適應大溫差變化的多光軸一致性測試系統

張磊，崔啟胤，張凱

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

適應大溫差變化的多光軸一致性測試系統

張磊，崔啟胤，張凱

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

為滿足在野外大溫差環境下能夠檢測光電設備的光軸平行性，基于卡塞格林平行光管結構，設計研究了一種能夠在-40℃～+55℃環境溫度下穩定工作的多光軸一致性檢測系統。系統考慮到寬光譜的檢測需求，可以滿足0.4μm～12μm的光譜覆蓋范圍。基于對系統溫度穩定性的考慮，對系統的主體工作結構進行無熱化設計，并利用不同機械材料匹配的方式對平行光管進行補償，保證在不同溫度情況下系統光束出射平行度偏差始終小于4"。實驗結果表明系統具有良好的溫度穩定性。

多軸一致性；無熱化；平行光管

隨著光電技術的不斷發展，多光譜共光路的光電探測系統已經廣泛的應用于各種現代化武器平臺之上［1］。這些多光譜系統大多作為光電瞄具和光電跟蹤測量設備，輔助軍用光電系統的精確搜索和打擊。由于這類光電系統大多是融合激光、紅外與可見光等傳感器，這種多傳感器光電系統的一個特別重要的指標就是各個光軸之間的平行性，該指標制約著光電瞄具的精準度和使用性能［2-4］。在實際應用中，以光電瞄具為例，只有各光路光軸之間的平行性保持在一定精度之內，其瞄準和探測才有意義，因此對于含有多光譜多光路系統的光軸平行性的檢測顯得尤為重要。目前提出的一些針對多光軸平行性檢測的裝置只滿足實驗室良好環境下工作，對于野外測試的適應性不足［5-8］。

本文基于卡式平行光管，設計了一種多光軸一致性檢測系統，在結構設計上進行了合理的優化，保證了該系統在大溫變環境下的工作穩定性，通過高低溫檢測實驗證明了系統設計的合理性。

1 系統的主體方案

基于對減輕整個系統重量、減小系統體積、便于攜帶、保證全光譜范圍使用等問題的考慮，以共軸卡塞格林結構為基礎對整個系統進行設計，如圖1所示為多光軸一致性測試系統的主體設計方案。

拋物面主鏡與雙曲面次鏡共同構成了卡式系統的基本結構，在主鏡后方利用分束鏡將光線分為三路，其中，F1'處安裝全光譜ZnS十字分劃板，用于提供可見光和紅外基準十字分劃；在F2'處安裝近紅外CCD，用于激光發射光軸檢測與可見光自準；在F3'處安裝帶光纖的全光譜分劃板，可實現二維掃描，用于檢測紅外熱像儀、激光測距機等光軸間的平行性偏差。

圖1 多光軸一致性測試系統設計方案示意圖

分劃板照明光源采用溴鎢燈,覆蓋波段0.4μm～14μm；近紅外 CCD 響應譜段為 1μm～1.7μm，滿足激光在CCD上的成像需求；分光鏡采用ZnS紅外材料為基底，滿足寬光譜工作需求。

整個系統以卡式平行光管為工作主體，為被測系統提供無窮遠目標，并且接收被測系統的出射光線，其測試精度主要取決于平行光管主體。

2 溫度適應性相關設計

野外環境工作時，溫差對系統的精度影響很大，無論是卡式結構主鏡與次鏡受溫度的影響面形產生變化，還是鏡筒結構受溫度影響導致主鏡與次鏡的間距發生改變，都會對平行光管出射光束的平行性產生嚴重影響［35］。因此在設計過程中，必須對光管結構進行溫度適應性設計［9］。

2.1 密封窗設計

為滿足-40℃～+55℃的溫度下的應用需求，平行光管內部必須進行密封充氮，因此需要在平行光管前端放置一塊窗口玻璃。

圖2 窗口玻璃示意圖

所設計的窗口玻璃以折射率為1.508的K4王冕玻璃為主體，作為可見光通過窗口，鑲嵌ZnS玻璃，作為紅外光窗口，如圖2所示。兩種材料平板玻璃的楔角需要匹配，經過計算，K4平板玻璃與ZnS平板玻璃的角度關系為：

其中，β為ZnS平板楔角，β′為K4玻璃楔角，透明ZnS材料在紅外波段折射率取2.178，將ZnS平板玻璃楔角加工為10″，K4平板玻璃應加工成約23.2″與之匹配，使引入的平行度偏差不影響系統的性能。

2.2 主要材料選取

（1）鏡筒材料選擇

當卡式平行光管的焦距發生改變時,分劃板十字中心對應的出射光線，將不再嚴格平行。如圖3為光線平行度偏差示意圖。

圖3 光線平行度偏差示意圖

其中，焦點位置的變化量可以理解為物距x，焦點移動后新的焦距為f，分劃板十字中心此時位于A點（原焦點位置），從而可以得到出射光線與光軸夾角：

所求光軸夾角即為卡式平行光管焦距改變后的平行度偏差θ。

設計的主次鏡之間的間距為d=403.23mm，固定分劃板后鏡筒的尺寸l=299.89mm，平行光管的焦距f=2500mm。

表1 不同材料制作鏡筒對應變化量

假設大溫差ΔT=-60℃（溫度從+20℃室溫變化至-40℃），利用硬鋁、殷鋼和碳纖維三種材料制作鏡筒時各種變化量如表1所示［10］。

通過對比發現，使用殷鋼與碳纖維材料制作鏡筒時，溫度變化引起的光線出射平行度偏差小于1″，同時考慮減輕系統重量，選擇密度較小的碳纖維材料作為卡式光管結構的鏡筒，制作了長度為445mm的鏡筒。

