可見光靶源光學系統(tǒng)的設計與分析

吳文斌，常金彪，邱亞峰

(南京理工大學 機械工程學院， 江蘇 南京 210094)

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可見光靶源光學系統(tǒng)的設計與分析

吳文斌，常金彪，邱亞峰

(南京理工大學 機械工程學院， 江蘇 南京 210094)

飛機偵察系統(tǒng)性能判斷是通過野外與實驗室測試兩種方式進行驗證的。在實驗室建立可見光靶源，放置在二維轉(zhuǎn)臺上，利用鹵素燈、美軍標靶源、光學系統(tǒng)模擬遠距離目標，在規(guī)定的技術(shù)指標的基礎上，設計出可見光靶源光學系統(tǒng)。通過光路設計、溫度場分析，計算出光路束散角，設計出光闌孔，分析溫度變化對光學鏡片的影響，通過精密測微自準直儀檢測，所有形變量均為微米級，驗證了其光學設計的可靠性，滿足飛機偵察系統(tǒng)的測試要求。

光學系統(tǒng)；靶源；濾光片架；光闌小孔盤；溫度場分析

引言

在野外試驗場地常使用軍車、坦克及人作為目標，飛機在指定高度飛行并探測與識別，根據(jù)探測圖像來評判飛機偵察系統(tǒng)性能[2]。實驗室中可見光靶源必須放置在二維轉(zhuǎn)臺上，利用靶板和光學系統(tǒng)仿真出各種空間位置，來滿足整個檢測系統(tǒng)設計要求。

系統(tǒng)要求其出光口徑φ100 mm(有效出光口徑不小于φ80 mm)，光不平行度2′。出光口的直徑大小關(guān)系著可見光靶源的模擬對象特征，可見光靶源利用鹵素燈、美軍標靶源、光學系統(tǒng)模擬遠距離目標[1]，研究制定了如下光學系統(tǒng)設計方案：

1) 系統(tǒng)利用鹵素燈作為光源。

2) 設計可插換美軍靶板及可旋轉(zhuǎn)光闌孔控制光路束散角，靶板位于光路焦點位置。

3) 采用多個反射鏡及離軸鏡構(gòu)成反射式平行光管，模擬空間距離[3-4]。

1 光學系統(tǒng)原理圖

按照這一方案設計一套光學系統(tǒng)，由鹵素燈、靶板、可調(diào)光闌、三組光學鏡架、小反射鏡、離軸鏡、大反射鏡、三組擋光板、光學箱構(gòu)成，美軍標靶板如圖1所示。可見光靶源二維、三維光路原理圖如圖2所示。

圖1 美軍標靶Fig.1 US army target

圖2 光學系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of optical system

2 光路設計及濾光片架、光闌小孔盤設計

2.1 光路設計

光學系統(tǒng)設計類似于牛頓反射原理，使用離軸拋物面反射鏡與多個平面反射鏡構(gòu)成的反射式平行光管[5]，放置于系統(tǒng)光學暗箱中，如圖2所示。靶板位于離軸拋物面反射鏡的焦面，鹵素燈將靶板照亮，光闌控制光路束散角。經(jīng)過光闌出射的靶源圖像被小反射鏡反射后入射到離軸拋物面反射鏡上，形成平行光并反射，該平行光再經(jīng)過大反射鏡發(fā)射出去，形成可見光靶源。3個反射鏡采用銀膜，外加石英保護膜，在3 μm～6 μm處的反射率為97%。平面反射鏡面形精度小于λ/10，小平面反射鏡尺寸為40 mm×30 mm，大平面反射鏡尺寸為155 mm×100 mm。離軸拋物面反射鏡的焦距為700 mm，直徑為100 mm，離軸量為68 mm，彌散斑直徑小于0.02 mm。當光闌孔徑為φ0.4 mm時，形成的束散角如公式(1)所示：

(1)

由(1)式可見，形成的束散角為1.9′，符合技術(shù)要求。

光路各器件放置于光學暗箱內(nèi)，光學暗箱采用鋁板制作，其中底部采用厚度10 mm的鋁板，用于固定和調(diào)節(jié)各光學元件的專用支撐結(jié)構(gòu)。在光路的傳輸路徑中，設置多重遮光罩和擋光板，以保證圖像質(zhì)量，光學暗箱內(nèi)壁烤漆后粘貼黑色絨布，降低內(nèi)部雜散光產(chǎn)生的噪聲[6]。

2.2 濾光片和靶板架設計

濾光片和靶板架的主要功能：固定、安裝、保護濾光片和靶板及其更換簡潔可靠。系統(tǒng)運行時濾光片和靶板及整個光學箱處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，易發(fā)生濾光片、靶板脫落，影響系統(tǒng)運轉(zhuǎn)，所以設計時必須考慮。

濾光片和靶板安裝于鋁制抽插片之中，采用螺紋壓片式安裝。濾光片和靶板抽插片插于濾光片和靶板架之中，整個濾光片和靶板架用螺釘固定于光學箱面板之上。濾光片和靶板架的前段與鹵素燈光源連接，留有限位孔及限位端面，如圖3所示。

圖3 濾光片、靶板裝置三維示意圖Fig.3 3d sketch of target board device

2.3 光闌小孔盤設計

光闌小孔盤利用小孔光闌片控制束散角[7]，光闌小孔設置了多種口徑擋板和盲板，安裝于轉(zhuǎn)盤之上。光闌盤除了安裝小孔片外還得有定位作用，當撥到某個小孔時應該將其固定，在系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)過程中不應發(fā)生轉(zhuǎn)動或晃動。

