一種三反光學系統(tǒng)的機械結構設計

張 露

（中科院南京天文儀器有限公司，江蘇南京 210042）

引言

平行光管是一種非常重要的光學儀器，在民用領域和軍用領域都有著非常廣泛的應用。在平行光管中通過配備不同的分劃板和微目鏡頭，就可以實現(xiàn)對透鏡組實現(xiàn)精確測量，可以獲取目標透鏡組的成像質(zhì)量、鑒別率以及焦距等。平行光管還可以用于運動物體的直線性檢驗，這種功能的實現(xiàn)主要依托于高斯目鏡和平面反光鏡。本研究設計的三反光學系統(tǒng)是平行光管的一種，是構成空間高分辨率動態(tài)成像調(diào)試與測試系統(tǒng)的重要組成部分，將平行光管安裝在運動模擬器上，模擬空間目標的實際運動特性（由近及遠或由遠及近的變加速度和變速度的運動特性），為空間目標光電觀測與跟蹤成像系統(tǒng)成像相機提供無限遠目標，并對裝調(diào)提供理想目標和基準，同時完成空間目標光電觀測與跟蹤成像系統(tǒng)成像相機光學系統(tǒng)焦距、分辨率、MTF 等性能指標的測試與標定。

國內(nèi)有非常多的學者對平行光管的結構進行了研究，如呂保斌（2009）設計了兩種不同形式的光學系統(tǒng)并比較了它們的光學性能[1]，吉小輝（2007）等研究了大視場平行光管的設計[2]。陳太喜（2021）在同軸三反光學系統(tǒng)成像理論的基礎上, 通過孔徑光闌離軸及平面反射鏡折疊光路, 設計一個折疊式離軸三反光學系統(tǒng)[3]。陳小涵（2021）為了減少工作環(huán)境下主三鏡面形變化,滿足支撐系統(tǒng)穩(wěn)定性要求，利用有限元方法對主三鏡組件進行了優(yōu)化設計[4]。本研究的機械結構設計是根據(jù)離軸式三反光學系統(tǒng)設計要求，在此基礎上確定了反射鏡及其支撐結構的材料和支撐方式，并對支撐方式對反射鏡的影響進行了分析，這些研究都讓三反光學系統(tǒng)的機械結構設計不斷地優(yōu)化，以期為后續(xù)地其他三反光學系統(tǒng)機械結構設計提供一些借鑒。

1 系統(tǒng)整體設計

1.1 系統(tǒng)設計指標及設計原則

三反光學系統(tǒng)由主鏡組件、次鏡組件、三鏡組件、目標調(diào)節(jié)機構組件、主體結構構成。目標調(diào)節(jié)機構組件主要包括光源、分劃板、調(diào)節(jié)機構等，目標的位置通過調(diào)焦機構來實現(xiàn)。本研究設計地三反光學系統(tǒng)主要機械指標如下：總長度：1 673 mm；光管主體長度：1 474 mm；最大寬度：1 020 mm；總高度約：667 mm；光軸高度：335 mm；總重量約：274 kg。

三反光學系統(tǒng)的設計原則主要包括以下幾點：

（1） 科學性：在機械結構的設計上應當盡可能貼近項目實際需求，同時符合當前主流三反光學系統(tǒng)的設計思想，制定在技術、經(jīng)費、研制周期等方面均切實可行的方案，盡可能體現(xiàn)設計的科學性。

（2） 經(jīng)濟性：在滿足三反光學系統(tǒng)機械結構要求的情況下節(jié)約成本，盡量使用標準件，推廣可靠性設計方法，將各個部分的設計難度分散，控制整體設計難度。

（3） 合理性：在結構設計中要盡量使用合理的結構設計，保證技術上的先進，合理使用新材料和新結構。

1.2 系統(tǒng)設計要求

三反光學系統(tǒng)是一種精密的光學系統(tǒng)，因而本研究設計的光學系統(tǒng)要嚴格滿足設計指標，同時在設計上還要根據(jù)三反光學系統(tǒng)的特點，針對性地對結構進行設計，并保證主體機械結構地穩(wěn)定性以及可靠性。具體而言系統(tǒng)需要滿足以下幾點：

（1） 精度要求：由于光學元件離軸使用，結構具有不對稱性，無法采用傳統(tǒng)的定心加工方法來保證較高的初裝精度，結構設計必須合理設置機械基準、分配加工精度，滿足系統(tǒng)初裝精度的要求。

（2） 重量要求：由于光學系統(tǒng)的特點，鏡片各個方向的尺寸均較大，需要合理設計光管的主體結構，在滿足高剛度要求的前提下，盡量減輕重量。

（3） 穩(wěn)定性要求：結構設計應采取措施保證光管主體的力學穩(wěn)定性與熱穩(wěn)定性，同時具有足夠的結構穩(wěn)定性，使平行光管裝調(diào)或使用期間可抵御各種干擾因素，保持光學元件面形精度及位置精度。

（4） 強度要求：結構必須要具有足夠的強度和剛度，能夠承受重力和動態(tài)載荷，在多種工作姿態(tài)時，光管主體結構具有足夠的剛度和強度，目標分劃板在裝調(diào)過程中微動微調(diào)能力及穩(wěn)定鎖固能力。

