1.25m口徑寬波段測試設(shè)備設(shè)計(jì)

李盛林，韓光宇，盧惠琴，劉希財(cái)

（1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所激光與物質(zhì)相互作用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100039；3.南京中科天文儀器有限公司，江蘇 南京 210042）

1 引言

隨著光電技術(shù)的發(fā)展，為了使光電測量系統(tǒng)具有多譜段的探測能力，通常在光電跟蹤測量設(shè)備上同時(shí)配有可見，紅外跟蹤及激光測距等多個(gè)光學(xué)系統(tǒng)[1]。而多光軸光測系統(tǒng)的平行性問題成為衡量系統(tǒng)性能的重要內(nèi)容[2]，是光測設(shè)備測量結(jié)果準(zhǔn)確的關(guān)鍵之一。光測設(shè)備在設(shè)計(jì)、安裝、檢修以及在環(huán)境變化引起的失調(diào)等情況下，都需要對(duì)光測設(shè)備的多光軸平行度進(jìn)行檢測和調(diào)校。

光軸一致性檢測方法有投影靶板法、激光光軸儀法、五棱鏡法、分光路投射法和大口徑平行光管法等[3]。對(duì)于大口徑的光測設(shè)備，因?yàn)榇罂趶狡叫泄夤芫哂姓`差環(huán)節(jié)少，精度高的優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)較為廣泛。文獻(xiàn)[3]采用的離軸大口徑平行光管對(duì)光軸一致性的檢測方法檢測較好，但采用了兩組分光鏡，結(jié)構(gòu)安裝較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[4]所設(shè)計(jì)的多光軸準(zhǔn)直系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，但是只針對(duì)于待測系統(tǒng)的激光發(fā)射軸有接收成像的功能，適用范圍較窄。因此，要設(shè)計(jì)一套結(jié)構(gòu)簡單，適用性廣，大口徑，多波段的多光軸檢測系統(tǒng)。此外，該設(shè)備還要求可以作為輻射特性測量系統(tǒng)的目標(biāo)源。

要獲得較高的測試精度，必須要保證主鏡有較高的面形精度。由于口徑較大，主鏡重量較大，所以必須設(shè)計(jì)合理的支撐結(jié)構(gòu)使主鏡在重力作用下變形最小。主要的徑向支撐方式有水銀帶支撐，徑向余弦推力支撐，柔性切向桿機(jī)構(gòu)支撐和芯軸支撐等[5-8]。

根據(jù)研制的某光測設(shè)備的需求，首先簡單介紹了系統(tǒng)組成和原理，然后對(duì)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了較為詳細(xì)的論述，最后經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)符合預(yù)期的要求。

2 系統(tǒng)組成及原理

2.1 系統(tǒng)組成

大口徑平行光管為卡塞格林式，分光鏡將光路分成兩路，透射光路由衰減片，探測器（激光接受部件、CCD探測器、視頻采集卡、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件）組成；反射光路由目標(biāo)發(fā)生器（包括可見光源，黑體輻射源和目標(biāo)發(fā)生器切換裝置）、靶輪，靶標(biāo)（帶有分劃板）組成，其中靶標(biāo)安裝在焦面處。此外還配有光學(xué)平臺(tái)，氣浮平臺(tái)，為控制雜散輻射而設(shè)計(jì)的筒壁和水冷裝置。系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 System Components

2.2 系統(tǒng)原理

檢測激光發(fā)射光軸與可見光光軸的平行性。由積分球發(fā)射可見光，經(jīng)過十字絲分劃板，分光鏡，次鏡，主鏡，為可見光瞄準(zhǔn)軸提供無窮遠(yuǎn)目標(biāo)，可見光十字靶標(biāo)成像在可見光瞄準(zhǔn)具物鏡的焦面上。激光發(fā)射軸瞄準(zhǔn)十字靶標(biāo)的成像發(fā)射激光，激光經(jīng)過次鏡、主鏡、分光鏡，衰減片，在轉(zhuǎn)換片上形成光斑，在CCD相機(jī)上成像。光斑與CCD視場中心的偏差由兩光軸不平行造成的。通過軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理CCD中心與光斑距離得到激光發(fā)射軸與可見光瞄準(zhǔn)系統(tǒng)光軸的平行度。

切換到黑體輻射源，同理可以檢測激光發(fā)射軸與紅外瞄準(zhǔn)軸系統(tǒng)光軸的平行性。

2.3 主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)該項(xiàng)目的具體要求，需要滿足下面的技術(shù)要求和性能要求：

