留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

光轴稳定探测系统无热化光机结构设计

宋长孝 于信 白素平 姜冬旭 刘才 关淼心 韩佳昊

宋长孝, 于信, 白素平, 姜冬旭, 刘才, 关淼心, 韩佳昊. 光轴稳定探测系统无热化光机结构设计[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2023-0226
引用本文: 宋长孝, 于信, 白素平, 姜冬旭, 刘才, 关淼心, 韩佳昊. 光轴稳定探测系统无热化光机结构设计[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2023-0226
SONG Chang-xiao, YU Xin, BAI Su-ping, JIANG Dong-xu, LIU Cai, GUAN Miao-xin, HAN Jia-hao. Design of Athermalization Optical Machine Structure for Optical Axis Stability Detection System[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2023-0226
Citation: SONG Chang-xiao, YU Xin, BAI Su-ping, JIANG Dong-xu, LIU Cai, GUAN Miao-xin, HAN Jia-hao. Design of Athermalization Optical Machine Structure for Optical Axis Stability Detection System[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2023-0226

光轴稳定探测系统无热化光机结构设计

doi: 10.37188/CO.2023-0226
基金项目: 国家自然科学基金青年基金资助项目(No. 62205032);吉林省科技发展计划项目(No. 20210201139GX);长春理工大学青年基金(No. XQNJJ-2019-01)
详细信息
    作者简介:

    宋长孝(1995—),男,河南驻马店人,硕士研究生,就读于长春理工大学光电工程学院,主要从事光机设计等方面的工作。E-mail:shong596@163.com

    白素平(1970—),女,山西朔州人,硕士,副教授,硕士生导师,2005年于精密仪器及机械专业获得硕士学位,主要研究方向包括:精密仪器总体结构设计、大口径光学系统装调技术。E-mail:baisp@126.com

  • 中图分类号: TP394.1;TH691.9

Design of Athermalization Optical Machine Structure for Optical Axis Stability Detection System

Funds: Supported by National Natural Science Foundation of China Youth Foundation Grant (No. 62205032); Jilin Science and Technology Development Project (No. 20210201139GX); Changchun University of Science and Technology Youth Fund (No. XQNJJ-2019-01)
More Information
  • 摘要:

    星地领域中激光通讯设备的发射光轴和接收光轴对准度至关重要,温度变化会导致光学元件和机械结构变形,影响光轴对准度,使系统的探测精度降低。本文设计了一种用于探测的高精度光轴稳定系统,根据宽波段和共轭成像的技术要求,使用具有像传递的离轴反射式开普勒望远系统压缩光束,经过分光镜后分别进入到探测子单元中,设计了长焦距光轴稳定探测系统提高探测精度;为校正反射系统的热差,根据光学被动无热化技术利用折射镜组补偿反射镜组的热致像差;设计机械结构并进行有限元分析;对有限元数据进行处理并带回到光学软件中仿真温度变化引起的光轴偏移角度;最后搭建实验进行验证。结果表明:光轴稳定探测系统在−10 °C时光轴偏移角度为3.90″,在45 °C时光轴偏移角度为4.23″,降低了温度变化对光轴偏移的影响。

     

  • 图 1  光学系统示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of optical system

    图 2  主缩束子单元光学结构图

    Figure 2.  Optical structure of the main beam compression subunit

    图 3  主缩束子单元点列图

    Figure 3.  Spot diagram of the main beam compression optical subunit

    图 4  主缩束子单元矩阵点列图

    Figure 4.  Spot diagram of the matrix of the main compression beam subunits

    图 5  光轴稳定探测单元结构图

    Figure 5.  Structure of optical axis stability detection unit

    图 6  光轴稳定探测单元矩阵点列图

    Figure 6.  Spot diagram of the matrix of optical axis stability detection unit

    图 7  光轴稳定探测单元波像差变化图

    Figure 7.  Wavefront aberration diagram of optical axis stability detection unit

    图 8  光轴稳定探测辅助装调单元结构图

    Figure 8.  Structural of auxiliary assembly and adjustment unit for optical axis stability detection

    图 9  光轴稳定探测辅助装调单元矩阵点列图

    Figure 9.  Spot diagram of the matrix of auxiliary assembly and adjustment unit for optical axis stability detection

    图 10  光轴稳定探测辅助装调单元波像差变化图

    Figure 10.  Wavefront aberration diagram of auxiliary assembly and adjustment unit for optical axis stability detection

    图 11  光学系统仿真模型

    Figure 11.  Simulation model of optical system

    图 12  机械结构图

    Figure 12.  Mechanical structure diagram

    图 13  45 °C时光轴稳定探测系统温度分析

    Figure 13.  Temperature analysis of optical axis stability detection system at 45 °C

