中小型共光路系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)設計和分析

楊曉強，陶忠，劉瑩奇

（西安應用光學研究所，陜西 西安 710065）

引言

為滿足小型化、輕量化和遠距離目標的探測跟蹤需求，共光路系統(tǒng)廣泛應用于各種先進的機載光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)中。共光路遠距離探測光電成像技術采用一體化的設計理念，將近紅外電視、短波紅外、中波紅外等多譜段探測器件進行綜合集成，共用一個望遠鏡系統(tǒng)，具備集成度高、分辨率高、口徑大、焦距長等特點。通過一體化共光路設計，突破了光學系統(tǒng)體積尺寸對傳感器性能的限制，在實現(xiàn)遠距離成像探測的同時可有效減小系統(tǒng)的體積和重量，實現(xiàn)光電系統(tǒng)性能的最優(yōu)化。國外對機載共光路系統(tǒng)的研究較早,根據(jù)公開的宣傳資料可以看出，美國FLIR 公司的Star SAFIRE380X光電瞄準系統(tǒng)、美國Raytheon 公司的全球鷹光電廣域監(jiān)視系統(tǒng)、“捕食者”無人機MTS-B 光電系統(tǒng)和加拿大L-3 WESCAM 公司的MX-20、MX-25 等均采用了共光路光學系統(tǒng)[1]，說明其相關技術已經(jīng)相當成熟，但所采用的相關光機設計細節(jié)未見文獻報道。韓國 LEE J H 等利用有限元和光機一體化程序分析了一個300 mm 口徑的可見光和紅外共通道機載光電系統(tǒng)，其溫度變化范圍只有±20 ℃[2]。YODER 和ANEES 等人總結(jié)了各種光機設計方法，并介紹了兩種整個光機結(jié)構(gòu)采用同一材質(zhì)實現(xiàn)無熱化設計的全金屬化主次鏡及其支撐系統(tǒng)[3-4]。國內(nèi)目前尚未見批量裝備的共光路機載光電產(chǎn)品的公開報道。關于共光路光機設計及仿真，以地基大口徑望遠鏡和空間望遠鏡為主，機載產(chǎn)品相對較少。地基望遠鏡和空間望遠系統(tǒng)有完善的溫控措施，其溫度變化范圍通常很小。羅致幫等設計了空間816 mm 口徑SiC 主鏡及其支撐結(jié)構(gòu)，并對主鏡組件進行了仿真及試驗驗證，但是溫度變化范圍只有2 ℃，并且文章只對主鏡進行了面型分析，并未分析面型變化引起的光學系統(tǒng)成像質(zhì)量變化情況[5]。王克軍設計了某天基望遠鏡的背部三點支撐結(jié)構(gòu)，并對其進行了有限元分析，但是溫度變化范圍只有4℃，同樣沒考慮整個面型變化對整個光學系統(tǒng)帶來的影響[6]。程志峰等利用光機熱集成分析研究了某機載可見光、中波紅外共口徑光機系統(tǒng)，其溫度適應范圍只有±5 ℃[7]。李猛等研究了口徑為136.6 mm，用于機載光譜儀離軸金屬鋁反射鏡的柔性支撐方法，系統(tǒng)處于恒溫，未研究溫度變化帶來的影響[8]。魏夢琦等對某機載光電系統(tǒng)的SiC 主鏡進行了輕量化設計，文中僅分析了重力對主鏡面型的影響，未給出主鏡的溫度適應性情況[9]。

本文針對需要在-40 ℃～65 ℃溫度范圍內(nèi)工作的機載共光路系統(tǒng)（工作溫差±60 ℃，溫度梯度10 ℃），進行了主、次鏡和支撐結(jié)構(gòu)的材料匹配及支撐結(jié)構(gòu)柔性無熱化設計，運用光機一體化仿真技術分析了主、次鏡面型變化對整個光學系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響，并對系統(tǒng)的剛度進行了模態(tài)分析評估。

