陽的突起結構，太陽輻照致熱現(xiàn)象比較嚴重。因此，導行鏡的鏡體結構在觀測過程中溫度的變化遠較夜天文望遠鏡大，且溫度分布不均勻。由此產生的結構熱變形，可能使成像面與焦面的相對位置發(fā)生較大偏離，產生熱離焦。

YNST光電導行鏡安裝在望遠鏡主鏡筒上，跟隨望遠鏡一起運動。由于觀測目標是太陽，因此觀測時間在晴朗的白晝，且鏡體軸線與陽光入射線平行，不工作時則被關閉的圓頂所保護。在導行鏡工作的時候，導行鏡前方有一個減光模塊，用來衰減太陽光(衰減為萬分之三)。因此光窗、主鏡及鏡體前端面都是受到減弱后的光線垂直照射。另外，由于鏡體軸線與陽光入射線重合，鏡體側壁不會有陽光照射，而鏡體中間凸起部分與鏡筒軸線垂直的前表面則受到陽光的垂直入射。導行鏡鏡筒內抽真空。

由此可知，導行鏡存在的熱交換形式主要為:

(1)太陽光對導行鏡的輻射(分為衰減和不衰減的);

(2)導行鏡與外部空氣的對流換熱;

(3)導行鏡與環(huán)境的輻射換熱;

(4)導行鏡各零部件之間的熱傳導。

采用集成于三維CAD軟件SolidWorks環(huán)境下的COSMOSWork對導行鏡的太陽輻照致熱及熱變形進行了計算。典型工況下(低溫狀態(tài))導行鏡的溫度分布與熱變形計算結果見圖8和圖9。

圖8 低溫狀態(tài)導行鏡體溫度云圖Fig.8 Thermogram of the guiding telescope near a low temperature

圖9 低溫狀態(tài)導行鏡體熱變形云圖Fig.9 Deformograph of the structure of the guiding telescope near a low temperature

計算結果表明，單純太陽輻射直接造成的熱變形約為7 μm，遠小于系統(tǒng)焦深，而均勻溫度變化產生的結構變形已經(jīng)被無熱化結構所抵消，因此不會造成熱離焦，這也說明無熱化設計是有效的。

4 鏡筒彎沉校核

鏡筒彎沉是鏡體在自重作用下造成的鏡體彎曲變形。鏡體彎沉的結果將造成光路的畸變，影響成像質量和指向精度。由于結構及重量原因，YNST主鏡筒產生的彎沉可能影響望遠鏡的指向精度。光電導行系統(tǒng)參與校正這一偏差，其中，導行鏡的彎沉量比主鏡的彎沉小得多，從而成為主鏡彎沉的校準器。

由于導行鏡在工作時其姿態(tài)在不斷發(fā)生變化，彎沉量也在發(fā)生變化。當導行鏡處于水平狀態(tài)時彎沉量最大。一般，在一天的觀測過程中，會有兩次接近最大彎沉。

采用COSMOSWorks對導行鏡鏡筒的最大彎沉進行了計算，計算云圖見圖10。計算結果表明，在重力作用下，鏡筒處于水平狀態(tài)時的總彎沉量約為2.4 μm，相對距離約為600 mm，轉角約為0.83″。

在半個觀測時段(約5h)內，導行鏡的彎沉從最小(接近0)變化到最大值。因此在10 min內，彎沉的變化量約為0.04″，這一結果可以滿足光軸校正的要求。

圖10 導行鏡彎沉云圖Fig.10 Deflection graph of the guiding telescope

5 結論

根據(jù)YNST光電導行鏡的功能分析了導行鏡的機械設計要求，并據(jù)此進行了機械結構設計。在設計中采用了機械被動式無熱化結構，可消除溫度變化造成的離焦。各元件的夾持結構穩(wěn)定可靠。作為校核，計算了導行鏡受陽光輻照導致的熱變形以及導行鏡的最大彎沉，結果表明設計結果滿足性能要求。

致謝:在本文工作中，南京天文光學技術研究所薛俊蓀高級工程師、昆明物理所張衛(wèi)峰高級工程師以及成都光電所于學剛工程師曾給與支持與幫助，在此表示感謝。同時也感謝袁沭、宋佳陽和宋騰飛在本文相關工作中給予的幫助。

［1］鄧林華，柳光乾，程向明，等.1m紅外太陽望遠鏡光電導行系統(tǒng)的反饋控制分析［J］.天文研究與技術——國家天文臺臺刊，2009，6(4):310－318.Dong Linhua，Liu Guangqian，Cheng Xiangming，et al.Analysis of the Feedback-Control System of the Auto Guide System of the 1m Infrared Solar Telescope of the Yunnan Observatory［J］. AstronomicalResearch ＆ Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China，2009，6(4):310－318.

［2］吳宗澤.機械設計師手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2002:1843.

［3］陸鴻賓.撫仙湖的氣候特征［J］.海洋湖沼通報，1981(4):1－12.

［4］樓柯，劉忠，張瑞龍，等.紅外太陽塔撫仙湖老鷹地選址［J］.天文學進展，2001，19(2):147－150.Lou Ke，Liu Zhong，Zhang Ruilong，et al.The Site Testing Data of Day Time Seeing and Vapor from Fuxian Lake［J］.Progress in Astronomy，2001，19(2):147 －150.

［5］Veronica Povey.Athermalisation Techniques in Infra Red System［J］.SPIE，1986(655):142－153.

［6］李忠.國外溫度補償自調焦紅外光學系統(tǒng)研究的評述［J］.紅外與激光技術，1995(2):11－16.

［7］李娟，王英瑞，張宏.一種機械被動式無熱補償方法［J］.紅外與激光工程，2006，35(4):476－480.Li Juan，Wang Yingrui，Zhang Hong.New passive compensating mechanism for athermalisation［J］.Infrared and Laser Engineering，2006，35(4):476－480.