折轉(zhuǎn)光管結(jié)構(gòu)設(shè)計及檢測方法分析*

王 璐，趙建川，馬文家

（1.海軍裝備部駐沈陽地區(qū)軍事代表局駐長春地區(qū)軍事代表室，長春 130033；2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 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。隨著其在光學系統(tǒng)內(nèi)越來越廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)已經(jīng)成為一種典型的光學設(shè)備。因此，分析與掌握折轉(zhuǎn)光管的光學與機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方案及標校特性，在光學系統(tǒng)設(shè)計中的重要性不言而喻。

國內(nèi)外對折轉(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)光管在光電瞄準系統(tǒng)中的應(yīng)用[1－3]；折轉(zhuǎn)光管安裝誤差對于精度的影響[4]；折轉(zhuǎn)光管的典型光學結(jié)構(gòu)設(shè)計與機械結(jié)構(gòu)設(shè)計[5]；外界環(huán)境對折轉(zhuǎn)光管精度的影響[6－8]；折轉(zhuǎn)光管的各種檢測與標校方法等[9－10]。但對于折轉(zhuǎn)光管具體光學結(jié)構(gòu)設(shè)計及其機械結(jié)構(gòu)設(shè)計在實際環(huán)境中如何選擇并沒有具體闡述。

本文從實際應(yīng)用出發(fā)，首先介紹了幾種常用的折轉(zhuǎn)光管光學設(shè)計方案，并對每種方案進行了具體分析。其次從儀器精度設(shè)計角度出發(fā)，在折轉(zhuǎn)光管工作原理、形狀特性、外部干擾特性3個角度對折轉(zhuǎn)光管的通用結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了討論，并根據(jù)前述幾種光學設(shè)計方案為例，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)過程中采用檢測誤差與標校同時進行，以保證最終折轉(zhuǎn)光管的誤差達到預設(shè)精度范圍內(nèi)，因此本文最終闡述了適用于不同標校情況下的幾種常用折轉(zhuǎn)光管誤差檢驗方法，并分析了各種方法的優(yōu)缺點。

1 折轉(zhuǎn)光管的光學結(jié)構(gòu)設(shè)計

折轉(zhuǎn)光管的光學結(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)光管長度在300 mm以下時，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)點是省略了后續(xù)機械結(jié)構(gòu)裝配時的誤差檢測與調(diào)整，誤差完全由反射鏡兩反射面的精度決定，但相對成本較高。圖1（b）所示為由兩塊平面反射鏡組成的反射式光學系統(tǒng)，其特點在于制造成本低、機械固定簡單、裝調(diào)方便，但抵抗震動能力較差。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)光管光學系統(tǒng)，其相對于圖1（b）的優(yōu)點在于對于五棱鏡或直角棱鏡來說，能夠保證入射光與出射光完全垂直，因此具有抗環(huán)境震動的能力，適用于在具有較大震動環(huán)境的場合。缺點在于光線的多次折射會對光能量造成較大損失，同時在光路中會混入因為平面的反射光而產(chǎn)生的不易消除的多重假象。因此在使用時需要注意通過折轉(zhuǎn)光管減弱后的光能量是否滿足整套光學系統(tǒng)對于光能量強弱的要求；另外還需注意對于光學系統(tǒng)中假象的識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，使得固定更加方便。通過對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)計為主的光學設(shè)計，其相對成本較低、結(jié)構(gòu)簡單、光能損失少、裝調(diào)方便、靈敏度高。

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

2 折轉(zhuǎn)光管的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 材料選擇

K9玻璃作為一種常用的光學玻璃，其熱膨脹系數(shù)為7.1×10－6/K，具有化學性能穩(wěn)定、優(yōu)良的機械性能與抗劃傷性以及非常低的氣泡和雜質(zhì)等優(yōu)點被廣泛使用。對于在環(huán)境溫度存在變化下工作的光學元件，通常要考慮與其直接接觸的結(jié)構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)不能相差過大，否則在溫度變化較大情況下會造成結(jié)構(gòu)件對光學件的擠壓，導致光學件變形，進而影響整體精度的變化。因此在光學材料使用K9玻璃時，一般采用鑄鐵或鋼作為結(jié)構(gòu)件，因為其熱膨脹系數(shù)越11.5×10－6/K，與K9熱膨脹系數(shù)較接近，同時強度與研磨性能也相對鋁合金要好，缺點在于最終質(zhì)量會相對較重，可以通過合理的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計來減輕重量。