1 系統(tǒng)簡介

某機載共光路光學系統(tǒng)采用多波段共口徑望遠鏡的設計思路，采用卡塞格林望遠鏡形式，多波段傳感器采用棱鏡分光。為了節(jié)省時間，減少計算量，此處取其中對反射鏡面型要求最高的的一路進行研究，其光學系統(tǒng)示意圖如圖1 所示。設計完成后的光學指標如圖2 所示。其中中心視場相面波前為0.008 8λ(λ=632.8 nm)，各視場點列斑小于艾里斑，系統(tǒng)MTF（modulation transfer function）@63 lp/mm 優(yōu)于0.45。

圖1 光學系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of optical system

圖2 初始狀態(tài)的光學指標Fig.2 Optical indexes of initial state

2 支撐結(jié)構(gòu)設計

共光路系統(tǒng)若要清晰成像，就需要在各種載荷環(huán)境下保證各光學元器件的面型、相對位置和姿態(tài)變化在設計許可范圍內(nèi)。對本系統(tǒng)來說，溫度環(huán)境最為苛刻，需要在-40 ℃～+65 ℃溫度范圍內(nèi)工作，相比20 ℃的裝配溫度，最大溫差±60 ℃。相對來說，光透射光路部分對溫度變化的敏感度要遠低于反射式共光路的主、次鏡部分。本文的研究集中在寬溫度范圍內(nèi)工作的共光路卡式系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)設計及分析評估。為保證卡式系統(tǒng)的寬溫度適應性，可采取的方法有：

1）采取溫控措施；

2）合理選擇主、次鏡及支撐結(jié)構(gòu)的材料，使其熱匹配較好；

3）合理選擇膠的種類和膠層厚度等；

4）對主、次鏡支撐結(jié)構(gòu)進行柔性化設計。

若采取溫控措施，則需要添加大量的環(huán)控設備，系統(tǒng)的功耗和重量均會增加很多，開發(fā)成本很高且?guī)砜煽啃越档?。光學材料的導熱性通常很差，需要較長時間才能達到熱穩(wěn)態(tài)，同時容易形成各種溫度梯度，本文不選用溫控措施。對于支撐和反射鏡粘接所用的膠來說，不同文獻里推薦的膠的種類、特性及粘接工藝均有所區(qū)別，出于商業(yè)考慮，很多細節(jié)均未提及[10-12]。理論上存在一個可以實現(xiàn)徑向方向上無熱化的最優(yōu)膠層厚度[9-11]，然而無熱化計算出來的膠的厚度經(jīng)常難以滿足粘接工藝需求，無法保證粘接質(zhì)量和強度。除厚度外，膠層粘接位置、長度和寬度均會對反射鏡面型產(chǎn)生不同的影響[13-14]。出于篇幅考慮，本文不對上述問題進行展開研究。本系統(tǒng)采用某室溫硫化硅橡膠進行粘接，膠層厚度選取0.5 mm，周向8 點粘接。綜合以上考慮，本文主要對主、次鏡和支撐結(jié)構(gòu)材料進行選擇，以及對支撐結(jié)構(gòu)進行柔性設計，以達到在寬溫度范圍內(nèi)具有適應性的目的。