（1）光譜范圍：（0.4～20）μm；

（2）系統(tǒng)有效通光口徑：Ф1250mm；

（3）系統(tǒng)焦距：15000mm±30mm；

（4）在視場0°-±0.03°內(nèi)時(shí)，光管系統(tǒng)波像差：優(yōu)于λ/15（RMS，λ=632.8nm）；

在視場±0.03°-±0.08°內(nèi)時(shí)，光管系統(tǒng)波像差：優(yōu)于λ/7。

在視場±0.08°-±0.16°內(nèi)時(shí)，光管系統(tǒng)波像差：優(yōu)于1.5λ。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 主鏡支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主鏡支撐是平行光管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最為重要的部分，主鏡的面形精度直接影響成像質(zhì)量[10]，考慮到主鏡尺寸，重量較大，同時(shí)系統(tǒng)裝調(diào)時(shí)會(huì)帶來一些誤差，則主鏡在支撐后的面形精度至少要達(dá)到λ/40（RMS，λ=632nm），才能保證系統(tǒng)面形精度λ/15（RMS，λ=632nm）的要求。由于平行光管的有效口徑達(dá)到了1250mm，且沒有俯仰方向的變化，且主鏡經(jīng)過一次裝調(diào)后，不需要拆卸，調(diào)整。使用柔性鋼帶側(cè)支撐與杠桿平衡重錘卸載機(jī)構(gòu)組合支撐的方式。同時(shí)主鏡底部，頂部的側(cè)支撐，主鏡背部底支撐作為輔助支持。主鏡支撐結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖2 主鏡支撐結(jié)構(gòu)Fig.2 Bracing Structure of Primary Mirror

3.2 次鏡室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

次鏡由次鏡室，次鏡座及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成，如圖6所示。次鏡裝在次鏡室內(nèi)，采用三翼對(duì)稱的支撐結(jié)構(gòu)，次鏡室背面為球頭機(jī)構(gòu)，通過三頂三拉結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)次鏡的俯仰角度，次鏡結(jié)構(gòu)安裝于三翼架上，三翼架通過三點(diǎn)均布的止釘調(diào)節(jié)次鏡平移，三翼架連接三根銦鋼桿與主鏡之間保證鏡間距。次鏡與三翼架面積相當(dāng)于主鏡面積遮攔比6.98%。

圖3 次鏡支撐結(jié)構(gòu)Fig.3 Bracing Structure of Second Mirror

3.3 水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)光測設(shè)備進(jìn)行輻射標(biāo)定時(shí)，需要將黑體放置在平行光管的焦面位置，其溫度范圍一般為（100～800）℃左右，腔型黑體并不是以絕對(duì)的平行光向外輻射，當(dāng)長時(shí)間使用時(shí)，附近的機(jī)械部件會(huì)逐漸積累熱量，由于恰好處于平行光管的焦面附近，該熱源即形成了紅外輻射定標(biāo)的雜散光，會(huì)對(duì)定標(biāo)精度造成很大的影響，因此必須加以解決。

在平行光管的設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)了一套水冷機(jī)構(gòu)，將其放置在黑體和平行光管的次鏡之間，水冷機(jī)構(gòu)內(nèi)部采用紫銅管以螺旋形式纏繞成多層的環(huán)形結(jié)構(gòu)，在紫銅管的兩端設(shè)計(jì)有水接頭，并通過水接頭分別與水冷機(jī)的出水口和入水口連接，在紫銅管外側(cè)通過發(fā)泡和鋁板構(gòu)成保溫層對(duì)紫銅管環(huán)帶進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)利用平行光管進(jìn)行輻射定標(biāo)時(shí)，開通冷水機(jī)，即可通過水循環(huán)帶走形成雜散光的熱量，進(jìn)而提高定標(biāo)精度。水冷機(jī)構(gòu)示意圖，如圖4所示。

圖4 水冷結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Sketch Diagram of Cooled Water

4 主鏡支撐卸載機(jī)構(gòu)的優(yōu)化

主鏡的卸載機(jī)構(gòu)的原理是一種杠桿機(jī)構(gòu)，卸載機(jī)構(gòu)對(duì)主鏡的作用點(diǎn)所組成的平面與主鏡的質(zhì)心面重合，利用重錘挑起主鏡來抵消主鏡的重力。對(duì)于任何一塊反射鏡，使用卸載機(jī)構(gòu)的數(shù)量、平衡塊的質(zhì)量、杠桿的力臂長度以及在反射鏡上的分布位置，都需詳細(xì)計(jì)算[9]。該優(yōu)化問題的設(shè)計(jì)變量包括支撐點(diǎn)個(gè)數(shù)N、支撐半徑R、卸載機(jī)構(gòu)支撐主鏡質(zhì)量的百分比M。優(yōu)化過程中以主鏡支撐后面形精度RMS最小為優(yōu)化目標(biāo)，將變形后反射鏡表面相對(duì)于變形前反射鏡表面的峰谷值之差PV值為約束條件，優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)描述為：

