卡式红外光学系统光机分析及结构优化

    光学仪器都工作在一定的温度环境下。 野外用光学仪器要求有很好的环境适应性， 其工作环境的温度变化范围一般为-40~60℃， 而空间光学仪器的工作温度范围更大。 温度变化将导致光机系统的结构参数（结构尺寸、光学介质特性等）发生变化，进而影响光学系统的性能。 参考文献[1-3]介绍了多种热补偿方式，并给出了设计实例。 然而，并未考虑镜片支撑结构的变形对热补偿效果的影响。 在具体的消热结构设计时发现， 温度变化时镜片支撑结构也将产生热变形。且其变形量过大时，将会使得镜面产生很大的刚体位移和表面变形， 从而破坏光机结构参数，导致热补偿效果降低甚至失效。 因此，须对多种变形进行综合考虑。

    文中针对某卡式红外光学系统工作温度变化范围大(-40~60 ℃)的特点，进行了热补偿结构设计，利用有限元方法对主镜及其支撑结构进行了热结构分析以及结构改进与优化， 并对改进后系统的光机特性进行了分析。

    1 主镜支撑结构分析

    1.1 红外光学系统热补偿原理

    红外光学系统热补偿原理如图 1 所示。 在设计中采用由热膨胀系数极低的殷钢材料加工成的拉杆作为计量杆，连接主次镜的镜框，以保证二者的光学间隔在工作温度范围内保持在可接受的水平。 镜筒和主镜箱可用质轻且价廉的硬铝而非价格高昂、工艺复杂、密度大的低膨胀合金来制造。从而减小结构重量，便于搬运和运输；同时节约了贵重金属材料。此外， 支撑次镜组件的支撑架与镜筒选用相同的材料制造，以使二者具有相同热效应。 并且在支撑架与镜筒之间采用间隙很小的滑动配合， 以保证在因温变引起镜筒沿轴向膨胀与收缩时， 二者可产生相对运动并保证一定的导向精度。

    1.2 主镜支撑结构

    主镜支撑结构如图 2 所示。 主镜的口径为 Φ240 mm，中心孔直径为 Φ45 mm，质量约为 3.29 kg，其支撑结构如图 3 所示。 主镜采用中心支撑结构。 主镜中心孔与中心支撑筒外圆柱面胶结在一起， 主镜背部也通过胶结方式与主镜板连接， 中心支撑筒则通过螺纹连接与主镜板相连， 主镜板用螺纹连接固定在主镜箱上。 当温度变化时，主镜的大部分区域可以自由膨胀或收缩以减小热应力和镜面的变形。 此外还可缓和运输及搬运过程中的振动与冲击。

    1.3 主镜组件结构的有限元分析

    为保证主镜支撑结构的可靠性， 需对其进行结构仿真分析。 主镜组件材料参数详见表 1。