适应大温差变化的多光轴一致性测试系统

张磊，崔启胤，张凯

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

适应大温差变化的多光轴一致性测试系统

张磊，崔启胤，张凯

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

为满足在野外大温差环境下能够检测光电设备的光轴平行性，基于卡塞格林平行光管结构，设计研究了一种能够在-40℃～+55℃环境温度下稳定工作的多光轴一致性检测系统。系统考虑到宽光谱的检测需求，可以满足0.4μm～12μm的光谱覆盖范围。基于对系统温度稳定性的考虑，对系统的主体工作结构进行无热化设计，并利用不同机械材料匹配的方式对平行光管进行补偿，保证在不同温度情况下系统光束出射平行度偏差始终小于4"。实验结果表明系统具有良好的温度稳定性。

多轴一致性；无热化；平行光管

随着光电技术的不断发展，多光谱共光路的光电探测系统已经广泛的应用于各种现代化武器平台之上［1］。这些多光谱系统大多作为光电瞄具和光电跟踪测量设备，辅助军用光电系统的精确搜索和打击。由于这类光电系统大多是融合激光、红外与可见光等传感器，这种多传感器光电系统的一个特别重要的指标就是各个光轴之间的平行性，该指标制约着光电瞄具的精准度和使用性能［2-4］。在实际应用中，以光电瞄具为例，只有各光路光轴之间的平行性保持在一定精度之内，其瞄准和探测才有意义，因此对于含有多光谱多光路系统的光轴平行性的检测显得尤为重要。目前提出的一些针对多光轴平行性检测的装置只满足实验室良好环境下工作，对于野外测试的适应性不足［5-8］。

本文基于卡式平行光管，设计了一种多光轴一致性检测系统，在结构设计上进行了合理的优化，保证了该系统在大温变环境下的工作稳定性，通过高低温检测实验证明了系统设计的合理性。

1 系统的主体方案

基于对减轻整个系统重量、减小系统体积、便于携带、保证全光谱范围使用等问题的考虑，以共轴卡塞格林结构为基础对整个系统进行设计，如图1所示为多光轴一致性测试系统的主体设计方案。

抛物面主镜与双曲面次镜共同构成了卡式系统的基本结构，在主镜后方利用分束镜将光线分为三路，其中，F1'处安装全光谱ZnS十字分划板，用于提供可见光和红外基准十字分划；在F2'处安装近红外CCD，用于激光发射光轴检测与可见光自准；在F3'处安装带光纤的全光谱分划板，可实现二维扫描，用于检测红外热像仪、激光测距机等光轴间的平行性偏差。

图1 多光轴一致性测试系统设计方案示意图

分划板照明光源采用溴钨灯,覆盖波段0.4μm～14μm；近红外 CCD 响应谱段为 1μm～1.7μm，满足激光在CCD上的成像需求；分光镜采用ZnS红外材料为基底，满足宽光谱工作需求。

整个系统以卡式平行光管为工作主体，为被测系统提供无穷远目标，并且接收被测系统的出射光线，其测试精度主要取决于平行光管主体。

2 温度适应性相关设计

野外环境工作时，温差对系统的精度影响很大，无论是卡式结构主镜与次镜受温度的影响面形产生变化，还是镜筒结构受温度影响导致主镜与次镜的间距发生改变，都会对平行光管出射光束的平行性产生严重影响［35］。因此在设计过程中，必须对光管结构进行温度适应性设计［9］。

2.1 密封窗设计

为满足-40℃～+55℃的温度下的应用需求，平行光管内部必须进行密封充氮，因此需要在平行光管前端放置一块窗口玻璃。

图2 窗口玻璃示意图

所设计的窗口玻璃以折射率为1.508的K4王冕玻璃为主体，作为可见光通过窗口，镶嵌ZnS玻璃，作为红外光窗口，如图2所示。两种材料平板玻璃的楔角需要匹配，经过计算，K4平板玻璃与ZnS平板玻璃的角度关系为：

其中，β为ZnS平板楔角，β′为K4玻璃楔角，透明ZnS材料在红外波段折射率取2.178，将ZnS平板玻璃楔角加工为10″，K4平板玻璃应加工成约23.2″与之匹配，使引入的平行度偏差不影响系统的性能。

2.2 主要材料选取

（1）镜筒材料选择

当卡式平行光管的焦距发生改变时,分划板十字中心对应的出射光线，将不再严格平行。如图3为光线平行度偏差示意图。

图3 光线平行度偏差示意图

其中，焦点位置的变化量可以理解为物距x，焦点移动后新的焦距为f，分划板十字中心此时位于A点（原焦点位置），从而可以得到出射光线与光轴夹角：

所求光轴夹角即为卡式平行光管焦距改变后的平行度偏差θ。

设计的主次镜之间的间距为d=403.23mm，固定分划板后镜筒的尺寸l=299.89mm，平行光管的焦距f=2500mm。

表1 不同材料制作镜筒对应变化量

假设大温差ΔT=-60℃（温度从+20℃室温变化至-40℃），利用硬铝、殷钢和碳纤维三种材料制作镜筒时各种变化量如表1所示［10］。

通过对比发现，使用殷钢与碳纤维材料制作镜筒时，温度变化引起的光线出射平行度偏差小于1″，同时考虑减轻系统重量，选择密度较小的碳纤维材料作为卡式光管结构的镜筒，制作了长度为445mm的镜筒。