2.2 折轉(zhuǎn)光管安裝方向

對于誤差精度要求較高的光學系統(tǒng)中，折轉(zhuǎn)光管由于安裝擺放方式不同，在重力的作用下會產(chǎn)生形變，這種形變也會影響折轉(zhuǎn)光管的傳遞精度。因此在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要考慮折轉(zhuǎn)光管使用時的擺放方式。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)光管較長時，重力作用下折轉(zhuǎn)光管的中間部位會下沉進而使兩邊反射鏡產(chǎn)生彎曲，進而影響折轉(zhuǎn)光管的整體傳遞精度。因此通常在光管外部增設(shè)加強筋，同時在折轉(zhuǎn)光管頭尾兩部分位置設(shè)置固定支撐柱，以保證折轉(zhuǎn)光管不會在重力作用下產(chǎn)生導致折轉(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。

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、灰塵等。為了消除外界影響因素，通常也要在結(jié)構(gòu)設(shè)計上加以改進。

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罩結(jié)構(gòu)，折轉(zhuǎn)光管工作時打開保護罩，非工作狀態(tài)則關(guān)閉使其內(nèi)部空間保持相對獨立，避免光學系統(tǒng)暴露在惡劣環(huán)境中。若折轉(zhuǎn)光管需要保持長時間工作狀態(tài)或工作時無法避免折轉(zhuǎn)光管表面沾染灰塵等雜物，則需要進一步地在出光口及入光口處增加保護玻璃，以使得折轉(zhuǎn)光管內(nèi)部保持相對獨立環(huán)境。但是在折轉(zhuǎn)光管光學系統(tǒng)中加入保護玻璃后，會存在表面反射現(xiàn)象產(chǎn)生的表面像，進而影響光學系統(tǒng)。為了減弱表面像的影響，對于保護玻璃通常會鍍增透膜，同時通常會將保護玻璃處結(jié)構(gòu)設(shè)計為有一小楔形角度，使得保護玻璃安裝時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光學系統(tǒng)。圖3所示為一種簡易保護蓋的設(shè)計方法。

圖3 一種保護蓋設(shè)計方法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，會造成折轉(zhuǎn)光管的精度產(chǎn)生波動。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。內(nèi)層作為骨架，連接折轉(zhuǎn)光管的光學元件同時與外層相連，而外層則附加出光入光口保護罩與支撐柱。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

外界瞬時的巨大震動同樣會對折轉(zhuǎn)光管的精度產(chǎn)生巨大影響，甚至會對整體光機結(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)光管的精度以及對設(shè)備的保護。圖5所示為一種采用減震器設(shè)計的典型減震方法。

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

2.4 光學元件安裝固定

考慮折轉(zhuǎn)光管中光學元件的安裝，通常需要考慮以下幾點要求：

（1）對于光學元件安裝接觸位置應(yīng)力較小；

（2）滿足機構(gòu)震動過程中的使用精度要求；

（3）裝卡具備機械調(diào)整機構(gòu)，可以對光學系統(tǒng)進行微調(diào)。

以上為共性的設(shè)計思路，但涉及到不同光學結(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、微過機構(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，因此對于該方案設(shè)計可以不考慮保護玻璃及機械調(diào)整機構(gòu)，僅需考慮對玻璃整體進行包裹，以起到對其保護作用同時加入保護罩結(jié)構(gòu)即可，設(shè)計時可以在保證強度的基礎(chǔ)上使用仿真計算等方式進行輕量化設(shè)計。

對于圖1（b），通常結(jié)構(gòu)為將折轉(zhuǎn)光管在光路折轉(zhuǎn)方向連接為一個整體的筒型結(jié)構(gòu)，在其兩端固定平面鏡。固定時采用三點或四角壓片的方法將反射鏡施加較小預緊力固定在底座上后，使用熱膨脹系數(shù)與反射鏡較接近，同時變形系數(shù)較小的膠水（如706）在壓塊與反射鏡之間進行填充黏接。使用膠水填充黏接的好處在于保證了反射鏡固定的同時，減小了壓塊對反射鏡預緊力產(chǎn)生的變形，這種變形會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

