CN107894657A - 一种便携式宽温范围目标模拟器的光学系统 - Google Patents

一种便携式宽温范围目标模拟器的光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种便携式宽温范围目标模拟器的光学系统，由气密室、主镜、次镜和转折镜组成离轴RC光学系统结，既确保了通光口径，又降低了系统体积和重量，实现了便携性设计。主镜、次镜、转折镜组成的光学系统安装于殷钢组合支架上，光学系统及其殷钢支架整体安装于与外部连接的铝合金大底板上，实现了‑55℃～+70℃宽温度范围的无热化像质设计要求。目标模拟器通过出光口位置和光源接口位置的两片多光谱硫化锌窗口形成气密结构的内腔，内充干燥氮气，实现了的内腔镜面和结构在宽温范围下不结霜结露。

Description

一种便携式宽温范围目标模拟器的光学系统
技术领域
本发明属于光学系统，涉及一种便携式宽温范围目标模拟器的光学系统。
背景技术
目标模拟器是为光电探测系统提供无穷远目标的模拟装置。作为机载光电探测系统，随着载机高度的变化其工作温度也随之改变，基本在-55℃～+70℃之间。光电探测系统在地面做温度环境适应性试验时，需要目标模拟器也工作在同样的环境温度下。由于研制成本高、设计难度大，目前典型的目标模拟器只能在常温环境下使用。为了更加真实的为光电探测系统提供成像质量优良的全温范围模拟目标，就需要采用无热化设计技术研制适用于高低温环境的目标模拟器。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种便携式宽温范围目标模拟器的光学系统，以保证目标模拟器在高低温环境下的像质最佳。
技术方案
一种便携式宽温范围目标模拟器的光学系统，其特征在于包括主镜组件1、次镜组件2、空心殷钢管件3、气密室4、转折镜组件3-5和大底板3-6；主镜组件1、次镜组件2和转折镜组件3-5的镜组件基板串联在多根轴向平行排列的空心殷钢管件3 上，并固定在大底板3-6上；转折镜组件3-5置于主镜组件1与次镜组件2之间，组成离轴RC光学系统；气密室4罩在大底板3-6将光学系统整体密封；气密室4的侧壁设有进气口4-4和排气口4-5，在离轴RC光学系统的出光口位置和光源接口位置各设有一个谱硫化锌窗口。
所述主镜组件1包括主镜1-1、主镜支架1-2和主镜室1-3；主镜1-1安装于主镜室1-3后挂装于主镜支撑支架1-2上；所述主镜1-1的背面无遮栏。
所述次镜组件2包括次镜2-1、次镜支架2-2和2-3次镜室；次镜2-1安装于次镜室2-3后挂装于次镜支撑支架2-2上，所述次镜2-1为凸非球面。
所述镜组件基板均采用铝合金基板。
所述主镜采用微晶玻璃和转折镜采用微晶玻璃。
所述次镜采用熔石英玻璃。
所述主镜室1-3采用碳化硅的法兰镜室。
所述次镜镜室采用2Cr13。
所述在次镜组件2的下部设置滑动导轨。
所述主镜支撑支架1-2和次镜支撑支架2-2采用铝合金。
有益效果
本发明提出的一种便携式宽温范围目标模拟器的光学系统，由气密室、主镜、次镜和转折镜组成离轴RC光学系统结，既确保了通光口径，又降低了系统体积和重量，实现了便携性设计。主镜、次镜、转折镜组成的光学系统安装于殷钢组合支架上，光学系统及其殷钢支架整体安装于与外部连接的铝合金大底板上，实现了-55℃～+70℃宽温度范围的无热化像质设计要求。目标模拟器通过出光口位置和光源接口位置的两片多光谱硫化锌窗口形成气密结构的内腔，内充干燥氮气，实现了的内腔镜面和结构在宽温范围下不结霜结露。
本发明的优点：该系统不仅具备光电目标特性的模拟能力，且具有高低温环境适用性。系统采用离轴RC光学系统构型，极大降低了系统体积和重量，便于不同场合的携带使用。
附图说明
图1：便携式宽温范围目标模拟器光学系统结构示意图
图2：主镜组件示意图
图3：次镜组件示意图
图4：目标模拟器光学系统中消热结构示意图
图5：目标模拟器光学系统中气密室示意图
1-主镜组件，1-1-主镜，1-2-主镜支架，1-3-主镜室，2-次镜组件，2-1-次镜，2-2-次镜支架，2-3-次镜室，3-空心殷钢管件，3-2-镜组件基板，3-5-转折镜组件，3-6-大底板，4-气密室，4-3-压力表，4-4-进气口，4-5-排气口，4-6-硫化锌大窗口，4-7-硫化性小窗口
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
图1为便携式宽温范围目标模拟器光学系统示意图：主镜组件1和次镜组件2 和转折镜组件3-5构成目标模拟器的离轴RC反射光学构型。主镜支架、次镜支架、三个镜组件基板和空心殷钢管件构成光学系统消热系统，保证了主镜组件1和次镜组件 2之间的间隔不受温度变化的影响，气密室4保证了主镜组件1和次镜组件2在高低温环境下不结霜结露。
具体实施例的参数为：设计了一个离轴RC光学系统，其出瞳口径为200mm、焦距为1400mm、视场2°、外形尺寸为550mm×320mm×220mm长×宽×高。