常用的反射鏡鏡體材料及特性如表1 所示。根據(jù)材料的性質(zhì)可分為：以Zerodur 和ULE（超低熱膨脹）為代表的光學玻璃材料，以Al 和Be 為代表的金屬材料，以SiC 為代表的陶瓷材料以及新型復合材料等。SiC 陶瓷具有優(yōu)異的抗震、耐高溫、高導熱、高比剛度及熱穩(wěn)定性好等特性，廣泛應用于大口徑空間光學系統(tǒng)中。但其制造難度大，成本高，國內(nèi)僅有少數(shù)廠家掌握其制備工藝，此處不選用。Be 和Al 等金屬材料，具有很高的導熱率和比剛度，可輕易地進行各種構(gòu)型的減重設計。然而，Be 需要特殊制備工藝，成本高，此處不選用。Al 作為常用結(jié)構(gòu)材料，雖然熱膨脹系數(shù)大，但是很容易跟周邊結(jié)構(gòu)實現(xiàn)熱膨脹系數(shù)匹配，是一種理想的反射鏡材料。對于需要在寬光譜范圍內(nèi)工作（特別是可見光波段）的光學系統(tǒng)來說，需要通過復雜的表面鍍層和鍍膜處理，目前相關工藝尚不成熟，此處不采用。常用的支撐材料及其性能如表2 所示。從表2 可知，SiC/Al 復合材料可以根據(jù)體份的不同兼顧熱膨脹系數(shù)和剛度，并具有優(yōu)良的導熱性和高強度，但其加工難度大、成本高，此處不采用。鋁合金和鎂合金因熱膨脹系數(shù)大，與反射鏡材料難匹配。通過以上考慮，最終選取殷鋼和ULE 配對，鈦合金和K9 配對，后面將采用光機集成分析對這兩種配對的優(yōu)劣展開詳細分析。

表1 常用反射鏡材料及性能Table 1 Commonly-used mirror materials and properties

表2 常用光學支撐結(jié)構(gòu)材料性能Table 2 Commonly-used optical support structural materials and properties

由于需要在-40 ℃～+65 ℃溫度范圍內(nèi)保證主次鏡的位置、姿態(tài)及面型，盡管前面已經(jīng)對鏡體和支撐材料進行了熱膨脹系數(shù)的匹配，但是計算和實踐均表明在很大溫度范圍內(nèi)工作時，反射鏡仍會因為熱膨脹系數(shù)的差異產(chǎn)生畸變，影響成像質(zhì)量[15]。為了進一步降低反射鏡畸變，對支撐結(jié)構(gòu)進行柔性化設計是一個不錯的選擇。根據(jù)不同的使用目的及設計經(jīng)驗，可以采取各種柔性方式[3,15-16]。本文采用懸臂彈片形式，主要對支撐結(jié)構(gòu)的徑向進行柔性化，保證其余方向的剛度。通過多輪迭代確定了彈簧片的懸臂長度和厚度，以及主鏡的輕量化形式，其迭代過程不是本文的重點，此處不作展開論述。次鏡支撐采用與主鏡相同的柔性化支撐方式，最終設計完成的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 結(jié)構(gòu)模型和有限元模型Fig.3 CAD model and FEM model

3 光機集成分析

采用光機集成分析可以有效評估各種載荷組合下結(jié)構(gòu)變形對光學系統(tǒng)性能的影響。光機集成分析的基本思路是，將有限元計算出的鏡面節(jié)點位移進行數(shù)據(jù)擬合，轉(zhuǎn)換成光學軟件可以接收的數(shù)據(jù)，導入光學設計軟件中評估鏡面位姿和面型變化對成像性能的影響。最常用的數(shù)據(jù)擬合方式為剛體位移擬合和Zernike 多項式擬合[17-18]。對有限元數(shù)據(jù)進行擬合可采用商用軟件Sigfit[16-17]或利用Matlab 或Vc++自編程序[19-21]，需要在多個軟件之間進行多次數(shù)據(jù)交互，操作復雜,容易出錯。本文利用ANSYS 自帶的編程語言APDL（ANSYS parametric design language)和Zemax 自帶的編程語言ZPL（Zemax programming language)對兩者進行二次開發(fā)，自動化完成光機轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)導入，減少了中間環(huán)節(jié)和出錯率，提高了計算效率。利用的軟件版本為ANSYS15.0 和Zemax 13.0，光學模型見圖1 所示，有限元模型和所采用的坐標系見圖3 所示。在圖3 所示的螺釘固定孔處添加相應的約束。

