基于LCOS拼接的小型目標(biāo)模擬器光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉欣然，徐熙平

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

以恒星小目標(biāo)作為參考系進(jìn)行標(biāo)定的敏感器是對(duì)航空器件空間高精度姿態(tài)測(cè)量的一種器件，由于航天試驗(yàn)的限制性，無(wú)法實(shí)時(shí)的將目標(biāo)敏感器送入太空進(jìn)行調(diào)試，所以對(duì)目標(biāo)敏感器在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試是有需求的［1-2］。目標(biāo)模擬器就是一種對(duì)目標(biāo)敏感器進(jìn)行地面監(jiān)測(cè)的設(shè)備，主要功能是替代宇宙中的恒星，在地面完成對(duì)目標(biāo)敏感器的標(biāo)定和功能測(cè)量。本文選用LCOS為光學(xué)器件，相比于以往的薄膜晶體管液晶顯示屏的對(duì)比度低、光能利用率低于10%，無(wú)法滿(mǎn)足多等級(jí)亮度的模擬要求：?jiǎn)螖?shù)字微鏡器件的單微反射鏡尺寸過(guò)大并且相鄰間縫隙為1μm，很難實(shí)現(xiàn)高精度模擬［3］。新型LCOS光能利用率55%，單像元尺寸達(dá)到7.95×7.95μm，像元間隙為0.35μm，有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

目標(biāo)模擬器的發(fā)展趨勢(shì)是往小型化、高精度、大視場(chǎng)、高可靠性方向發(fā)展。在保證光學(xué)系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)高精度的情況下，設(shè)計(jì)了一種視場(chǎng)為22°×22°，整體結(jié)構(gòu)為128mm的目標(biāo)模擬器，視場(chǎng)更大，體積更小。為了提高設(shè)備模擬精度，提出了使用兩片LCOS光學(xué)拼接的技術(shù)方案［4］，并重新對(duì)設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真分析。

1 目標(biāo)模擬器工作組成

由仿真計(jì)算機(jī)提供的坐標(biāo)軸通過(guò)通信接口為目標(biāo)模擬器確認(rèn)了當(dāng)前時(shí)刻星敏感器的工作信息，通過(guò)控制計(jì)算機(jī)及目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)軟件經(jīng)過(guò)接口和電路將成像系統(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)在LCOS上產(chǎn)生圖形，經(jīng)由光源發(fā)出的入射光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)出射平行光被星敏感器接收。目標(biāo)模擬器工作原理如圖1所示。

圖1 目標(biāo)模擬器工作原理

1.1 目標(biāo)模擬器主要組成部分

小型目標(biāo)模擬器頭部由準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)（包括PBS和鏡片）、LCOS、后端驅(qū)動(dòng)電路、光源、準(zhǔn)直鏡筒、外殼、反射鏡、法蘭等組成。其頭部如圖2所示。

圖2 目標(biāo)模擬器頭部1.2目標(biāo)模擬器光學(xué)系統(tǒng)分析

根據(jù)技術(shù)要求，所需要設(shè)計(jì)的目標(biāo)模擬器基本參數(shù)如表1所示。

表1 動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器參數(shù)指標(biāo)

顯示視場(chǎng)為22°× 22°，目標(biāo)張角為40''，則在兩個(gè)方向上至少應(yīng)有的像素為：

選用的LCOS的參數(shù)指標(biāo)如表2所示，如圖3所示為所選LCOS。

表2 LCOS主要技術(shù)參數(shù)

圖3 LCOS實(shí)物

光學(xué)系統(tǒng)的焦距f'由要求的視場(chǎng)和LCOS總像面尺寸所決定，通過(guò)光學(xué)拼接后LCOS總像面尺寸為16.8mm×16.8mm，單像素尺寸為7.95μm×7.95μm，目標(biāo)模擬器視場(chǎng)為22°×22°，取邊長(zhǎng)16.8mm，則：

解得：f′=40.90mm

LCOS的開(kāi)口率為94%，在使用單一像素作為目標(biāo)點(diǎn)時(shí)，最小目標(biāo)張角為：

由此可知，符合最小目標(biāo)張角小于40''的技術(shù)要求。

由于指標(biāo)要求兩個(gè)方向像素至少為1980pixel，故選擇進(jìn)行LCOS拼接的方式滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2 目標(biāo)模擬器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光學(xué)拼接