如图2所示，主镜1-1外径φ210mm，主镜1-1安装于主镜室1-3后挂装于主镜支撑支架1-2上。主镜1-1材料微晶玻璃，主镜室1-3采用碳化硅的法兰镜室，主镜1-1 的背面无遮栏，主镜支撑支架1-2为铝合金。主镜1-1材料微晶玻璃的膨胀系数为0，主镜室1-3材料SiC的膨胀系数为2.7×10-6，则温度从20℃降低到-55℃时降低-75℃，主镜1-1与主镜室1-3间的间隙改变量为-75×210×2.7×10-6＝0.043mm。取主镜室1-3 与主镜1-1的配合间隙为0.08mm，以保证在-55℃低温下主镜室1-3不会“抱住”主镜1-1，防止主镜1-1产生异常变形。
如图3所示，次镜2-1外径φ80mm，次镜2-1安装于次镜室2-3后挂装于次镜支撑支架2-2上。次镜2-1为凸非球面，凸非球面检测比较困难，一般采用透明玻璃，通过背部检测或自准直检测降低面形检测难度，因此次镜材料不用不透明的微晶玻璃，而采用熔石英玻璃，熔石英玻璃膨胀系数为0.6×10-6，次镜室2材料2Cr13，膨胀系数为10.2×10-6，则温度降低-75℃时，次镜2-1与次镜室2-3的间隙改变量为-75× 80×9.6×10-6＝0.058mm。取次镜2-1与次镜室2-3配合间隙0.07mm，保证在-55℃低温下次镜室2-3不会“抱住”次镜2-1，防止次镜2-1产生异常变形。
如图4所示，对主次镜间距与MTF之间的关系进行仿真，得到主次镜间距控制在±0.05mm范围，则可以忽略温度对成像质量的影响。三根空心殷钢管件3平行排列，殷钢的膨胀系数为1.26×10-6，主镜组件1、次镜组件2间隔为500mm，-75℃的温度变化使殷钢管3轴向收缩量为0.04mm，满足±0.05mm的光学要求，可以保证主镜组件 1、次镜组件2、转折镜组件3-5的轴向位置稳定不变，系统焦面和像质保持不变。两端和中间分别为平行排列的主镜组件基板、次镜组件基板和转折镜组件基板，材料为铝合金，与大底板3-6匹配，温度变化不会造成径向异常变形。消热系统与大底板3-6 连接时在主镜组件基板部位采用螺钉固定连接，在次镜组件基板位置设置滑动导轨，可以自由轴向伸缩，保证消热效果。
如图5所示，采用铝合金焊接成气密室4，罩在目标模拟器的大底板3-6上，将目标模拟器本体整体密封.使用时内部充1.2标准大气压的干燥氮气，在密封腔侧壁安装有压力表4-3指示目标模拟器内部的气压，并有带阀门的进气接口4-4和排气接口 4-5。在大底板3-6上对应部位开槽，用硅橡胶O型圈进行密封。硅橡胶制成的O型圈性质稳定，工作温度可达-60℃～+206℃，可以满足使用温度的要求。在气密腔侧壁对应目标模拟器出光口和光源的位置安装有大的多光谱硫化锌窗口4-6和小的多光谱硫化锌窗口4-7。两个多光谱硫化锌窗口能够透过从可见光到长波红外的光线，在窗口安装部位使用硅橡胶O型圈进行密封。
本发明的壳体上设计有快卸螺钉，可以方便的安装在调节支架上，也可以置于检测平台上。目标模拟器采用离轴RC结构，通过转折平面镜将焦面转折至平行光管侧面，该结构既确保了通光口径，又降低了系统体积和重量，易于便携性设计。主镜、次镜、转折镜组成的光学系统安装于殷钢组合支架上，光学系统及其殷钢支架整体安装于与外部连接的铝合金大底板上，实现了-55℃～+70℃宽温度范围的无热化成像需求。目标模拟器通过出光口位置和光源接口位置的两片多光谱硫化锌窗口形成气密结构的内腔，内充干燥氮气，实现了内腔的镜面和结构件在宽温范围下不结霜结露。在目标模拟器的焦面位置，安装有电机驱动的红外靶轮机构，在红外靶轮上装有6片红外靶板，使用时可以通过遥控的方式切换不同靶板。
由于本系统采用离轴RC反射光学构型，全效率利用光学系统入瞳口径，在600mm长度限制下实现1400mm长焦距高分辨率设计。采用3根轴向平行排列的空心殷钢管件和3块径向平行排列的铝合金基板构成的消热支架,保证主镜、次镜、转折镜以及靶板的轴向位置和径向位置稳定不变，系统焦面和像质保持不变。采用多光谱硫化锌窗口和铝合金将光学系统整体密封，内部充干燥氮气，使目标模拟器内腔体形成整体气密腔。
能够实现：
(1)焦面位置一致性设计
主镜、次镜、转折镜组成离轴RC光学系统，3个反射镜之间的间隔确定了焦面位置，为了保证3个反射镜在-55℃～+70℃温度范围内的间隔不发生变化，将其安装于殷钢组合支架上，殷钢材料随温度变化的膨胀系数很小，在光轴方向上随温度变化的膨胀率可以忽略不计。
(2)离轴RC光学系统无热化设计
温度变化将引起主次镜间结构变形，导致光学性能的衰变，对主次镜间距与MTF之间的关系进行仿真，预计满足MTF前提下的主次镜间距允许最大变化量，设计合理的装配工艺，主镜采用微晶玻璃、主镜室材料SiC，次镜采用熔石英玻璃、次镜镜室采用2Cr13，转折镜采用微晶玻璃，加上4J36殷钢杆件和铝合金部件组合成的消热支架方案形成目标模拟器的被动无热化设计方案。
(3)内腔气密性设计
目标模拟器用于-55℃～+70℃温度环境，并要在低温环境下使用，需要在目标模拟器内部充干燥氮气防止反射镜和结构件标明结霜结露。