對于光學結(jié)構(gòu)圖1（c）中五棱鏡的固定方法較復雜，因為五棱鏡本身形狀體積相對較大，同時為保證光管的精度，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，先將五棱鏡以三點形式壓緊在底座基面上，約束其6個自由度中的1個位移與2個旋轉(zhuǎn)。在五棱鏡2個透光面放置3個定位銷，其他3個非透光面方向設(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個自由度。固定時五棱鏡與結(jié)構(gòu)件之間可加入襯墊，以保證五棱鏡與結(jié)構(gòu)件之間不是以點接觸方式壓靠。

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

對于結(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械壓緊方法進行固定，如圖8所示為使用機械壓緊的半固定方法進行固定的示意圖。利用一個粗磨過直角棱鏡頂面作為基準面，利用具有彈性的襯墊和螺釘在棱鏡三點施加預緊力。

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)境基本無振動情況下，還可以考慮使用光學黏接膠將棱鏡直接黏接在表面處理過的調(diào)整座基面上。在對折轉(zhuǎn)光管進行調(diào)整時，僅需對調(diào)整座進行調(diào)整。

3 典型誤差檢測方法

折轉(zhuǎn)光管的光學與機械結(jié)構(gòu)設(shè)計都結(jié)束后，需要考慮折轉(zhuǎn)光管安裝后的調(diào)整過程。通常折轉(zhuǎn)光管的誤差檢測與調(diào)整同時進行。對于折轉(zhuǎn)光管的誤差檢測，最重要的步驟為準直光路的構(gòu)建，通常根據(jù)折轉(zhuǎn)光管尺寸、操作環(huán)境、檢測設(shè)備以及所需檢測精度不同，構(gòu)建不同的準直光路及測量方法。

3.1 平面鏡檢測法

平面鏡檢測法如圖9所示。在折轉(zhuǎn)光管尺寸不是很長的情況下，可使用直徑大于折轉(zhuǎn)光管長度的平面鏡作為測量基準，先將自準直儀與平面鏡準直后，在兩者之間擺放折轉(zhuǎn)光管并調(diào)整到適當位置，自準直儀發(fā)射的準直光通過折轉(zhuǎn)光管折射到平面鏡后又接收到返回像，即可通過返回像的誤差測得折轉(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)光管長度限制。

圖9 平面鏡檢測法Fig.9 Plane mirror inspection method

3.2 水銀盤檢測法

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

圖10 水銀盤檢測法Fig.10 Mercury plate test method

3.3 五棱鏡檢測法

五棱鏡檢測法如圖11所示。若平面鏡尺寸較小，可以通過2個五棱鏡代替折轉(zhuǎn)光管的方法進行誤差測量。使用2個五棱鏡建立從自準直儀到平面鏡的準直光路，將自準直儀與平面鏡準直。準直后用折轉(zhuǎn)光管替代五棱鏡連接從自準直儀到平面鏡的光路，通過此時的返回像誤差可以計算出折轉(zhuǎn)光管的折轉(zhuǎn)誤差。這種方法的優(yōu)點同樣不受折轉(zhuǎn)光管長度的限制，但缺點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算時需考慮。

圖11 五棱鏡檢測法Fig.11 Pentaprism detection method

4 結(jié)束語

本文從實際工程應(yīng)用角度出發(fā)，首先闡述了折轉(zhuǎn)光管常用的幾種光學結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并對每種方案進行了精度、優(yōu)缺點分析以及針對實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)計的幾個方面，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鏡的固定方法，并對前述幾種光學結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的機械方案進行了具體分析與設(shè)計。最后詳細闡述了幾種常用折轉(zhuǎn)光管的精度檢測方法以及使用條件，并對檢測方法精度進行了比較。本文對于折轉(zhuǎn)光管在工程方面的設(shè)計具有一定的參考意義。