可见光靶源光学系统的设计与分析

吴文斌，常金彪，邱亚峰

(南京理工大学 机械工程学院， 江苏 南京 210094)



可见光靶源光学系统的设计与分析

吴文斌，常金彪，邱亚峰

(南京理工大学 机械工程学院， 江苏 南京 210094)

飞机侦察系统性能判断是通过野外与实验室测试两种方式进行验证的。在实验室建立可见光靶源，放置在二维转台上，利用卤素灯、美军标靶源、光学系统模拟远距离目标，在规定的技术指标的基础上，设计出可见光靶源光学系统。通过光路设计、温度场分析，计算出光路束散角，设计出光阑孔，分析温度变化对光学镜片的影响，通过精密测微自准直仪检测，所有形变量均为微米级，验证了其光学设计的可靠性，满足飞机侦察系统的测试要求。

光学系统；靶源；滤光片架；光阑小孔盘；温度场分析

引言

在野外试验场地常使用军车、坦克及人作为目标，飞机在指定高度飞行并探测与识别，根据探测图像来评判飞机侦察系统性能[2]。实验室中可见光靶源必须放置在二维转台上，利用靶板和光学系统仿真出各种空间位置，来满足整个检测系统设计要求。

系统要求其出光口径φ100 mm(有效出光口径不小于φ80 mm)，光不平行度2′。出光口的直径大小关系着可见光靶源的模拟对象特征，可见光靶源利用卤素灯、美军标靶源、光学系统模拟远距离目标[1]，研究制定了如下光学系统设计方案：

1) 系统利用卤素灯作为光源。

2) 设计可插换美军靶板及可旋转光阑孔控制光路束散角，靶板位于光路焦点位置。

3) 采用多个反射镜及离轴镜构成反射式平行光管，模拟空间距离[3-4]。

1 光学系统原理图

按照这一方案设计一套光学系统，由卤素灯、靶板、可调光阑、三组光学镜架、小反射镜、离轴镜、大反射镜、三组挡光板、光学箱构成，美军标靶板如图1所示。可见光靶源二维、三维光路原理图如图2所示。

图1 美军标靶Fig.1 US army target

图2 光学系统原理图Fig.2 Schematic diagram of optical system

2 光路设计及滤光片架、光阑小孔盘设计

2.1 光路设计

光学系统设计类似于牛顿反射原理，使用离轴抛物面反射镜与多个平面反射镜构成的反射式平行光管[5]，放置于系统光学暗箱中，如图2所示。靶板位于离轴抛物面反射镜的焦面，卤素灯将靶板照亮，光阑控制光路束散角。经过光阑出射的靶源图像被小反射镜反射后入射到离轴抛物面反射镜上，形成平行光并反射，该平行光再经过大反射镜发射出去，形成可见光靶源。3个反射镜采用银膜，外加石英保护膜，在3 μm～6 μm处的反射率为97%。平面反射镜面形精度小于λ/10，小平面反射镜尺寸为40 mm×30 mm，大平面反射镜尺寸为155 mm×100 mm。离轴抛物面反射镜的焦距为700 mm，直径为100 mm，离轴量为68 mm，弥散斑直径小于0.02 mm。当光阑孔径为φ0.4 mm时，形成的束散角如公式(1)所示：

(1)

由(1)式可见，形成的束散角为1.9′，符合技术要求。

光路各器件放置于光学暗箱内，光学暗箱采用铝板制作，其中底部采用厚度10 mm的铝板，用于固定和调节各光学元件的专用支撑结构。在光路的传输路径中，设置多重遮光罩和挡光板，以保证图像质量，光学暗箱内壁烤漆后粘贴黑色绒布，降低内部杂散光产生的噪声[6]。

2.2 滤光片和靶板架设计

滤光片和靶板架的主要功能：固定、安装、保护滤光片和靶板及其更换简洁可靠。系统运行时滤光片和靶板及整个光学箱处于旋转状态，易发生滤光片、靶板脱落，影响系统运转，所以设计时必须考虑。

滤光片和靶板安装于铝制抽插片之中，采用螺纹压片式安装。滤光片和靶板抽插片插于滤光片和靶板架之中，整个滤光片和靶板架用螺钉固定于光学箱面板之上。滤光片和靶板架的前段与卤素灯光源连接，留有限位孔及限位端面，如图3所示。