（2）反射鏡材料選取

通過比較幾種常用玻璃的熱膨脹系數，反射鏡采用熱膨脹系數為0.8×10-7/℃的微晶玻璃。利用Zemax光學仿真軟件進行模擬分析，模擬溫度達到-40℃時光學系統的像差，如表2所示。

表2 溫度在-40℃時光學系統的像差

由表2可知，dl和sc均為微小量，且這些像差對系統的影響極其微小。

2.3 結構熱補償

除了選擇熱穩定性良好的制作材料外，對機械結構進行了補償式設計［11］，鏡筒采用碳纖維材料，主鏡與次鏡座固定在鏡筒上，次鏡通過次鏡座與鏡筒連接，如圖4所示。

圖4 熱補償結構示意圖

通過多次實驗，得到碳纖維鏡的實際熱膨脹系數為0.78×10-6℃，長度為14.6mm的硬鋁將與445mm長鏡筒的膨脹量相當。利用硬鋁制作反射鏡的支撐結構，其膨脹方向恰與鏡筒相反，保證主次鏡間隔不變。

對經過結構熱補償后的卡式平行光管進行有限元分析，如圖5所示。

圖5 卡式結構熱變形云圖

分別提取次鏡和主鏡表面的原始節點坐標和變形后坐標，通過擬合程序計算出兩個表面分別沿X軸的位移，得到主次鏡剛體位移變化量為3.0714737e-002mm，滿足系統光束出射平行性的要求。

3 溫度穩定性驗證實驗

通過選取熱膨脹系數小的關鍵材料，并對系統進行結構補償式設計，理論上保證了卡式系統的出射光束平行性保持不變。圖6為熱穩定性檢測實驗圖。

利用五棱鏡法檢測系統出射光束的平行性［12］，被檢驗的卡式平行光管放置在高低溫試驗箱內，五棱鏡與自準直儀放置在高低溫試驗箱外的對應位置。首先在25℃（室溫環境）下，打開裝置分劃板照明，利用五棱鏡對光管全口徑進行掃描，先后讀取自準直儀讀數，測得光束出射的平行性。然后依次將溫度調整至-40℃（最低溫度）和50℃（最高溫度），利用同樣方法進行測試。表3、表4、表5為裝置出射光束的平行性檢測結果。

圖6 熱穩定性檢測實驗

表3 出射光束平行性檢測結果（25℃）

表4 出射光束平行性檢測結果（-40℃）

表5 出射光束平行性檢測結果（50℃）

由此可知，所設計研究的多光軸平行性檢測裝置在大溫度變化范圍下，其出射光束平行性偏差始終保持在4"以內，具有良好的平行性，熱穩定性良好，滿足野外大溫差變化環境下的使用要求。

4 結論

基于大溫差環境變化的問題研究了一種用于多光軸多譜段的光軸平行性檢測的系統，闡述了整個系統的總體方案，著重考慮系統的溫度穩定性問題，在材料選取上進行分析，在結構設計上采用了無熱化設計，保證了卡式平行光管在大溫變環境的工作性能。利用高低溫試驗箱模擬野外低溫與高溫的工作環境對系統進行檢測，檢測結果表明系統的光束出射平行性偏差在4"以內，系統具有良好的溫度適應性。本系統重量輕，體積小，能在溫差變化較大的野外環境下工作，在光軸檢測領域具有一定的指導意義。

［1］黃欣，沈湘衡，葉露,等.多光軸光學系統光軸間平行性檢測儀的研制［J］.應用光學，2015（1）：19-23.

［2］劉亞辰，張新磊，高揚,等.光電跟蹤瞄準系統的多光軸平行度校準方法研究［J］.宇航計測技術，2015（4）：5-8.

［3］徐海燕，蘇世彬，張敏,等.多光軸一致性檢測系統設計與研究［J］.火炮發射與控制學報，2013（4）：78-81.

［4］Xiao Z，Guo X，Xia Y，et al.Research on detection system of optical sights triaxial parallelism［J］.Optik,2014,125（16）：4427-4430.

［5］Layton M R，Accurate gun boresighting system;US20120236286［P］.2012-09-20.

［6］王春艷，姜會林，王陸,等.用于火控動態性能測試的多光軸光學系統［J］.兵工學報，2011，32（6）：746-751.

［7］Zhang J L，Wang Z L，Feng J，et al.Optical axis adjustment for multiple field TV Sight［J］.Journal of Applied Optics，2014，125（15）：1231-1236.

［8］張向明，姜峰，孔龍陽,等.卡塞格林系統光學裝調技術研究［J］.應用光學，2015，36（4）：526-530.

［9］閆宗群，楊建昌，謝志宏，等.大尺度多光譜多光軸平行性檢校系統［J］.應用光學，2016,37（6）：823-828.

［10］于敬暉，劉永琪，王明寅,等.碳纖維復合材料鏡筒研制［J］.纖維復合材料，2009，26（2）：30-31.

［11］周子楠，馬軍，尉佩,等.激光/紅外共光路無熱化光學系統設計［J］.激光與光電子學進展，2015（1）：179-185.

［12］付躍剛，王成偉，王志堅.用五棱鏡法調校平行光管原理的探討［J］.長春理工大學學報：自然科學版，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

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