大口径平行光管
一、应用简介
配合光源提供大口径平行光束，可用于进行CCD等相机测试。
二、工作原理及设计案例
平行光管具有工作波段宽、精度高、光束口径大和光谱范围广等技术特点。选用反射式准直光学系统初始结构，光学镜片镀膜为金，实现覆盖可见、短波红外、中波红外、长波红外波段的0.4μm~14μm光谱反射能力，镀膜后，单片光学镜片的反射率＞95%，平行光管整体反射率＞85%。
1.平行光管光学系统
技术指标要求平行光管能够覆盖0.4μm ~14μm，传统的透射式光学系统无法难以消除色差，拟采用反射式光学系统解决上述问题。综合考虑光学入瞳口径、像质和焦距等技术指标要求，本方案拟采用离轴抛物面光学系统进行光学系统设计。
图1 准直光学系统结构布局图
光学系统的口径为500mm，焦距为5000mm，使用CODEV软件对光学系统优化设计后，光学系统在±0.02°视场内最大弥散斑直径为0.0072mm，对应弥散角为0.0018mrad，小于靶板最小分辨率0.016mrad。平行光管MTF图如下图所示。
图2 准直光学系统点列图
图3 短波波段平行光管MTF图
图4 中波波段平行光管MTF图
图5 长波波段平行光管MTF图
光学系统MTF在中心视场MTF接近衍射极限，成像质量良好。
光学系统主镜口径Φ510mm，厚度为70mm，次镜口径为Φ250mm，厚度为30mm，镜片外侧设计有凸台，便于结构安装的同时还可以保证结构对镜片的压力不会直接作用于反射表面，可以有效保证镜面面型良好。
由于平行光管工作温度范围为18℃~28℃，因此需要对平行光管反射镜增加公差并在温度变化下进行像质分析。单个反射镜面型加工精度为1/40λ，可以将反射镜的面型在CODEV中进行Zernike多项式进行拟合。再将光机设计结果带入到Ansys软件中进行有限元分析，可以分析出主镜座和次镜座的应力及位移量，还可以得到镜面变形的变化量。将光学反射镜有限元分析的结果通过Zernike多项式进行拟合，拟合后得到18℃~28℃情况下光学反射镜面型的Zernike系数，将Zernike系数带入到CODE V软件中进行仿真，即可得到最终的在18℃~28℃环境下配有公差的光学系统的成像质量。
图6 18℃主镜面型图
图7 18℃次镜面型图
图8 23℃主镜面型图
图9 23℃次镜面型图
图10 28℃主镜面型图
图11 28℃次镜面型图
在18℃~28℃主镜面型变化RMS值为1.6nm，次镜面型变化RMS值为0.3nm。
根据机械结构随温度变化的仿真结果，18℃时，该系统最大位移量为0.003mm；23℃时，该系统最大位移量为0.0027mm，28℃时，该系统最大位移量为0.0024mm，对平行光管平行度造成影响可以忽略。
将上述有限元分析的结果通过Matlab进行计算得到光学镜面变形后的Zernike系数，将Zernike系数和光管整体位移变化量带入到软件中，得到在18℃~28℃内得到光学系统像质变化如下图所示。由图可知，在18℃环境下光学系统在8lp/mm处MTF下降值不超过0.1，中心视场点列图弥散斑直径为0.008μm，边缘视场点列图弥散斑直径为0.03μm，在28℃环境下光学系统在8lp/mm处MTF下降值不超过0.1，中心视场点列图弥散斑直径为0.020μm，边缘视场点列图弥散斑直径为0.016μm，在18℃~28℃环境下光学系统的成像质量均满足技术指标要求。
图12 8℃时平行光管点列图
图13 18℃时平行光管MTF图
图14 23℃时平行光管点列图
图15 23℃时平行光管MTF图
图16 28℃时平行光管MTF图
图17 28℃时平行光管MTF图
准直光学系统的光学系统采用离轴两反形式的光学系统，设计要求主镜口径不小于Φ500mm。为保证目标视场成像质量要求，系统F数需要足够大，光学系统焦距不小于5000mm。依据任务提出方提供的要求，设计了适用于测试系统的多波段复合光学系统。
2.光管机械支撑结构
光机系统主要包括：离轴抛物面反射镜、平面反射镜和支撑结构。其中平行光管支撑结构包括底板、外罩、前后支板、主镜座和次镜座。底板、外罩和前后支板构成封闭空间，内部喷涂亚光黑漆，可以屏蔽杂散光对系统使用的影响,在此基础上设置相应消杂光光阑。其中底板是固定在光学平台上，满足系统安装的刚性要求。外罩采用插板式结构，选择硬铝合金材料，通过线切割加工出光阑支撑板的安装位置，光管内部进行表面处理，实现防锈功能。外罩通过螺钉与底板、前后支板连接安装，构成封闭空间。前后支板选用硬铝合金材料。前支板设置在光学系统设计的光阑位置，开有通光孔，通光孔直径为Φ500mm，保证中心高与光管光轴重合。