1.3 系統(tǒng)整體設計

三反光學系統(tǒng)結構設計中通過合理支撐光學系統(tǒng)中的各個光學元件，構成高剛度、高穩(wěn)定性的整體結構，與目標調(diào)節(jié)機構一起構成光管主體[5-6]。既具有足夠的力學強度，能夠承受地面重力載荷和離心力載荷；又具有良好的力學穩(wěn)定性與熱穩(wěn)定性，能夠保證光學系統(tǒng)所要求的各光學元件與像面之間準確的位置，從而實現(xiàn)三反光學系統(tǒng)在動態(tài)模擬器上良好的質(zhì)量[7-8]。本研究采用的框架式結構如圖1（b）所示，該結構具有結構簡單、設計方法更加成熟、工藝性較好的優(yōu)點，且多適用于離軸三反光學系統(tǒng)中。

圖1

三反離軸光管光學口徑中等，光學材料選用碳化硅，材料熱性能穩(wěn)定，加工工藝成熟，供貨渠道暢通，可降低技術風險。結構材料的選擇應在滿足重量指標、性能要求的基礎上，同時兼顧工藝成熟性、成本、周期等因素。由于研制周期和成本要求，整個光管重量要求不大于300 kg，因此選用比剛度與熱特性優(yōu)良的鈦合金材料作為光管的結構主體材料，反射鏡支撐結構采用與碳化硅熱脹系數(shù)匹配的殷鋼材料，以滿足組件的剛度和熱穩(wěn)定性，提高光管的熱穩(wěn)定性。

2 機械結構詳細設計

2.1 主體結構設計

三反光學系統(tǒng)主體結構是光管的主要承力結構。其中，前端面安裝有次鏡組件和目標調(diào)節(jié)機構組件；后端框架上安裝主鏡組件和三鏡組件；主體結構還提供與動態(tài)模擬器平臺的機械接口。主體結構提供各部分組件的安裝接口及與動態(tài)模擬器的接口，通過機械加工保證各基準面之間的位置精度，各反射鏡組件通過光管主體結構聯(lián)接成一個整體，主體結構的力學及熱穩(wěn)定性是光學元件位置精度的重要保證，也是主體結構設計的重點。設計的主體結構見圖2。

圖2 主體機械結構設計

2.2 支撐結構設計

在三反光學系統(tǒng)中，光學鏡面的背面支撐結構是保證最終光學系統(tǒng)成像質(zhì)量的關鍵。而在支撐結構中有多種方案，包括托框支撐、中心支撐、多點支撐等，這些支撐方案各有優(yōu)缺點，本研究選用的支撐方案是背部多點支撐方案，這種方案利用反射鏡背部或側面點支撐的合理組合，為反射鏡提供足夠的支撐剛度；同時通過自由度解耦消除多余約束，實現(xiàn)卸載，其優(yōu)勢在于結構簡潔，不占用反射鏡徑向空間，重量較輕。支撐點設置靈活，利于減小軸向重力下面形誤差。具體設計見圖3（a）。

在背部三點支撐方案中，為了實現(xiàn)重力卸載、熱應力卸載及裝配應力卸載，本研究設計了柔性組件來實現(xiàn)。柔性組件由柔性環(huán)節(jié)、連接件、錐套3 部分組成，見圖3（b）。柔性環(huán)節(jié)選用鈦合金材料，通過在柔性環(huán)節(jié)上加工垂直的柔性溝槽，來釋放這兩個方向的自由度，為使柔性環(huán)節(jié)的剛度降低，設計了一個迷宮結構，這個結構是用來釋放繞光軸轉動的自由度。當受到重力以及熱載荷作用時，產(chǎn)生的應力會首先使柔性環(huán)節(jié)變形，從而釋放應力，保證反射鏡面形精度。同時，柔節(jié)作為過渡零件，將反射鏡連接至背架上。柔性環(huán)節(jié)與反射鏡間設計一個錐套，錐套選用與SiC 熱脹系數(shù)一致的殷鋼材料（4J36），錐套與反射鏡采用側面粘接，在錐套底面不設粘接點，可以最大程度減小粘接應力對反射鏡的影響。設計錐套的作用是保證在點膠后，柔性組件可以與反射鏡粘接緊密。通過優(yōu)化設計，確定錐套的錐度為1∶20。

圖3

2.3 柔性單元有限元分析

在三反光學系統(tǒng)中，所有的機械結構設計都是為了保證最終的光學成像質(zhì)量，因而，柔性單元的重要性不言而言。Ansys 軟件是一種常見的分析軟件，本研究使用Ansys 軟件對支撐結構引起的鏡面變形進行分析，對不同工況下鏡面變形進行計算和分析，兩種工況（見圖4）分別為：

圖4

（1） 反射鏡豎直狀態(tài)：利用軟件進行鏡面面形擬合，去除鏡面剛體位移，獲得反射鏡支撐造成的表面變形。

（2） 反射鏡鏡面朝下狀態(tài)：利用軟件進行鏡面面形擬合，去除鏡面剛體位移，獲得反射鏡支撐造成的表面變形。

通過有限元分析后，可以得到兩種不同工況下反射鏡的PV 值RMS 值，其結果為：

（1） PV ＝22.8 nm ＝λ/27.8，RMS ＝5.1 nm ＝λ/124(λ=632.8 nm)。

（2） PV＝72.3 nm＝λ/8.75，RMS＝15.6 nm＝λ/40.56(λ=632.8 nm)。

從以上有限元分析的結果表明，本研究設計的柔性單元符合三反光學系統(tǒng)的實際使用要求。

3 結論

三反光學系統(tǒng)是一種重要的民用及軍用檢測裝置，在很多領域都有著廣泛的應用。本研究對三反光學系統(tǒng)的機械結構進行了設計，重點對三反光學系統(tǒng)的整體機械結構及支撐結構進行了設計，同時使用Ansys 軟件對柔性單元的支撐效果進行了有限元分析。本研究設計的三反光學系統(tǒng)機械結構具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，符合三反光學系統(tǒng)的實際使用要求。