高低溫試驗(yàn)裝置中多光譜光學(xué)窗口組件設(shè)計(jì)

惠剛陽，張 博，左曉舟，王中強(qiáng)，劉 欣，趙紅軍

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

引言

隨著光電成像探測系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性要求的提高，不僅需要考核光電系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下的工作能力，同時(shí)還要考核其性能指標(biāo)，比如在不同環(huán)境溫度條件下光電系統(tǒng)的分辨率、成像傳遞函數(shù)等，避免由于苛刻的環(huán)境因素導(dǎo)致光電系統(tǒng)成像質(zhì)量嚴(yán)重下降[1-4]。因此，需要建立一套光電成像系統(tǒng)高低溫試驗(yàn)裝置來模擬光電系統(tǒng)在高低溫環(huán)境中設(shè)計(jì)的合理性及其環(huán)境適應(yīng)性，并完成相關(guān)性能指標(biāo)的測試驗(yàn)證。光電成像系統(tǒng)高低溫試驗(yàn)裝置主要由具有多光譜光學(xué)窗口的高低溫箱和外置的目標(biāo)模擬器組成，其中多光譜光學(xué)窗口組件為高低溫箱及被試產(chǎn)品與外部目標(biāo)模擬器的接口，為該裝置的核心組件。它不僅作為隔離組件實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品與外部目標(biāo)的隔離，同時(shí)作為通光窗口，是測試光束的必經(jīng)通道，其光學(xué)性能直接影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性[5-7]。光學(xué)窗口組件在設(shè)計(jì)過程中不僅需要考慮光學(xué)窗口組件適應(yīng)的光譜范圍、強(qiáng)度、剛度，還需要考慮高低溫環(huán)境條件下光學(xué)窗口組件的結(jié)霜結(jié)霧等問題，以及光學(xué)窗口組件透射性能對(duì)產(chǎn)品檢測結(jié)果的影響。

空間相機(jī)領(lǐng)域常用到光學(xué)窗口組件，一般采用雙層玻璃真空環(huán)境，內(nèi)外有一定的壓力差，兩層光學(xué)玻璃之間在抽真空后充入一定大氣壓的干燥氮?dú)鈁8-9]。該方案可以實(shí)現(xiàn)逐級(jí)減壓，減小每層光學(xué)玻璃承受的壓差，有效提高整個(gè)光學(xué)窗口組件的安全可靠性?；诖朔桨福瑸榱吮ＷC密封及內(nèi)外壓力差等，本文對(duì)于通光口徑Φ310 mm 的光學(xué)玻璃（尺寸Φ310 mm×30 mm）進(jìn)行周向注膠并承受內(nèi)外壓力差。但是，選用的窗口玻璃——多光譜ZnS基底材料對(duì)尺寸有一定的限制，對(duì)于Φ310 mm 光學(xué)材料厚度只能選20 mm，這樣的徑厚比材料在一定真空條件（0.5 個(gè)大氣壓）下產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)使光學(xué)窗口的面型發(fā)生較大變化，難以滿足透射波像差RMS 值優(yōu)于λ/15(λ=632.8 nm)的要求，因此，必須采用一種新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案解決周向注膠和內(nèi)外壓力差等問題。

光電系統(tǒng)高低溫試驗(yàn)裝置中光學(xué)窗口組件根據(jù)測試對(duì)象選取的有效口徑為Φ300 mm，光學(xué)窗口可覆蓋0.4 μm～0.96 μm、1.2 μm～2.0 μm、3.5 μm～12 μm 波長范圍，同時(shí)在光學(xué)窗口正面和窗口反面鍍制增透膜，保證覆蓋的各個(gè)光譜段具有較高的透過率?；谏鲜鲆?本文選擇多光譜ZnS 作為光學(xué)窗口基底材料，并對(duì)光學(xué)窗口組件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)要求光學(xué)倉內(nèi)大氣壓力與外界大氣壓相同，從而解決壓力變形問題。為了保證窗口組件的環(huán)境溫度適應(yīng)性，提高光學(xué)窗口組件的工作可靠性，采用雙層窗口玻璃結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以減小窗口玻璃的溫度梯度，減小溫度對(duì)窗口面型的影響程度。