图3 滤光片、靶板装置三维示意图Fig.3 3d sketch of target board device

2.3 光阑小孔盘设计

光阑小孔盘利用小孔光阑片控制束散角[7]，光阑小孔设置了多种口径挡板和盲板，安装于转盘之上。光阑盘除了安装小孔片外还得有定位作用，当拨到某个小孔时应该将其固定，在系统旋转过程中不应发生转动或晃动。

如图4所示，光阑小孔盘由光阑小孔转盘、转盘轴承、固定螺栓、小孔片、锁紧螺栓、弹簧、定位钢球、定位夹具、尼龙隔片、后面板、尼龙衬套组成。定位装置由定位夹具、钢球、弹簧、锁紧螺栓及转盘自身组成，定位夹具、钢球、弹簧、锁紧螺栓形成一个有阻尼的弹性装置。小孔盘背部设计有辐射状定位槽，当转盘转至特定位置时弹簧钢球弹起卡定位置，保证点光源的位置精度。光阑小孔盘背面及其与滤光片架装配示意图如图5所示。

图5 光阑小孔盘示意图Fig.5 Sketch of aperture small hole plate

2.4 光学镜片的温度场分析

光学镜片是光路的主要构成部件，小反射镜片对光源进行第一次反射，反射后的光入射到离轴抛物面镜上，形成平行光，通过大反射镜对平行光进行反射，反射后从出光口出射，形成面源。在极端温度环境下，镜片表面会形成不均匀形变，改变原来反射面的技术参数，因此需对光学镜片进行温度场分析。

本系统要求的工作环境温度为-10 ℃～+40 ℃，设定室温为20 ℃，对系统中3个光学镜片进行温度场分析。三镜片均为镀银镜片，室温环境下表面可以计为理想平面或离轴镜面。在ANSYS温度场模式进行瞬态加热分析，其参数设置如表1所示。分别设定+20 ℃～+40 ℃、+20 ℃～-10 ℃并施加对流热载荷，时间设为10 min。得到3组分析云图，分别如图6～图8所示。

表1 光学镜片热性能系数

图6 小反射镜+20 ℃～+40 ℃、+20 ℃～-10 ℃形变云图Fig.6 Deformation nephogram of small mirror at +20 ℃～+40 ℃ and +20 ℃～-10 ℃

图7 大反射镜+20 ℃～+40 ℃、+20 ℃～-10 ℃形变云图Fig.7 Deformation nephogram of big mirror at +20 ℃～+40 ℃ and +20 ℃～-10 ℃

图8 离轴反射镜+20 ℃～+40 ℃、+20 ℃～-10 ℃形变云图Fig.8 Deformation nephogram of off-axis mirror at +20 ℃～+40 ℃ and +20 ℃～-10 ℃

从上组图分析结果可以看出,小反射镜+20 ℃～+40 ℃、+20 ℃～-10 ℃的形变量分别为0.161×10-10m、0.57×10-10m，大反射镜+20 ℃～+40 ℃、+20 ℃～-10 ℃的形变量分别为0.345×10-5m、0.267×10-6m，离轴反射镜+20 ℃～+40 ℃、+20 ℃～-10 ℃的形变量分别为0.882×10-5m、0.557×10-6m。所有形变量均为微米级附近，相对于700mm的焦距，其误差不足以对系统精度产生影响，可以忽略[8]。且工作时系统本身即为热源，光学系统环境温度介于室内环境温度的上下值之间，满足设计要求。

3 结论

在制定光路原理方案的基础上，对可见光靶源光学系统进行设计并进行可靠性分析。光学系统的设计分为以下2个部分：光路设计、光学配套机械结构设计。光路设计完成了整体光路原理性设计，决定了系统的大框架；配套机械结构设计是为实际光学系统整体设计，包括了滤光片、靶板架设计、光阑小孔盘设计、构成光学系统的主体框架。运用有限元及温度场分析方法对光学系统的稳定性、运动状态下的可靠性、温度场下形变对光路精度的影响做了详细分析，保证了光学系统的可靠性。

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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

吴文斌(1991-)，男，江西贵溪人，硕士研究生，主要从事光机电系统设计工作。E-mail: 793438562@qq.com

TN202

A

10.5768/JAO201536.0105005