    图 14  −10 °C时光轴稳定探测系统温度分析

    Figure 14.  Temperature analysis of optical axis stability detection system at −10 °C

    图 15  主反射镜温度分析

    Figure 15.  Temperature analysis of the primary mirror

    图 16  次反射镜温度分析

    Figure 16.  Temperature analysis of secondary mirror

    图 17  H-ZLAF53B和H-QK3L双胶合透镜温度分析

    Figure 17.  Temperature analysis of H-ZLAF53B and H-QK3L doublet lens

    图 18  H-F4透镜温度分析

    Figure 18.  Temperature analysis of H-F4

    图 19  H-ZK14和H-ZF52GT双胶合透镜温度分析

    Figure 19.  Temperature analysis of H-ZK14 and H-ZF52GT doublet lens

    图 20  实验装置图

    Figure 20.  Experimental setup diagram

    图 21  20 °C时光斑图像

    Figure 21.  Spot image at 20 °C

    图 22  45 °C时光斑图像

    Figure 22.  Spot image at 45 °C

    表  1  光学系统技术指标

    Table  1.   The technical specifications of optical systems

    指标 参数
    波长 1064±3 nm&632.8±3 nm
    视场 ±3′
    通光口径 165 mm
    光轴偏移精度 ±5″
    光轴稳定探测单元艾里斑直径 ≥6个像素@1 064 nm
    辅助装调系统像素数 380×380
    工作温度 −10 °C~45 °C
    下载: 导出CSV

    表  2  45 °C时主次镜的相对位移量

    Table  2.   The relative displacement of primary and secondary mirrors at 45 °C

    参数 相对位移
    X方向倾斜(°) 0.012
    Y方向偏心(mm) −0.01097
    Z方向偏心(mm) 0.01108
    下载: 导出CSV

    表  3  −10 °C时主次镜的相对位移量

    Table  3.   The relative displacement of primary and secondary mirrors at −10 °C

    参数 相对位移
    X方向倾斜(°) 0.011
    Y方向偏心(mm) 0.00275
    Z方向偏心(mm) −0.02416
    下载: 导出CSV

    表  5  -10 °C时光轴偏移量

    Table  5.   Optical axis offset at -10 °C

    参数
    x方向光轴偏移角度(°) −0.000893
    y方向光轴偏移角度(°) 0.000591
    光轴偏移角度(°) 0.001071(3.86″)
    下载: 导出CSV

    表  4  45 °C时光轴偏移量

    Table  4.   Optical axis offset at 45 °C

    参数
    x方向光轴偏移角度(°) −0.000982
    y方向光轴偏移角度(°) −0.000581
    光轴偏移(°) 0.001141(4.11″)
    下载: 导出CSV
  • [1] 曾垂峰, 欧阳义国. 基于光机热集成分析的光学系统光轴稳定性研究[J]. 光学与光电技术,2021,19(6):50-56.

    ZENG CH F, OUYANG Y G. Research on optical axis stability of optical system based on thermal-structural-optical integrated analysis[J]. Optics & Optoelectronic Technology, 2021, 19(6): 50-56. (in Chinese).
    [2] 贾文武, 刘培正, 唐自力, 等. 靶场适用的光电经纬仪光轴平行性检测[J]. 光学 精密工程,2020,28(8):1670-1677.

    JIA W W, LIU P ZH, TANG Z L, et al. Detection method for optical-axis parallelism of photoelectric theodolite in range[J]. Optics and Precision Engineering, 2020, 28(8): 1670-1677. (in Chinese).
    [3] 徐丹慧, 唐霞辉, 方国明, 等. 基于干涉条纹的光轴平行性校准方法[J]. 光学学报,2020,40(17):1712005. doi: 10.3788/AOS202040.1712005

    XU D H, TANG X H, FANG G M, et al. Method for calibration of optical axis parallelism based on interference fringes[J]. Acta Optica Sinica, 2020, 40(17): 1712005. (in Chinese). doi: 10.3788/AOS202040.1712005
    [4] 张缓缓, 任兰旭, 宋延松, 等. 激光通信终端光学收发通道运动学支撑设计[J]. 长春理工大学学报(自然科学版),2021,44(5):19-26.

    ZHANG H H, REN L X, SONG Y S, et al. Kinematic support design of optical transmitter and receiver channel of laser communication terminal[J]. Journal of Changchun University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2021, 44(5): 19-26. (in Chinese).
    [5] 王学新, 焦明印. 红外光学系统无热化设计方法的研究[J]. 应用光学,2009,30(1):129-133.