文中敘述了光學(xué)窗口組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，充分考慮了裝配應(yīng)力及窗口面型精度，采用有限元分析軟件Ansys 計(jì)算了壓力對(duì)光學(xué)玻璃表面變形的影響，利用CODE V 軟件分析計(jì)算了通光口徑為Φ310 mm 的光窗組件中光學(xué)玻璃表面變形對(duì)波像差RMS 值的影響，計(jì)算分析了光窗組件中光學(xué)玻璃表面變形對(duì)光程差的影響。計(jì)算分析結(jié)果表明，文中給出的光學(xué)窗口組件結(jié)構(gòu)方案既滿足強(qiáng)度和可靠性要求，又滿足光學(xué)性能要求，整個(gè)光學(xué)窗口組件安全可靠。

1 主要技術(shù)指標(biāo)及要求

光學(xué)窗口組件是光電系統(tǒng)高低溫試驗(yàn)裝置（如圖1 所示）的核心部件，承擔(dān)著光學(xué)性能指標(biāo)測試的主要任務(wù)，其工作狀態(tài)及面型精度直接影響光電系統(tǒng)性能指標(biāo)測試的置信度，因此該組件不僅需要滿足透射光學(xué)性能指標(biāo)，而且需要滿足高低溫條件下不結(jié)霜結(jié)霧，面形不發(fā)生較大變化。光學(xué)窗口組件的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

圖1 光電系統(tǒng)高低溫試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of high and low temperature test device for photoelectric system

1）光學(xué)窗口組件有效通光孔徑為Φ300 mm（光學(xué)玻璃直徑Φ310 mm），材料為多光譜ZnS；

2）光學(xué)窗口組件在試驗(yàn)裝置溫度為-55 ℃～+70 ℃恒溫期間不結(jié)霜結(jié)霧；

3）光學(xué)窗口組件在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)透射波像差RMS 值優(yōu)于λ/15(λ=632.8 nm)；

4）具備充氮?dú)饨涌凇?/p>

2 光學(xué)窗口組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合考慮光學(xué)窗口組件工作狀態(tài)下不結(jié)霜結(jié)霧要求、透射波像差要求、安全可靠性及光電系統(tǒng)性能測試要求，文中針對(duì)光學(xué)窗口組件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)。

2.1 光學(xué)窗口組件結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

為保證光學(xué)窗口組件的微應(yīng)力裝配、工作狀態(tài)下透射波像差及高低溫工作時(shí)不結(jié)霜結(jié)霧等要求，光學(xué)窗口組件采用雙層光學(xué)玻璃結(jié)構(gòu)方案，主要由窗口玻璃、外鏡框、內(nèi)鏡框、尼龍隔圈、壓圈、尼龍外壓圈、中間鏡筒、加熱片組成，如圖2所示。窗口玻璃裝配在內(nèi)外鏡框上，通過尼龍隔圈和壓圈固定。該設(shè)計(jì)方案以透射波像差精度和除霜除霧功能為主要出發(fā)點(diǎn)，通過選取特種材料及膜層解決多光譜成像問題；通過各個(gè)零件材料的選取及特征尺寸設(shè)計(jì)，解決窗口組件光學(xué)元件與結(jié)構(gòu)件之間的微應(yīng)力裝配問題，并通過隔熱結(jié)構(gòu)及特殊材料的設(shè)計(jì)減小窗口熱梯度，解決了窗口玻璃的隔熱和導(dǎo)熱問題；通過在中間鏡筒增加加熱片，為鏡筒內(nèi)提供一個(gè)熱場，解決光學(xué)窗口表面加熱問題；通過特殊通道式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)光學(xué)窗口表面微風(fēng)吹掃功能，解決光學(xué)窗口裝置在高低溫過程中結(jié)霜結(jié)霧問題，最終完成了滿足透射波前要求以及具有除霜除霧功能的多光譜光學(xué)窗口組件設(shè)計(jì)。