LCOS拼接屬于光學(xué)拼接，基本原則滿(mǎn)足搭接要求及共面要求，其思路是利用LCOS的顯示特性，以其中一個(gè)LCOS的顯示區(qū)域的一列邊緣線陣和一行中心線陣為基準(zhǔn)，將其邊界線和另外一片LCOS的邊緣線陣通過(guò)扭轉(zhuǎn)和移動(dòng)使其平行且貼合，兩條中心線合為一條，將成像系統(tǒng)的視場(chǎng)分割成兩個(gè)不同平面的部分。如圖4所示。

圖4 光學(xué)拼接示意圖

如圖5所示，光路2的出射光經(jīng)由PBS分光膜一次反射和一次透射、側(cè)面三次投射及LCOS2反射構(gòu)成的；光路3的光路歷經(jīng)了PBS分光膜一次反射和一次透射、側(cè)面三次投射及LCOS1反射構(gòu)成的。所以，從光源發(fā)射出的光，經(jīng)過(guò)光路2和光路3的能量完全相同，滿(mǎn)足了能量要求。利用PBS可以提供一對(duì)等光程的共軛面，PBS會(huì)反射入射光的S光（即光路2），投射入射光的P光（即光路3），S光通過(guò)LCOS2后變成P光，點(diǎn)亮LCOS2的同時(shí)投射出P光。P光在開(kāi)啟LCOS1的同時(shí)，反射出S光。使兩片LCOS能夠使用同一個(gè)光引擎組織，精簡(jiǎn)了光引擎構(gòu)造，降低了光調(diào)制系統(tǒng)的體積。

圖5 LCOS光學(xué)拼接原理

光學(xué)拼接部分采用了重疊拼接的技術(shù)方案，使其減小PBS尺寸和提高拼接精度，使LCOS1和LCOS2的部分像面重疊拼接成16.8mm×16.8mm，如圖6即為拼接后的像面尺寸。

圖6 拼接后的像面

拼接后的像面分辨率達(dá)到2048×2048pixel，視場(chǎng)達(dá)到 22°11''×22°11''，滿(mǎn)足 1980×1980pixel和 22°的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2.2 準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

按照準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的透射原理，LCOS安放在光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，光線經(jīng)由LCOS的調(diào)制后通過(guò)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)出射出平行光來(lái)模擬無(wú)限遠(yuǎn)目標(biāo)位置的即時(shí)變化。由于星敏感器是按照恒星的光能量作為基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)定位空間姿態(tài)的，因此對(duì)目標(biāo)模擬器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)格要求。準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的出瞳和大小與敏感器的入瞳直徑、距離相等并重合，以保證視場(chǎng)光源的出射光與星敏感器入瞳入射的總光通量相同。透鏡數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 透鏡參數(shù)

由于視場(chǎng)較以往更大，也加大了設(shè)計(jì)難度。初始結(jié)構(gòu)選用了埃爾夫透鏡結(jié)構(gòu)，光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示，因?yàn)槟繕?biāo)模擬器出瞳外置，有較大的出瞳距并且要滿(mǎn)足小畸變，選擇的透鏡結(jié)構(gòu)出瞳距長(zhǎng)，負(fù)場(chǎng)景可以矯正場(chǎng)曲，畸變與無(wú)畸變透鏡相同。

圖7 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

光學(xué)設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果如圖8：（a）在計(jì)算后奈奎斯特頻率ν=60lp/mm處為MTF為0.45，滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求0.4以上；（b）點(diǎn)列圖中80%的能量在艾麗斑內(nèi)，并且GEO＜3×RMS，成像質(zhì)量高；（c）在場(chǎng)曲及相對(duì)畸變圖中，系統(tǒng)的畸變小于0.2%；（d）為像面處全視場(chǎng)的點(diǎn)擴(kuò)散圖，包含所有影響像質(zhì)的相差，系統(tǒng)的成像的能量中心與質(zhì)心基本一致。

