离轴四反光学系统反射镜支撑技术研究

　　0　引　言

　　光谱成像技术是一种将光学、光谱学、精密机械、电子技术以及计算机技术融于一体的新型遥感技术,能获得空间维和光谱维的丰富信息,因而在经济建设和军事上均有极高的应用价值。光谱成像技术能够根据各种武器系统的辐射或反射的特征光谱判断目标的属性,能发现传统照相侦察系统无法发现的目标,如隐藏在树林中的火炮、坦克、车辆、井下发射架发射的火箭、潜水艇等。随着光谱成像技术的不断发展,如何使光谱仪小型化和轻量化是光学设计和结构设计人员共同关心的问题。

　　本文所述光学系统采用全新离轴四反射式结构,整个光学系统由4个光学元件组成,并且4个光学件都是球面。这种结构的特点是不需要矫正色差,可以在很小的结构下使系统的视场做得很大,并且这样的结构对谱段的选择具有自由性。但由于光学系统采用的是全离轴球面结构,使得这种纯离轴系统有别于以往常用的偏孔径离轴系统和偏视场离轴系统,给光机结构设计带来的难点是支撑结构的空间更加狭小,而各反射镜表面极其微小的形变都会引起光谱仪成像质量发生变化,这就给支撑结构的设计带来了很大的困难。

　　1　设计思想

　　离轴四反光学系统是新的光学系统,在新型光学系统下的反射镜支撑技术也是没有现成的经验可以借鉴,为保证离轴的四个反射镜组件能够满足光学设计的要求,需要使成熟的技术与创新的思想相结合,从反射镜材料的选择上、支撑结构设计上及固定约束关系上来充分保证反射镜的面形精度,以及四个反射镜彼此之间的位置的稳定性,从而能承受地面力学环境实验和在飞行中的冲击、振动和过载,以及在工作温度环境下的温度水平和温度梯度。考虑到这些要求,在反射镜组件的设计中采取的措施有[1]:

　　(1)反射镜选用高比刚度和热稳定性好的光学材料。

　　(2)反射镜的约束点的优化选择,支撑件材料与反射镜材料性能匹配。

　　(3)简化反射镜的支撑结构,降低热应力及装配应力对镜面面形精度和位置稳定性的影响。

　　(4)通过CAD工程分析计算来对结构进行定量分析。

　　1.1　反射镜的光学材料选择

　　高质量光学反射镜,其材料性能应满足比刚度大,导热系数低,同时材料本身应具有优良的稳定性,并与反射镜支撑结构材料线膨胀系数具有很好的匹配性能。表1列出了目前国际上常用的空间光学材料(材料的热膨胀系数为室温条件)。

　　综合对比表1中所列的材料,反射镜的光学材料主要在SiC和微晶玻璃中选择。SiC作为光学材料的优势很明显,高比刚度且热畸变小。SiC陶瓷的缺点是订货周期长,加工难度大且需要改性等。微晶玻璃的优势为:材料定货渠道畅通,研制过程相对成熟,面形抛光等精加工周期相对较短,材料自身综合性能较好。全面考虑项目进度节点、加工工艺、技术成熟性等方面的综合因素,反射镜的光学材料全部选用微晶玻璃。