圖2 光學(xué)窗口組件結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Structure diagram of optical window assembly

2.2 光學(xué)窗口組件裝配后對(duì)窗口面型影響的設(shè)計(jì)

為了解決光學(xué)窗口組件密封光學(xué)倉內(nèi)外壓力差帶來的窗口應(yīng)力變形問題，本文設(shè)計(jì)中采用了非粘接裝配方案，利用特殊材料接觸光學(xué)件表面實(shí)現(xiàn)接觸自密封，并設(shè)計(jì)了沖氮?dú)馔ǖ缹?shí)現(xiàn)窗口組件內(nèi)外壓力差為零，這樣就避免了粘接應(yīng)力。窗口充氮?dú)夤ぷ鳡顟B(tài)可使內(nèi)外壓力差控制在0.02個(gè)大氣壓左右，同時(shí)采用了外筒熱輻射的加熱方案，解決了窗口低溫結(jié)霜結(jié)霧問題。

3 光學(xué)窗口組件不同溫度場條件下光學(xué)性能分析

光學(xué)窗口組件設(shè)計(jì)除了需要考慮粘接應(yīng)力和壓力差外，其工作溫度狀態(tài)也是必須考慮的。當(dāng)光學(xué)窗口組件工作在-50 ℃～+70 ℃時(shí)，光機(jī)結(jié)構(gòu)形式及玻璃自身的溫度梯度會(huì)使光學(xué)玻璃表面發(fā)生變形，進(jìn)而直接影響其光學(xué)性能，光學(xué)性能的改變直接影響被測產(chǎn)品的測試結(jié)果。因此，有必要驗(yàn)證光學(xué)窗口組件在不同溫度條件下達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)是否滿足光學(xué)性能要求。該組件主要用于評(píng)價(jià)光電系統(tǒng)成像性能指標(biāo)，所以選擇透射波像差進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 光學(xué)窗口組件有限元分析

采用有限元軟件Ansys 計(jì)算不同溫度載荷情況下窗口的應(yīng)力與應(yīng)變情況。在進(jìn)行光機(jī)熱集成仿真分析之前，對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行一系列的簡化處理，主要包括：刪除螺栓、螺釘、彈/平墊片；修補(bǔ)較小的孔洞、小面；修改部分結(jié)構(gòu)件尺寸，避免與鏡筒干涉。模型簡化完成后采用統(tǒng)一網(wǎng)格尺寸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為0.5 mm，所有網(wǎng)格共節(jié)點(diǎn)。仿真過程中邊界約束根據(jù)安裝位置進(jìn)行定義，限制其X、Y、Z3 個(gè)方向的平移自由度，重力載荷定義為-Y方向1 g，溫度載荷定義為-50 ℃、-30 ℃、-10 ℃、10 ℃、30 ℃、50 ℃、70 ℃均勻溫度場進(jìn)行計(jì)算，參考溫度20 ℃。根據(jù)傳感器仿真的結(jié)構(gòu)材料種類及光學(xué)設(shè)計(jì)模型中所用到的光學(xué)材料種類，選取的零件材料具體參數(shù)見表1 所示。不同溫度下光學(xué)窗口組件應(yīng)變結(jié)果如圖3 所示。

表1 光學(xué)窗口組件材料參數(shù)Table 1 Material parameters of optical window assembly

圖3 有限元計(jì)算結(jié)果Fig.3 Calculation results of finite element

3.2 光學(xué)窗口組件光機(jī)擬合分析

采用光機(jī)擬合轉(zhuǎn)換軟件Sigfit 對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行提取、處理以及數(shù)據(jù)擬合，以便后續(xù)光學(xué)軟件仿真分析使用。選擇2 塊窗口玻璃共計(jì)4 個(gè)表面的位移結(jié)果進(jìn)行面型擬合，從而實(shí)現(xiàn)其光學(xué)性能變化評(píng)估。擬合過程中采用Zernike 多項(xiàng)式進(jìn)行面型擬合[10-15]，面型表達(dá)式為