如圖4所示，光闌小孔盤由光闌小孔轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)盤軸承、固定螺栓、小孔片、鎖緊螺栓、彈簧、定位鋼球、定位夾具、尼龍隔片、后面板、尼龍襯套組成。定位裝置由定位夾具、鋼球、彈簧、鎖緊螺栓及轉(zhuǎn)盤自身組成，定位夾具、鋼球、彈簧、鎖緊螺栓形成一個有阻尼的彈性裝置。小孔盤背部設計有輻射狀定位槽，當轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)至特定位置時彈簧鋼球彈起卡定位置，保證點光源的位置精度。光闌小孔盤背面及其與濾光片架裝配示意圖如圖5所示。

圖5 光闌小孔盤示意圖Fig.5 Sketch of aperture small hole plate

2.4 光學鏡片的溫度場分析

光學鏡片是光路的主要構(gòu)成部件，小反射鏡片對光源進行第一次反射，反射后的光入射到離軸拋物面鏡上，形成平行光，通過大反射鏡對平行光進行反射，反射后從出光口出射，形成面源。在極端溫度環(huán)境下，鏡片表面會形成不均勻形變，改變原來反射面的技術(shù)參數(shù)，因此需對光學鏡片進行溫度場分析。

本系統(tǒng)要求的工作環(huán)境溫度為-10 ℃～+40 ℃，設定室溫為20 ℃，對系統(tǒng)中3個光學鏡片進行溫度場分析。三鏡片均為鍍銀鏡片，室溫環(huán)境下表面可以計為理想平面或離軸鏡面。在ANSYS溫度場模式進行瞬態(tài)加熱分析，其參數(shù)設置如表1所示。分別設定+20 ℃～+40 ℃、+20 ℃～-10 ℃并施加對流熱載荷，時間設為10 min。得到3組分析云圖，分別如圖6～圖8所示。

表1 光學鏡片熱性能系數(shù)

圖6 小反射鏡+20 ℃～+40 ℃、+20 ℃～-10 ℃形變云圖Fig.6 Deformation nephogram of small mirror at +20 ℃～+40 ℃ and +20 ℃～-10 ℃

圖7 大反射鏡+20 ℃～+40 ℃、+20 ℃～-10 ℃形變云圖Fig.7 Deformation nephogram of big mirror at +20 ℃～+40 ℃ and +20 ℃～-10 ℃

圖8 離軸反射鏡+20 ℃～+40 ℃、+20 ℃～-10 ℃形變云圖Fig.8 Deformation nephogram of off-axis mirror at +20 ℃～+40 ℃ and +20 ℃～-10 ℃

從上組圖分析結(jié)果可以看出,小反射鏡+20 ℃～+40 ℃、+20 ℃～-10 ℃的形變量分別為0.161×10-10m、0.57×10-10m，大反射鏡+20 ℃～+40 ℃、+20 ℃～-10 ℃的形變量分別為0.345×10-5m、0.267×10-6m，離軸反射鏡+20 ℃～+40 ℃、+20 ℃～-10 ℃的形變量分別為0.882×10-5m、0.557×10-6m。所有形變量均為微米級附近，相對于700mm的焦距，其誤差不足以對系統(tǒng)精度產(chǎn)生影響，可以忽略[8]。且工作時系統(tǒng)本身即為熱源，光學系統(tǒng)環(huán)境溫度介于室內(nèi)環(huán)境溫度的上下值之間，滿足設計要求。

3 結(jié)論

在制定光路原理方案的基礎上，對可見光靶源光學系統(tǒng)進行設計并進行可靠性分析。光學系統(tǒng)的設計分為以下2個部分：光路設計、光學配套機械結(jié)構(gòu)設計。光路設計完成了整體光路原理性設計，決定了系統(tǒng)的大框架；配套機械結(jié)構(gòu)設計是為實際光學系統(tǒng)整體設計，包括了濾光片、靶板架設計、光闌小孔盤設計、構(gòu)成光學系統(tǒng)的主體框架。運用有限元及溫度場分析方法對光學系統(tǒng)的穩(wěn)定性、運動狀態(tài)下的可靠性、溫度場下形變對光路精度的影響做了詳細分析，保證了光學系統(tǒng)的可靠性。

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Design and analysis of optical system about visible light source target

Wu Wenbin, Chang Jinbiao, Qiu Yafeng

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

The evaluation of aircraft reconnaissance system was executed by wild test and laboratory test. We created the visible light target in laboratory, then put it on an two-dimensional turntable to simulate a long-distance target, utilizing halogen lamp, US army target source and optical system. The optical system of visible light target source was designed to meet the required technical indicators. The light beam angle was calculated and the diaphragm hole was designed on the foundation of light path design and temperature field analysis. The temperature variation’s impact on optical lens was analyzed to verify the reliability of the optical design. Results show that the testing requirement of aircraft reconnaissance system could be met.

optical system； target resource； filter holder；diaphragm hole plate；analysis of temperature field

1002-2082(2015)01-0114-05

2014-04-16；

2014-09-12

吳文斌(1991-)，男，江西貴溪人，碩士研究生，主要從事光機電系統(tǒng)設計工作。E-mail: 793438562@qq.com

TN202

A

10.5768/JAO201536.0105005