3.1 60 ℃均勻溫差下系統(tǒng)光學指標

該系統(tǒng)需要在-40 ℃～+65 ℃溫度范圍內(nèi)工作，相比20 ℃裝配溫度，最大溫差60 ℃。首先評估兩種材料組合在60 ℃溫差下主、次鏡面型和光學指標的變化。對于殷鋼和ULE 組合，去除剛體位移和離焦后，主、次鏡面型RMS(root-mean-square)分別為0.01λ和0.000 7λ；對于鈦合金和K9 組合，去除剛體位移和離焦后，主、次鏡面型RMS 分別為0.006 5λ和0.014λ。主、次鏡去除剛體位移和離焦后面型如圖4 所示。相比于常溫下指標，60 ℃溫差下兩種材料組合時系統(tǒng)在調(diào)焦前指標均有所下降，在調(diào)焦后指標均接近常溫下指標。相面上的點列圖RMS 均在衍射極限艾利斑范圍內(nèi)，相面波前優(yōu)于（1/40）λ，MTF@63 lp/mm 均優(yōu)于0.45，其相關形狀和曲線如圖5 所示，計算結(jié)果如表3 所示。上述指標遠高于設計要求的裝調(diào)指標，可以認為對系統(tǒng)性能的影響可以忽略，在60 ℃溫差下兩種材料組合均可滿足使用要求。

表3 60 ℃溫差下光學指標Table 3 Optical indexes at 60 ℃ temperature difference

圖4 60 ℃溫差下去除剛體位移和離焦后主、次鏡面型Fig.4 Surface shapes of primary and secondary mirror after removing rigid body displacement and defocus at 60 ℃ temperature difference

圖5 60 ℃均勻溫差下光學指標Fig.5 Optical indexes under uniform temperature difference of 60 ℃

3.2 10 ℃溫度梯度下系統(tǒng)光學指標

光電系統(tǒng)在工作時，由于飛行高度、季節(jié)及地域的不同，所處的環(huán)境溫度變化很大，同時光電系統(tǒng)內(nèi)部存在各種局部熱源，通過傳導、對流和輻射與載機及周圍環(huán)境進行熱交換。光電系統(tǒng)內(nèi)的溫度場并不均勻，時刻處于變化中，而且光學元件的導熱性通常比較差，難免形成溫度梯度。光學系統(tǒng)在溫度環(huán)境下的穩(wěn)定性不僅應考慮均勻溫度變化對光學系統(tǒng)的影響，還應考慮非均勻溫度分布的影響。由于光機系統(tǒng)各部分之間相互約束，存在溫度梯度時，將會產(chǎn)生應力并引起光學系統(tǒng)產(chǎn)生離焦和面型畸變等，造成成像質(zhì)量下降[22-23]，即使對系統(tǒng)進行了無熱化設計和溫度調(diào)焦補償，也不能完全消除這些影響。實際的溫度梯度很復雜，需要進行詳細的溫度場分析或?qū)嶒灢拍艽_定。通常為了簡化計算，進行一階近似，將溫度梯度分解為特定方向的溫度梯度來考慮。對于本系統(tǒng)來說，熱源主要集中在反射鏡背面和周邊，造成軸向溫度梯度和徑向溫度梯度。根據(jù)經(jīng)驗，取溫度梯度為10 ℃，對比不同材料對溫度梯度的敏感性。10 ℃軸向溫度梯度下主鏡面型如圖6 所示，系統(tǒng)光學指標變化情況如圖7 所示。10 ℃徑向溫度梯度下主鏡面型如圖8 所示，系統(tǒng)光學指標變化情況如圖9 所示。相關結(jié)果如表4 所示。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，當主鏡采用ULE 制作時，對溫度梯度不敏感，系統(tǒng)光學指標幾乎不變。主鏡材料采用K9時，系統(tǒng)對溫度梯度極為敏感，系統(tǒng)光學指標完全不能滿足使用要求。造成這一結(jié)果的主要原因是K9 自身熱膨脹系數(shù)遠大于ULE，從而造成主鏡面型變化過大。