4 個(gè)表面的剛體位移結(jié)果和面形變化數(shù)據(jù)如表2 和表3 所示。表2 中，SID 為光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中表面編號(hào)，LID 為不同溫度載荷對(duì)應(yīng)編號(hào)，數(shù)值由小到大代表溫度由低到高，T1、T2、T3 分別為X、Y、Z方向的平動(dòng)量，R1、R2、R3 分別為繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)量。表3 中，dRoC 為半徑變化，RMS/PV為去除剛體位移及半徑變化后的面型矢高統(tǒng)計(jì)，Max、Min 分別為變形結(jié)果最大值與最小值。

表2 剛體位移數(shù)據(jù)表Table 2 Rigid body displacement data

表3 面型變化數(shù)據(jù)表Table 3 Optical surface deformation data mm

3.3 光學(xué)窗口組件光學(xué)仿真

本文只考慮熱傳導(dǎo)過程，根據(jù)傳熱學(xué)理論可以推導(dǎo)出窗口軸向溫度梯度分布與厚度成線性關(guān)系。在一定溫度范圍內(nèi)，材料折射率溫度系數(shù)為固定值，即折射率隨溫度呈線性變化，從而可以得到窗口不同軸向位置處折射率參數(shù)。結(jié)合面型變化數(shù)據(jù)，利用光學(xué)設(shè)計(jì)仿真軟件CODE V 對(duì)不同溫度載荷下的光學(xué)系統(tǒng)模型進(jìn)行光學(xué)性能分析與評(píng)估。選擇視場圖-RMS 波前誤差作為整體像質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)結(jié)果如圖4 和表4 所示。從圖4 和表4 可以看出，在-50 ℃～+70 ℃范圍內(nèi)，RMS 波前誤差均優(yōu)于λ/15。

表4 RMS 波前誤差(λ＝632.8 nm)Table 4 RMS wavefront error (λ＝632.8 nm)

圖4 視場圖－RMS 波前誤差Fig.4 Diagram of field of view -RMS wavefront error

4 光學(xué)窗口組件試驗(yàn)驗(yàn)證

該光學(xué)窗口組件的設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮窗口組件工作狀態(tài)對(duì)成像性能的影響。為了驗(yàn)證該組件的實(shí)際工作指標(biāo)，確定以該組件的透射波像差為評(píng)價(jià)依據(jù)，部件狀態(tài)利用大口徑平面干涉儀對(duì)其透射波像差進(jìn)行測量，同時(shí)增加了熱輻射工況。在部件測量基礎(chǔ)上將該部件裝配在光電系統(tǒng)高低溫試驗(yàn)裝置上，進(jìn)行實(shí)際工況測試。

4.1 光學(xué)窗口組件透射波像差測試

利用大口徑平面干涉儀對(duì)光學(xué)窗口組件的透射波像差進(jìn)行測試，并在測試過程中確定了窗口玻璃壓圈的預(yù)緊力矩值，測試圖如圖5 所示，測試結(jié)果見表5 所示。通過對(duì)外筒加熱功率進(jìn)行試驗(yàn)摸底，確定了加熱功率可接受范圍，為后續(xù)裝配力矩確定了工藝參數(shù)。從表5 可以看出，該組件裝配后能夠滿足系統(tǒng)的透射波像差要求。

表5 光學(xué)窗口組件透射波像差測試結(jié)果Table 5 Test results of transmitted wave aberration of optical window assembly

圖5 大口徑平面干涉儀測試光學(xué)窗口組件透射波像差Fig.5 Physical drawing of transmitted wave aberration of optical window assembly tested by large-aperture plane interferometer