    WANG X X, JIAO M Y. Athermalization design for infrared optical systems[J]. Journal of Applied Optics, 2009, 30(1): 129-133. (in Chinese).
    [6] 文明. 离轴反射系统主动光学校正及波前补偿方法研究[D]. 长春: 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所), 2021.

    WEN M. Research on active optical correction and wavefront compensation methods for off-axis reflective systems[D]. Changchun: University of Chinese Academy of Sciences (Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics Chinese Academy of Sciences, China), 2021. (in Chinese).
    [7] 李卓, 叶宗民, 孙保杰, 等. 3.7~4.8μm红外二次成像折反射式光学系统设计[J]. 红外技术,2021,43(12):1193-1196.

    LI ZH, YE Z M, SUN B J, et al. Design of a 3.7~4.8μm catadioptric secondary imaging MWIR optical system[J]. Infrared Technology, 2021, 43(12): 1193-1196. (in Chinese).
    [8] 周欣茹, 宋华堂, 朱润徽, 等. 结构紧凑型大相对孔径离轴两反自由曲面望远光学系统设计[J]. 光子学报,2020,49(10):1002002. doi: 10.3788/gzxb20204910.1002002

    ZHOU X R, SONG H T, ZHU R H, et al. Compact off-axis two-mirror freeform telescopic optical system design with large relative aperture[J]. Acta Photonica Sinica, 2020, 49(10): 1002002. (in Chinese). doi: 10.3788/gzxb20204910.1002002
    [9] 郭占利. 可见/红外共口径变焦光学系统的研究[D]. 西安: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所), 2018.

    GUO ZH L. Study on visible/infrared common aperture zoom optical system[D]. Xi'an: University of Chinese Academy of Sciences (Xi'an Institute of Optics & Precision Mechanics, Chinese Academy of Sciences), 2018. (in Chinese).
    [10] 宋红红, 刘婷, 钱俊宏, 等. 离轴两反无焦系统镜面结构选择及优化[J]. 应用光学,2022,43(2):204-212. doi: 10.5768/JAO202243.0201004

    SONG H H, LIU T, QIAN J H, et al. Selection and optimization of mirror structure of off-axis two-mirror afocal system[J]. Journal of Applied Optics, 2022, 43(2): 204-212. (in Chinese). doi: 10.5768/JAO202243.0201004
    [11] 李晶. 基于次镜像移补偿的航空折反式光学系统降敏与无热化技术研究[D]. 长春: 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所), 2023.

    LI J. Research on the desensitization and athermal technology of aerial catadioptric optical system based on secondary mirror image motion compensation[D]. Changchun: University of Chinese Academy of Sciences (Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences), 2023. (in Chinese).
    [12] TAMAGAWA Y, TAJIME T. Expansion of an athermal chart into a multilens system with thick lenses spaced apart[J]. Optical Engineering, 1996, 35(10): 3001-3006. doi: 10.1117/1.600984
    [13] 潘国涛, 闫钰锋, 于信, 等. 矩形大口径激光光束质量评价光学系统设计[J]. 中国光学,2022,15(2):306-317. doi: 10.37188/CO.2021-0130

    PAN G T, YAN Y F, YU X, et al. Design of optical system for quality evaluation of a large rectangular aperture laser beam[J]. Chinese Optics, 2022, 15(2): 306-317. (in Chinese). doi: 10.37188/CO.2021-0130
    [14] 于亚琼, 王灵杰, 赵尚男, 等. 二维大视场离轴反射式光学系统设计[J]. 光学 精密工程,2023,31(14):2019-2030. doi: 10.37188/OPE.20233114.2019

    YU Y Q, WANG L J, ZHAO SH N, et al. Optical design of the off-axis reflective system with wide fov[J]. Optics and Precision Engineering, 2023, 31(14): 2019-2030. (in Chinese). doi: 10.37188/OPE.20233114.2019
  • 加载中
图(22) / 表(5)
计量
  • 文章访问数:  36
  • HTML全文浏览量:  16
  • PDF下载量:  2
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2023-12-18
  • 修回日期:  2024-01-09
  • 录用日期:  2024-02-26
  • 网络出版日期:  2024-05-10

目录

    /

    返回文章
    返回

    重要通知

    2024年2月16日科睿唯安通过Blog宣布,2024年将要发布的JCR2023中,229个自然科学和社会科学学科将SCI/SSCI和ESCI期刊一起进行排名!《中国光学(中英文)》作为ESCI期刊将与全球SCI期刊共同排名!