表4 10 ℃溫度梯度下光學指標Table 4 Optical indexes under temperature gradient of 10 ℃

圖6 主鏡軸向溫度梯度10 ℃時去除剛體位移和離焦后面型Fig.6 Surface shapes after removing rigid body displacement and defocus when primary mirror axial temperature gradient is 10 ℃

圖7 10 ℃軸向溫度梯度下的光學指標Fig.7 Optical indexes under axial temperature gradient of 10 ℃

圖8 主鏡徑向溫度梯度10 ℃時去除剛體位移和離焦后面型Fig.8 Surface shapes after removing rigid body displacement and defocus when primary mirror radial temperature gradient is 10 ℃

圖9 10 ℃徑向溫度梯度下的光學指標Fig.9 Optical indexes under radial temperature gradient of 10 ℃

3.3 模態(tài)分析

對于光學系統(tǒng)來說，除了溫度適應性外，還應有足夠的剛度，可以利用光學靈敏度和模態(tài)振型組合進行振動環(huán)境下的光軸穩(wěn)定精度[4，22]分析，模態(tài)和振型分析結(jié)果如表5 所示。

表5 模態(tài)和振型Table 5 Modality and vibration types

系統(tǒng)固有頻率是剛度的直接體現(xiàn)，此處對系統(tǒng)進行模態(tài)分析，可得到前六階固有頻率，前六階振型如圖10 所示。兩種材料匹配的主、次鏡支撐部分一階固有頻率高達263 Hz 和245 Hz，實際系統(tǒng)在工作時安裝在減振平臺上，減振系統(tǒng)固有頻率選擇為16 Hz 左右，共光路部分固有頻率遠高于減振頻率，光學系統(tǒng)具有足夠的剛度。綜上所述，主、次鏡支撐組件的剛度滿足結(jié)構(gòu)要求。

圖10 前六階振型Fig.10 The first six-order vibration types

4 結(jié)論

針對在-40 ℃～+65 ℃范圍內(nèi)工作的某共光路系統(tǒng)進行了主、次鏡和支撐材料的選配、支撐柔性設計、光機一體化仿真分析。反射鏡和支撐結(jié)構(gòu)材料根據(jù)熱膨脹系數(shù)匹配的原則可選取殷鋼和ULE 組合、鈦合金和K9 組合。在±60 ℃均勻溫差下，殷鋼和ULE 組合、鈦合金和K9 組合的成像質(zhì)量在調(diào)焦前均有所下降，經(jīng)過調(diào)焦后成像質(zhì)量均接近常溫下的設計指標。采用ULE 材料的反射鏡對溫度梯度不敏感，采用K9 材料的反射鏡則對溫度梯度極為敏感。當分別存在10 ℃軸向和徑向溫度梯度時，ULE 主鏡去除離焦后面型精度接近（1/1 000）λ，系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)焦后成像質(zhì)量接近設計指標。K9 主鏡由于自身熱膨脹系數(shù)大，對溫度梯度極為敏感，無法滿足使用要求。對設計的柔性支撐材料進行了剛度分析，一階固有頻率高達263 Hz，說明設計的柔性支撐材料在保證溫度適應性的同時具有足夠的剛度。

本文沒有給出共光路系統(tǒng)在各種姿態(tài)下受重力等影響時面型變化的計算結(jié)果。對于中小型共光路系統(tǒng)來說，主鏡的相對剛度很高，重力的影響通常可以忽略，但當主鏡輕量化率比較高時，則需要仔細校對。

根據(jù)本文設計的光機系統(tǒng)已完成了部分驗證試驗，在低溫時，用分辨率靶進行檢測，分辨率無明顯下降，說明設計和仿真結(jié)果可行，開發(fā)的光機仿真程序能夠滿足工程使用要求。