4.1 支撐點(diǎn)數(shù)目的優(yōu)化設(shè)計(jì)

主反射鏡支撐點(diǎn)的數(shù)量選取可根據(jù)一個(gè)確定反射鏡最少支撐點(diǎn)個(gè)數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式（Hall，1970），該公式是在反射鏡測試過程中防止自重變形大于規(guī)定的PV值給出的式（1）為：

式中：N—最少支撐點(diǎn)個(gè)數(shù)；r—反射鏡半徑；t—反射鏡厚度；ρ—反射鏡的材料密度；E—彈性模量；δ—允許的PV值.主鏡材料為微晶玻璃，ρ—2530kg/m3；E—91000MP，反射鏡邊緣厚度為150mm。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，可以得到最少支撐點(diǎn)數(shù)為2個(gè)，下面分別對(duì)2、4、6、8、10、12、14點(diǎn)支撐模型最優(yōu)化和重力作用下的面型分析。通過構(gòu)建不同的支撐模型，對(duì)支撐點(diǎn)個(gè)數(shù)N進(jìn)行優(yōu)化，如表1所示。由優(yōu)化結(jié)果顯示，N=8時(shí)，此時(shí)的支撐效果最好。N=10時(shí)，RMS有小幅度上升，但仍滿足要求；考慮到支撐點(diǎn)越多，加工成本越大，工藝性越復(fù)雜。所以綜上所述，選擇8點(diǎn)支撐方式。

表1 支撐點(diǎn)個(gè)數(shù)N與RMS/PV之間的關(guān)系（單位：nm）Tab.1 The Relation of N and RMS/PV（unit：nm）

4.2 支撐點(diǎn)位置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

支撐點(diǎn)個(gè)數(shù)確定以后，要確定盲孔在主鏡背板的位置，盲孔靠近主鏡中心孔的邊緣或靠近主鏡外部邊緣都會(huì)破壞局部的強(qiáng)度，造成塌邊的現(xiàn)象，會(huì)有較大的局部變形。主鏡口徑為1250mm，中心孔為200mm，盲孔直徑為100mm，綜合考慮，以盲孔中心到主鏡中心的距離即支撐半徑R從300到500mm，建立不同的模型進(jìn)行優(yōu)化，得到R與RMS，PV值之間的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 支撐半徑R與RMS/PV之間的關(guān)系Fig.5 Diagram of Supporting Radius and RMS/PV

要考慮到主鏡背板上還要安裝其他輔助支持結(jié)構(gòu)，要避免支撐點(diǎn)過于集中。通過優(yōu)化的結(jié)果和實(shí)際情況，選擇R=400mm.

4.3 平衡錘質(zhì)量的優(yōu)化

我們以重錘承擔(dān)主鏡重量的百分比作為優(yōu)化的變量，在保證PV值得前提下，以RMS作為優(yōu)化目標(biāo)，得到M與RMS，PV值之間的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 重錘重量M與RMS/PV的關(guān)系Fig.6 Diagram of Mand RMS/PV

由優(yōu)化結(jié)果可知，當(dāng)重錘卸載機(jī)構(gòu)承受80%的主鏡重力時(shí)，此時(shí)的RMS最優(yōu)。較大的臂長比會(huì)使支撐系統(tǒng)的諧振頻率降低，但較小的臂長比會(huì)增加每個(gè)重錘的質(zhì)量，且考慮到主鏡室的具體結(jié)構(gòu)，每個(gè)重錘的質(zhì)量為6.3kg。

5 主鏡支撐的有限元分析

5.1 非線性接觸理論

在有限元理論中，非線性的來源主要有三種，材料非線性，幾何非線性和邊界條件非線性[11]。在分析的過程中，接觸條件發(fā)生變化而產(chǎn)生的非線性問題是邊界條件非線性問題。對(duì)于接觸條件這類特殊的不連續(xù)約束問題，在計(jì)算的開始邊界條件不能全部給定，而是在計(jì)算過程中給定，所以分析方法必須能判斷兩接觸面的接觸與分離，并相應(yīng)施加和撤銷約束。鋼帶起到約束主鏡的作用，考慮到鋼帶在受力過程中會(huì)產(chǎn)生變形，鋼帶與主鏡之間的接觸會(huì)發(fā)生改變，這樣約束條件和受力情況都會(huì)發(fā)生改變，因此要進(jìn)行非線性的接觸分析。