圖8 優(yōu)化結(jié)果

3 目標(biāo)模擬器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

3.1 目標(biāo)模擬器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型目標(biāo)模擬器機(jī)械結(jié)構(gòu)部分如圖9所示。總體軸向尺寸是128mm，由于各個(gè)口徑的透鏡尺寸不一變化較大，在提高精度的同時(shí)，降低裝調(diào)與機(jī)加工的難度，選擇對(duì)其進(jìn)行一體化加工，后驅(qū)電路筒通過(guò)法蘭與前端鏡筒進(jìn)行螺紋連接。

圖9 光學(xué)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

透鏡1通過(guò)壓圈進(jìn)行定焦擰緊，兩個(gè)墊塊進(jìn)行限位。透鏡2與透鏡3之間通過(guò)特質(zhì)墊塊防止擋光影響精度。透鏡5與透鏡6之間有1mm隔圈進(jìn)行隔開(kāi)，因?yàn)橛捎诠ぷ鳝h(huán)境溫度跨度較大時(shí)，透鏡的熱膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致膨脹位移不一致，對(duì)透鏡進(jìn)行磨損和同軸度精度有影響，并在透鏡5左側(cè)設(shè)置壓圈進(jìn)行固定，鏡筒內(nèi)部通過(guò)使用墊片進(jìn)行調(diào)整。透鏡6為保證隔圈不擋光，并且在保證透鏡曲率和精度不變的情況下進(jìn)行拉伸。透鏡6和PBS進(jìn)行涂膠進(jìn)行粘合固定，以確保透鏡精度并在溫度變化時(shí)候，不同材料熱膨脹系數(shù)不同達(dá)到自我調(diào)節(jié)的目的，確保結(jié)構(gòu)精度在可接受范圍［5］。所有透鏡都通過(guò)壓圈或者隔圈壓靠在鏡筒或鏡筒臺(tái)階面上，整體結(jié)構(gòu)均從一側(cè)裝入，這樣的裝配既可以保證同軸度，也方便調(diào)試。

傳統(tǒng)的PBS盒體通過(guò)螺釘串聯(lián)結(jié)構(gòu)組件，利用調(diào)節(jié)工裝實(shí)現(xiàn)一維調(diào)整。如圖10所示。

圖10 PBS盒體

（a）所示設(shè)計(jì)的新型PBS盒體在安裝LCOS固定組件時(shí)，通過(guò)螺紋和螺釘實(shí)現(xiàn)了徑向精度調(diào)整，并在裝配PBS的時(shí)候在底部除了通過(guò)要求的光源以外還對(duì)PBS進(jìn)行了支撐從而減少涂膠層上的承受的載荷并對(duì)PBS進(jìn)行了整體的固定。

（b）通過(guò)設(shè)計(jì)LCOS組件達(dá)到實(shí)現(xiàn)控制LCOS的軸向調(diào)整，通過(guò)使用螺釘對(duì)LCOS四個(gè)方向進(jìn)行約束，通過(guò)螺釘?shù)恼{(diào)整來(lái)進(jìn)行LCOS的微調(diào)，并在螺紋上方留出了空間對(duì)LCOS進(jìn)行支撐和消散一部分雜散光。

3.2 靜力分析

對(duì)建模的目標(biāo)模擬器使用solidworks軟件進(jìn)行裝配，并對(duì)裝配體進(jìn)行靜力學(xué)分析。當(dāng)目標(biāo)模擬器放置在四維調(diào)整機(jī)構(gòu)上時(shí)，在法蘭處用固定架夾住，由于自身重力影響和裝配結(jié)復(fù)雜，需要對(duì)其進(jìn)行靜力分析。首先對(duì)裝配體進(jìn)行添加材料屬性，材料參數(shù)如表4所示。

在workbench軟件中對(duì)物體進(jìn)行建模并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，手動(dòng)劃分網(wǎng)格133574個(gè)，PBS盒體使用四面體網(wǎng)格劃分，其余零件使用高質(zhì)量六面體網(wǎng)格劃分。如圖11所示。

圖11 目標(biāo)模擬器有限元模型

在施加約束條件、邊界條件和重力載荷后，通過(guò)系統(tǒng)運(yùn)算，得到目標(biāo)模擬器自重情況下的位移及應(yīng)力分析結(jié)果如圖12所示。

