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轻小型金属基增材制造光学系统

付强 闫磊 谭双龙 刘洋 王灵杰 张新

付强, 闫磊, 谭双龙, 刘洋, 王灵杰, 张新. 轻小型金属基增材制造光学系统[J]. 中国光学(中英文), 2022, 15(5): 1019-1028. doi: 10.37188/CO.2022-0128
引用本文: 付强, 闫磊, 谭双龙, 刘洋, 王灵杰, 张新. 轻小型金属基增材制造光学系统[J]. 中国光学(中英文), 2022, 15(5): 1019-1028. doi: 10.37188/CO.2022-0128
FU Qiang, YAN Lei, TAN Shuang-long, LIU Yang, WANG Ling-jie, ZHANG Xin. Light-and-small optical systems by metal-based additive manufacturing[J]. Chinese Optics, 2022, 15(5): 1019-1028. doi: 10.37188/CO.2022-0128
Citation: FU Qiang, YAN Lei, TAN Shuang-long, LIU Yang, WANG Ling-jie, ZHANG Xin. Light-and-small optical systems by metal-based additive manufacturing[J]. Chinese Optics, 2022, 15(5): 1019-1028. doi: 10.37188/CO.2022-0128

轻小型金属基增材制造光学系统

doi: 10.37188/CO.2022-0128
基金项目: 中国科学院青年创新促进会资助(No. 2021221);吉林省科技发展计划青年成长科技计划项目(No. 20210508054RQ)
详细信息
    作者简介:

    付 强(1985—),男,黑龙江佳木斯人,博士,副研究员,2008年、2010年于哈尔滨工业大学分别获得学士、硕士学位,2020年于中国科学院大学获得博士学位,主要从事光学系统设计、红外探测设备总体论证等方面的研究。E-mail:fuqianghit@163.com

  • 中图分类号: TG665;V261.8

Light-and-small optical systems by metal-based additive manufacturing

Funds: Supported by Youth Innovation Promotion Association,CAS (No. 2021221); Youth Growth Technology Program of Jilin Province Science and Technology Development Plan (No. 20210508054RQ)
More Information
  • 摘要:

    为了实现用于深空低冷目标探测的长波红外折反射式光学系统的进一步轻小型、低辐射和大视场,对局部制冷光学系统、拓扑优化金属基反射镜设计、增材制造、金属基光学加工与表面改性等进行研究。首先,设计完成了紧凑型局部制冷折反射式光学系统,口径为55 mm,焦距为110 mm,视场达到4°×4°;其次,利用拓扑优化理论,设计完成了主镜组件、次镜组件和连接筒,三阶和四阶模态达到1213.7 Hz;接着,采用增材制造、单点金刚石车削、表面改性、表面镀金等手段完成前组光学元件的研制,利用定心装配工艺完成光机装调;最后,对光机装调后的系统性能进行了测试。测试结果表明:光学系统全视场范围内调制传递函数均达到衍射极限,重量仅为96.04 g。金属基增材制造方法可以作为提升光学系统性能的有效手段。

     

  • 图 1  光学系统二维图

    Figure 1.  2-D diagram of the optical system

    图 2  光学系统调制传递函数曲线

    Figure 2.  Modulation transfer function curves of the optical system

    图 3  光学系统能量集中度曲线

    Figure 3.  Enclosed energy curves of the optical system

    图 4  轻小型金属基光机系统图

    Figure 4.  Diagram of light-and-small metal-based optical system

    图 5  主镜组件的(a)正视图和(b)侧视图

    Figure 5.  (a) Front view and (b) side view of primary mirror assembly

    图 6  主镜在自重下的变形情况

    Figure 6.  Deformation of the primary mirror under its own gravity

    图 7  次镜组件

    Figure 7.  Secondary mirror assembly

    图 8  遮光筒结构

    Figure 8.  Shading baffle structure

    图 9  光学系统整体模态分析结果

    Figure 9.  Results of mode analysis of the whole optial system

    图 10  系统自重下的静力分析结果

    Figure 10.  Results of system static analysis under its own grarity

    图 11  打印完成的主镜组件

    Figure 11.  Primary mirror assembly by additive manufacturing

    图 12  打印完成的次镜组件

    Figure 12.  Secondary mirror assembly by additive manufacturing

    图 13  打印完成的连接筒

    Figure 13.  Shading baffle by additive manufacturing

    图 14  单点车削后的主镜及其面形数据

    Figure 14.  Primary mirror after SPDT and it′s surface shape data

    图 15  单点车削后的次镜及其面形数据

    Figure 15.  Secondary mirror after SPDT and it′s surface shape data

    图 16  高倍相机下的主镜表面

    Figure 16.  Primary mirror surface observed by a high magnification camera

    图 17  镍磷改性完成的主镜

    Figure 17.  Primary mirror modified by Ni-P coating

    图 18  改性后光学加工完成的主镜及面形数据

    Figure 18.  Primary mirror and surface shape data after optical processing

    图 19  改性后光学加工完成的次镜及其面形数据

    Figure 19.  Second mirror and surface shape data after optical processing

    图 20  镀金后的主镜和次镜

    Figure 20.  Primary and secondary mirrors after gold plating

    图 21  镀金后的主镜面形数据

    Figure 21.  Surface quality of the primary mirror after gold plating

    图 22  镀金后的次镜面形数据

    Figure 22.  Surface quality of the second mirror after gold plating

    图 23  主次镜组件定心装调实验图

    Figure 23.  Centering alignment experiment of the primary and secondary mirror assembly

    图 24  整机性能测试实验图片

    Figure 24.  The performance test of the optical system

    图 25  焦距测量结果

    Figure 25.  The measurement result of the focal length

    图 26  不同视场调制传递函数测试结果

    Figure 26.  MTF test results for different FOVs

    图 27  重量测试

    Figure 27.  Weight test

    表  1  光学系统设计指标

    Table  1.   Design index of the optical system

    参数指标要求
    波段/μm8~10
    相对孔径1∶2
    焦距/mm110
    视场/(°)4×4
    冷光阑效率100%
    主次镜组件重量不大于100 g
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    表  2  长波红外探测器指标

    Table  2.   Index of the long-wave infrared detector

    参数指标数据
    阵列尺寸256×256
    像元间距30 μm×30 μm
    F数2
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    表  3  主、次镜组件、遮光筒和螺钉的重量估算

    Table  3.   Weight estimation of primary and secondary mirror assemblies, shadding baffle and screws

    名称重量g
    主镜组件40.6
    次镜组件16.8
    遮光筒32.2
    螺钉1.50
    合计91.1
    下载: 导出CSV

    表  4  各部件的实测重量

    Table  4.   Weight test results of each assembly

    名称实测质量(g)
    主镜组件44.64
    次镜组件16.8
    遮光筒33.07
    螺钉1.53
    合计96.04
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-06-14
  • 修回日期:  2022-07-07
  • 网络出版日期:  2022-08-03

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