5.2 有限元建模

為了更加準(zhǔn)確分析主鏡在鋼帶及重錘作用下的面形精度，我們在分析時(shí)主鏡與鋼帶之間建立接觸關(guān)系，并采用分析軟件ABAQUS的Newton-Raphson法來求解非線性問題，它把分析過程劃分為一系列的載荷增量步，在每個(gè)增量步開始前檢查所有接觸的相互作用狀態(tài)，以判斷從屬節(jié)點(diǎn)是閉合還是脫開，并相應(yīng)施加或撤除約束，在每個(gè)增量步內(nèi)進(jìn)行多次迭代，直到接觸狀態(tài)不發(fā)生改變才停止迭代。得到合理的解后再求下一個(gè)增量步，最后得出非線性問題的近似解。

采用有限元軟件ABAQUS建立有限元模型。主要包括主鏡，鋼帶和重錘杠桿機(jī)構(gòu)。主鏡采用六面體單元，鋼帶采用殼單元。鋼帶寬100mm，厚度為1mm。為了增加計(jì)算迭代的收斂性，接觸面網(wǎng)格細(xì)化處理。選取主鏡為主接觸面，鋼帶為從接觸面。經(jīng)過迭代計(jì)算，得到主鏡的變形云圖7（a）及變形擬合云圖7（b）。主鏡的面形精度RMS為11.19nm（λ/56），滿足主鏡λ/40的設(shè)計(jì)要求。

圖7 模型及分析結(jié)果Fig.7 Finite Element Model and Result

6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

系統(tǒng)波像差是整個(gè)測試設(shè)備最重要的性能指標(biāo)之一，是衡量測試設(shè)備測量精度是否精確的重要標(biāo)志。本實(shí)驗(yàn)采用自準(zhǔn)直法，利用4D動(dòng)態(tài)干涉儀對(duì)系統(tǒng)的波像差進(jìn)行檢測。

6.1 主鏡的裝調(diào)與檢測

（1）在主鏡內(nèi)安裝主鏡，并將鋼帶，卸載機(jī)構(gòu)安裝調(diào)試，主鏡與鏡室整體豎立并吊裝在光管主體機(jī)構(gòu)上。（2）架設(shè)主鏡檢測光路。（3）主鏡采用補(bǔ)償器檢測。主鏡光路架設(shè)完畢后，可檢測主鏡的初始面形，再根據(jù)干涉圖不斷的調(diào)整鋼帶的位置。最終得到主鏡面行精度為12.08nm，理論計(jì)算值為11.19nm，誤差為7%，考慮到有限元的計(jì)算中各種條件處于理想狀態(tài)，考慮到加工誤差、試驗(yàn)中的裝配誤差和實(shí)驗(yàn)環(huán)境的影響，誤差可以接受。主鏡的設(shè)計(jì)要求為優(yōu)于15.82nm，滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了主鏡的機(jī)械結(jié)構(gòu)支撐的合理性。

6.2 次鏡的裝調(diào)

（1）安裝三翼架、次鏡。將三翼架裝入鏡筒內(nèi)，調(diào)整三翼架位置，使其與鏡筒、主鏡同心，用經(jīng)緯儀檢測同心偏差。（2）調(diào)整干涉儀及平面鏡。（3）安裝調(diào)整次鏡，消除主次鏡同心誤差和主次鏡間距的誤差對(duì)系統(tǒng)波像差的影響。不斷地微調(diào)次鏡的位置、角度以及平面鏡的角度，直至將所有像差都消除掉，得到系統(tǒng)波相差的最優(yōu)值。

6.3 系統(tǒng)軸內(nèi)、外波像差的檢測

（1）光管整體吊裝在氣浮支架上，架設(shè)檢測光路。（2）吊裝直徑為1300mm的標(biāo)準(zhǔn)平面鏡平面鏡，調(diào)整平面鏡位置，與主，次鏡中心對(duì)齊。（3）調(diào)整干涉儀的位置，干涉儀位于系統(tǒng)焦面處（4）分別檢測系統(tǒng)軸內(nèi)視場（0°）軸外±0.03°、±0.08°和±0.16°視場的波像差，實(shí)驗(yàn)形式，如圖8所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。各視場的波像差均優(yōu)于設(shè)計(jì)要求，說明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及整個(gè)設(shè)備的設(shè)計(jì)合理，符合指標(biāo)要求。

圖8 平行光管檢測Fig.8 Collimator Testing

圖9 平行光管0度視場面行精度Fig.9 Collimator Figure Accuracy of 0°Field

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)要求（單位：nm）Tab.2 Experiment Result and Design Requirement（unit：nm）

7 結(jié)論

根據(jù)項(xiàng)目的技術(shù)指標(biāo)和性能要求，重點(diǎn)對(duì)大口徑平行光管的光主次鏡支撐系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過合理的主次鏡支撐結(jié)構(gòu)，保證了平行光管良好的面形精度；利用非線性接觸理論分析了支撐系統(tǒng)的合理性；從檢測結(jié)果來看，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足了項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求。