4.2 光學(xué)窗口組件實(shí)際工作狀態(tài)測試

如圖6 所示，將光學(xué)窗口組件裝配至光電系統(tǒng)高低溫試驗(yàn)裝置側(cè)面，在高低溫箱內(nèi)部隔振轉(zhuǎn)臺(tái)上架設(shè)一個(gè)微晶材料的高精度平面反射鏡，利用平面干涉儀對(duì)光學(xué)窗口組件的透射波像差進(jìn)行測試，并在測試過程中變化高低溫箱的環(huán)境溫度，同時(shí)開啟光學(xué)窗口組件的外筒熱輻射。通過監(jiān)控窗口玻璃各表面的溫度變化，1 h 可達(dá)到熱平衡狀態(tài)，達(dá)到熱平衡后開始測量，透射波像差測試結(jié)果如表6 所示。由于溫度變化過程中窗口組件會(huì)出現(xiàn)一個(gè)明顯的離焦（power 值），power 值影響光學(xué)系統(tǒng)測試的焦面變化，可調(diào)焦補(bǔ)償，不影響系統(tǒng)像質(zhì)評(píng)價(jià)。由表6 測試結(jié)果可知，該組件在系統(tǒng)工作狀態(tài)能夠滿足系統(tǒng)的透射波像差要求，高低溫箱在工作溫度范圍內(nèi)光學(xué)窗口組件無結(jié)霜結(jié)霧現(xiàn)象。

表6 光學(xué)窗口組件實(shí)際工作狀態(tài)透射波像差測試結(jié)果Table 6 Test results of transmitted wave aberration of optical window assembly in actual working state

圖6 光學(xué)窗口組件透射波像差測試圖Fig.6 Measurement diagram of transmitted wave aberration of optical window assembly

5 結(jié)論

本文對(duì)某光電系統(tǒng)高低溫試驗(yàn)裝置的多光譜光學(xué)窗口組件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，重點(diǎn)解決窗口的粘接應(yīng)力和窗口內(nèi)外壓力差問題，采用非粘接裝配方案，減小了外力對(duì)光學(xué)窗口玻璃面型精度的影響。采用有限元分析軟件Ansys 計(jì)算了不同溫度載荷下光學(xué)窗口的應(yīng)力與應(yīng)變，借助光機(jī)擬合轉(zhuǎn)換軟件Sigfit 完成有限元應(yīng)變結(jié)果的提取、處理與擬合，形成光學(xué)軟件可以識(shí)別讀取的數(shù)據(jù)。使用光學(xué)設(shè)計(jì)仿真軟件Code V 實(shí)現(xiàn)了光學(xué)窗口組件高低溫不同條件下透射波像差的評(píng)估。理論計(jì)算分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光學(xué)窗口組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案合理，滿足該組件在不同溫度條件下的光學(xué)性能要求，解決了窗口組件在低溫過程中結(jié)霜結(jié)霧問題。通過理論分析與工藝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用持續(xù)充氮?dú)夥桨讣盁彷椛浞桨?，解決了窗口組件光學(xué)玻璃工作過程中變形問題，為滿足系統(tǒng)的透射波像差指標(biāo)創(chuàng)造了條件；

2）光學(xué)窗口組件結(jié)構(gòu)的仿真分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該光學(xué)窗口組件透射波像差RMS 值優(yōu)于λ/15 (λ=632.8 nm)；

3）在高低溫條件下測試光學(xué)元件的面型指標(biāo)可能高于窗口本身的波前指標(biāo)，需要對(duì)窗口的波前指標(biāo)進(jìn)行算法去除。經(jīng)過實(shí)際分析可知，通過插值法可進(jìn)行對(duì)點(diǎn)去除，將窗口玻璃對(duì)測試系統(tǒng)造成的系統(tǒng)誤差進(jìn)行修正，該技術(shù)需要后續(xù)進(jìn)一步驗(yàn)證。