Claims (10)

1.一种便携式宽温范围目标模拟器的光学系统，其特征在于包括主镜组件(1)、次镜组件(2)、空心殷钢管件(3)、气密室(4)、转折镜组件(3-5)和大底板(3-6)；主镜组件(1)、次镜组件(2)和转折镜组件(3-5)的镜组件基板串联在多根轴向平行排列的空心殷钢管件(3)上，并固定在大底板(3-6)上；转折镜组件(3-5)置于主镜组件(1)与次镜组件(2)之间，组成离轴RC光学系统；气密室(4)罩在大底板(3-6)将光学系统整体密封；气密室4的侧壁设有进气口(4-4)和排气口(4-5)，在离轴RC光学系统的出光口位置和光源接口位置各设有一个谱硫化锌窗口。
2.根据权利要求1所述便携式宽温范围目标模拟器的光学系统，其特征在于：所述主镜组件(1)包括主镜(1-1)、主镜支架(1-2)和主镜室(1-3)；主镜(1-1)安装于主镜室(1-3)后挂装于主镜支撑支架(1-2)上；所述主镜(1-1)的背面无遮栏。
3.根据权利要求1所述便携式宽温范围目标模拟器的光学系统，其特征在于：所述次镜组件(2)包括次镜(2-1)、次镜支架(2-2)和(2-3)次镜室；次镜(2-1)安装于次镜室(2-3)后挂装于次镜支撑支架(2-2)上，所述次镜(2-1)为凸非球面。
4.根据权利要求1所述便携式宽温范围目标模拟器的光学系统，其特征在于：所述镜组件基板均采用铝合金基板。
5.根据权利要求2或3所述便携式宽温范围目标模拟器的光学系统，其特征在于：所述主镜采用微晶玻璃和转折镜采用微晶玻璃。
6.根据权利要求3所述便携式宽温范围目标模拟器的光学系统，其特征在于：所述次镜采用熔石英玻璃。
7.根据权利要求2所述便携式宽温范围目标模拟器的光学系统，其特征在于：所述主镜室1-3采用碳化硅的法兰镜室。
8.根据权利要求3所述便携式宽温范围目标模拟器的光学系统，其特征在于：所述次镜镜室采用2Cr13。
9.根据权利要求1所述便携式宽温范围目标模拟器的光学系统，其特征在于：所述在次镜组件2的下部设置滑动导轨。
10.根据权利要求2或3所述便携式宽温范围目标模拟器的光学系统，其特征在于：所述主镜支撑支架1-2和次镜支撑支架2-2采用铝合金。
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