（2）反射镜材料选取

通过比较几种常用玻璃的热膨胀系数，反射镜采用热膨胀系数为0.8×10-7/℃的微晶玻璃。利用Zemax光学仿真软件进行模拟分析，模拟温度达到-40℃时光学系统的像差，如表2所示。

表2 温度在-40℃时光学系统的像差

由表2可知，dl和sc均为微小量，且这些像差对系统的影响极其微小。

2.3 结构热补偿

除了选择热稳定性良好的制作材料外，对机械结构进行了补偿式设计［11］，镜筒采用碳纤维材料，主镜与次镜座固定在镜筒上，次镜通过次镜座与镜筒连接，如图4所示。

图4 热补偿结构示意图

通过多次实验，得到碳纤维镜的实际热膨胀系数为0.78×10-6℃，长度为14.6mm的硬铝将与445mm长镜筒的膨胀量相当。利用硬铝制作反射镜的支撑结构，其膨胀方向恰与镜筒相反，保证主次镜间隔不变。

对经过结构热补偿后的卡式平行光管进行有限元分析，如图5所示。

图5 卡式结构热变形云图

分别提取次镜和主镜表面的原始节点坐标和变形后坐标，通过拟合程序计算出两个表面分别沿X轴的位移，得到主次镜刚体位移变化量为3.0714737e-002mm，满足系统光束出射平行性的要求。

3 温度稳定性验证实验

通过选取热膨胀系数小的关键材料，并对系统进行结构补偿式设计，理论上保证了卡式系统的出射光束平行性保持不变。图6为热稳定性检测实验图。

利用五棱镜法检测系统出射光束的平行性［12］，被检验的卡式平行光管放置在高低温试验箱内，五棱镜与自准直仪放置在高低温试验箱外的对应位置。首先在25℃（室温环境）下，打开装置分划板照明，利用五棱镜对光管全口径进行扫描，先后读取自准直仪读数，测得光束出射的平行性。然后依次将温度调整至-40℃（最低温度）和50℃（最高温度），利用同样方法进行测试。表3、表4、表5为装置出射光束的平行性检测结果。

图6 热稳定性检测实验

表3 出射光束平行性检测结果（25℃）

表4 出射光束平行性检测结果（-40℃）

表5 出射光束平行性检测结果（50℃）

由此可知，所设计研究的多光轴平行性检测装置在大温度变化范围下，其出射光束平行性偏差始终保持在4"以内，具有良好的平行性，热稳定性良好，满足野外大温差变化环境下的使用要求。

4 结论

基于大温差环境变化的问题研究了一种用于多光轴多谱段的光轴平行性检测的系统，阐述了整个系统的总体方案，着重考虑系统的温度稳定性问题，在材料选取上进行分析，在结构设计上采用了无热化设计，保证了卡式平行光管在大温变环境的工作性能。利用高低温试验箱模拟野外低温与高温的工作环境对系统进行检测，检测结果表明系统的光束出射平行性偏差在4"以内，系统具有良好的温度适应性。本系统重量轻，体积小，能在温差变化较大的野外环境下工作，在光轴检测领域具有一定的指导意义。

［1］黄欣，沈湘衡，叶露,等.多光轴光学系统光轴间平行性检测仪的研制［J］.应用光学，2015（1）：19-23.

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［3］徐海燕，苏世彬，张敏,等.多光轴一致性检测系统设计与研究［J］.火炮发射与控制学报，2013（4）：78-81.

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［12］付跃刚，王成伟，王志坚.用五棱镜法调校平行光管原理的探讨［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2002，25（1）：11-13.

Multi-axis Parallelism Measuring System with Temperature Insensitivity

ZHANG Lei,CUI Qiyin,ZHANG Kai
（School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

In order to detect the parallelism of optical axis of photoelectric device accurately in large temperature difference environment，we design a measuring system based on Cassegrain structure.The system is adapt to the temperature range from-40℃to+55℃ with the spectral bandwidth from 0.4μm to 12μm.According to the demand of temperature stability，the athermal structure of the system is analyzed and the compensation by different mechanical materials is carried out.The beam parallel deviation is less than 4"in different temperrature.The experimental result shows that the system has good temperature stability.

multi-axis parallelism；athermalization；collimator

TH741

A

1672-9870（2017）04-0010-04

2017-06-17

张磊（1981-），男，博士，副教授，E-mail：ZhangL@cust.edu.