圖12 靜力分析云圖

在自重影響的情況下（笛卡爾坐標(biāo)-Y方向），整體結(jié)構(gòu)最大偏移量為1.8658e-5mm位于鏡筒前端上邊緣處，在X方向上，同樣是鏡筒邊緣處位于下邊緣處，偏移量為5.7373e-6mm；在Y方向上，偏移量最大處為PBS盒體組件上，鏡筒受到重力的軸向力導(dǎo)致鏡筒的偏移，最大偏移量為4.0558e-6mm；在Z方向上，承受重力分力最大的部位是法蘭側(cè)面處和驅(qū)動(dòng)電路筒筒壁處，最大偏移量為5.601e-6mm。結(jié)構(gòu)的整體變形圖，呈現(xiàn)左右兩部分大，中間部分小的趨勢(shì)，最大偏移量為1.8658e-5mm，分布在鏡筒邊緣處，因?yàn)橐ＷC光學(xué)系統(tǒng)的精度，精度要求小于1μm。以上結(jié)果表明完全符合工況要求。

3.3 模態(tài)分析

由于模擬器需要放置在室外工況下進(jìn)行調(diào)試并將其放置在運(yùn)動(dòng)模擬器上，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)模擬器提供的加速轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)對(duì)目標(biāo)模擬器產(chǎn)生激勵(lì)，所以需要對(duì)目標(biāo)模擬器進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析。已知模擬系統(tǒng)轉(zhuǎn)速為16o/s，加速度為10o/s2。故討論目標(biāo)模擬器施加預(yù)應(yīng)力前六階的模態(tài)參數(shù)，如圖13所示。

表5 前6階結(jié)構(gòu)固有頻率

圖13 目標(biāo)模擬器前6階模態(tài)振型

其自身的對(duì)稱(chēng)性和約束條件，決定了其振型兩端分布密集，中間法蘭處稍稀疏，呈一定的凹字型，如圖13所示。其振型的主要特點(diǎn)為：第1階為繞X軸的扭轉(zhuǎn)，第2階為繞Y軸扭動(dòng)及X、Z軸方向上的平動(dòng)，第3階為繞Y、Z軸的扭轉(zhuǎn)；第4階為模擬器繞X軸方向的扭轉(zhuǎn)及立柱在Y、Z軸上的平動(dòng)；第5階為模擬器整體變形，沿X軸方向平動(dòng)及Y、Z軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)；第6階為驅(qū)動(dòng)圓筒沿Y、Z軸發(fā)生的變形。

從模態(tài)分析結(jié)果可以明確，整體結(jié)構(gòu)基頻很高，均在4063.0Hz以上，說(shuō)明結(jié)構(gòu)具有良好的剛度，可以在工作過(guò)程有效避免共振情況的發(fā)生，進(jìn)而影響目標(biāo)模擬器的高精度要求，各階段的頻率沒(méi)有出現(xiàn)密頻現(xiàn)象，證明其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。從前6階振型來(lái)說(shuō)，模擬器前后邊緣變形量較大，但是基頻在4000Hz以上并且光軸處振動(dòng)平穩(wěn)，基本很難對(duì)目標(biāo)模擬器出射光線產(chǎn)生影響。

4 結(jié)論

本文對(duì)小型目標(biāo)模擬器進(jìn)行了光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。基于光學(xué)拼接的方法，利用Zemax對(duì)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化，分辨率1980pixel，畸變0.17%，出瞳距42mm。設(shè)計(jì)了軸向尺寸為128mm的體積更小的機(jī)體及三維調(diào)整的新型PBS盒體組件。通過(guò)Workbench軟件對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，求解出了整機(jī)在重力影響下變化的云圖，最大偏移量小于0.02μm，說(shuō)明模擬器有較高的強(qiáng)度。通過(guò)模態(tài)分析前6階模態(tài)振型，得到數(shù)據(jù)結(jié)果為前6階頻率高于4000Hz，說(shuō)明整機(jī)動(dòng)態(tài)剛度較高。本文所設(shè)計(jì)的目標(biāo)模擬器滿(mǎn)足高分辨率，畸變小于0.2%，高成像質(zhì)量，長(zhǎng)出瞳距，高強(qiáng)度，高剛度的設(shè)計(jì)指標(biāo)。