(1)主镜座结构设计
由于主镜口径较大，主镜采用四周支撑5点粘接的方式，安装时把主镜镜室放置水平，把主镜放入镜室内辅助工装上；再用镜室侧面均匀分布的三个辅助侧支撑固定主镜（辅助支撑为了使主镜翻转时安全，并且使镜片位置不会发生变化），同时用均布的三个弹性压块对平面镜进行轴向定位。主镜的上下微调采用钢带两侧的锁紧螺母来调整。镜架底座上加工有4个环形腰槽，对主镜的角度位置进行调整。主镜示意图如下图所示：
图18 主镜座结构图
为保证18℃~28℃的环境下，主镜的位移量最小，为达到长期稳定性，主镜架应经过热处理退火和震动消应力处理和时效处理；镜架须有足够的刚度和强度，通过软件在计算机上对其进行了分析，得出位移（图）应力（图）分析如下：
图19 28℃主镜机应力示意图
图20 23℃主镜机构应力示意图
图21 18℃主镜机构应力示意图
图22 28℃主镜主镜机构位移示意图
图23 23℃主镜主镜机构位移示意图
图24 18℃主镜机构位移示意图
分析结果如下：
镜架支撑面最大位移为9.898×10-3mm，支撑面的面形变化对镜面的指向变化不产生任何影响。
镜架最大应力为2.5×106N/m²，小于屈服应力（2.06×108N/m²）；从分析结果看出，镜架刚度完全能够满足设计要求。
（2）次镜座结构设计
次镜座基体材料为铝合金，可以保证足够的支撑强度和稳定性。结构如下图所示。采用三点支撑次镜，反射镜前方为一虚掩的挡环，通过调节次镜圆周均匀分布的支板高度，可以对次镜中心进行微量调整。次镜座沿光轴方向和垂直方向具有角度调节功能。
图25 次镜座结构图
图26 18℃次镜应力图
图27 23℃次镜应力图
图28 28℃次镜应力图
图29 18℃次镜位移图
图30 23℃次镜位移图
图31 28℃次镜位移图
分析结果如下：
次镜室的最大位移为6.328×10-4mm。次镜座的最大应力为2.68×106N/m2,小于屈服应力（2.06×108N/m2）；从分析结果看出，次镜座的刚度完全能够满足设计要求。
3.消杂光设计
为了提升测试精度，测试系统进行了消杂光设计。在平行光管内部喷涂有F952高吸收率黑漆，吸收率可以达到0.9以上，经过多次反射有效吸收率可以达到0.95以上。可以有效吸收平行光管内部的杂散光，光管光路中还增加了多个杂散光抑制光阑，光阑表面也喷涂有高发射率黑漆，可以有效消除系统的杂光。
4.具有升降功能的自准直仪
自准直仪可以用于自准直标校功能，自准直仪可以发出平行光，也可以接收平行光，可以观察平行光管发出的可见光目标实现自准直标校功能。自准直仪安装在可升降支架上，可以通过升降改变自准直仪的工作高度。
根据平行光管设计结果，光学系统主镜口径达到510mm，焦距为5000mm，视场角Φ1.6°。根据以往经验，采用五棱镜法调整光路（详见第5章），平行光管平行度可达到2″。采用红外可见光目标源同光路设计，因此红外可见光目标源同轴度为2″。以上指标满足技术指标要求。
5.系统装调
平行光管面临着温度变化、大口径光学零件难以安装等问题。采用了低应力安装方式，实现大口径光学元件低应力安装及固定。
在平行光管焦面确定时，需保证其具有较高的平行度指标，以保证测试的准确度。特别针对子午面和弧矢面两个平面内平行光管平行度的校准，一般采用五棱镜的方法对平行光管进行装调，将五棱镜放置在平移导轨上，通过控制器控制平移导轨在光管出口处进行左右移动，确定平移导轨平移行程，以满足全口径测试要求；将自准直仪调节对准五棱镜，使其反射光线进入自准直仪，从自准直仪中观察到光管的目标像；通过控制器控制平移导轨在光管出口左右移动，从自准直仪中读取左端角度与右端角度值，其角度值差值为平行度值，经过多次测试取其平均值，得到平行度测试结果，根据以往经验，可以保证平行度达到2″。如下图所示，特别给出了平行光管出口处X方向（子午面）和Y方向（弧矢面）的平行度测量示意图。
图32 光学不平行度测量示意图
以上案例仅供参考，具体参数可根据实际情况调整
