中波红外发射系统光机结构设计与主镜的分析和检测

周学顺，白素平，王鑫

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

中波红外发射系统光机结构设计与主镜的分析和检测

周学顺，白素平，王鑫

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

激光准直扩束系统被广泛应用在光通信、光测量等领域，可实现对出射激光准直和扩束，减小激光发散角，增强远场激光辐射强度。根据设计要求和光学系统特点，设计了口径为290mm的卡塞格林式中波红外发射系统，设计了主、次镜装调结构，并完成主镜支撑结构、次镜支撑结构、透射目镜支撑结构及其他部分的结构设计。用ANSYS Workbench对主镜支撑结构进行分析。主镜面形精度采用ZYGO干涉仪进行波像差检测，得到RMS为0.047λ（λ=4.7μm）。结果表明，设计的中波红外发射系统满足准直扩束系统对像质的要求，可实现出射激光的准直和扩束，且结构简单，易于加工装调，具有较高实际应用价值。

中波红外发射；卡塞格林系统；有限元分析；波像差检测

激光具有光能量集中、方向性和单色性好等特点而得到广泛应用。但激光器输出的光束具有一定发散角，在精密测量中，还需用光学系统进一步提高其准直性，减小发散角，改变光斑大小，增强远场激光辐射强度［1］。为了满足激光发射的要求，本文设计了主镜直径为290mm的卡塞格林反射式激光准直扩束系统，并对主镜进行分析检测，在满足光学系统性能的前提下实现光学系统的结构轻量化和高稳定性，并便于装调和检测。

光机结构的设计分析与检测是必不可少的。同时，为避免受自重的影响或将这种影响降低到可接受的限度，系统要在保证刚度的条件下尽可能的减轻质量，并保证系统的各个组件可调整及方便检测和装调，这对系统的设计提出了较高的要求。

1 系统组成

1.1 总体结构组成

中波红外发射系统总体结构方案如图1所示。主要由卡塞格林系统组成［2］，包括：a次镜的支撑结构；b遮光罩；c支撑座；d主镜的支撑结构；e透射目镜部分的固定结构，f激光器连接件等几部分［3］。

图1 中波红外发射系统总体结构方案图

1.2 光学系统组成

反射式光学系统不存在色差和二级光谱，支撑结构简单，加工制造容易，一般用于口径较大视场较小的光学系统［4］，本文的光学系统口径为290mm，因此选用反射式光学系统。充分考虑各种反射系统的优缺点，最终选用卡塞格林式反射光学系统。

图2 中波红外激光准直扩束光学系统

中波红外激光准直扩束光学系统为倒置望远镜结构。如图2所示，由透射目镜和反射物镜组成，面S8为中间像面，S1为通光口径为7mm的孔径光阑。目镜部分包括三个折射球面透镜E1、E2、E3，其中面S3、S4、S7为球面，面S2、S5、S6为平面；物镜为卡塞格林结构，主镜E5为抛物面反射镜，面S10为反射面，次镜E4为双曲面反射镜，S9为反射面。该系统对4.7μm和3.96μm消色差，对出光口径7mm，发散全角10mrad的4.7μm激光光束进行准直扩束，激光器出射端口置于中波红外激光准直扩束光学系统第一片透镜前表面S2前20mm处，出射光束发散全角设计值为247μrad，出射口径290mm。

2 系统结构设计

2.1 主镜支撑结构设计

主镜的支撑结构采用背部支撑［5］，如图3所示。主镜采用胶粘的方式固定在镜座内，主镜座与后座采用多点支撑连接，镜座外径与连接筒间留有间隙，不直接接触，这样可以避免镜架变形对主镜的直接影响，减小了主镜在使用过程中的变形。后座与主镜座背部连接，同时固定在连接筒上，通过结构配合关系及装配过程的微调整保证后座与主镜的同轴关系，即保证目镜、光源与主镜的同轴关系。

主镜座、背板都在主镜精抛前完成加工，主镜采用环氧树脂胶固定在主镜座内，精加工镜面时，带上背板和主镜座加工，以防止注胶造成面形变化。

图3 激光发射准直主镜支撑结构

图4 次镜组结构图

2.2 次镜支撑结构设计

次镜组支撑方式如图4所示。次镜组包括次镜座、次镜调整块、连杆前座。次镜座采用柔性结构，固定在前调整块上，前调整块与连杆前座固定，可通过修磨调整块来调整主次镜轴向间隔。镜面周边通过点环氧树脂胶进行固定，镜面进行精加工前就将镶嵌件和镜面作为一体，这样在镜面精加工后就可避免次镜粘胶固定过程引起的镜面面形变化。

图5 发射系统主次镜及后座连接结构

图5为发射系统主次镜及后座连接结构［6］。次镜组通过圆周均布的三个连接杆和连杆后座连接，连杆后座固定在连接筒上。可通过精修调整块及连杆前、后座来调整次镜的位置，保证次镜与主镜同轴且控制其垂直位置。连接杆后座固定在连接筒上。最后遮光罩固定在连接筒上，整体固定结构对主镜、次镜位置、面形不产生直接影响，可将负面影响降到最低。安装结构均采用铝合金材料，保持温度变化等因素对镜面的影响一致［7］。

2.3 目镜结构设计

准直发射系统的目镜组中单个透镜采用螺纹压圈进行固定，现有机械加工水平，能够保证位置公差在±0.02mm，元件倾斜在1′以内。在镜面加工中为保证同轴度，镜面加工的外圆尺寸都为12mm，因此透射目镜中的三个折射透镜均采用压圈的固定安装结构，其中机械靠面和外镜筒一起，通过结构加工保证每个透镜和光轴的垂直度。

目镜筒结构如图6所示，目镜筒通过螺钉固定于主镜后框架上。在装调时沿轴向距离可以通过垫片进行调整。

图6 发射系统目镜筒结构

3 主镜支撑结构的分析与检测

3.1 主镜支撑结构分析

卡式光学系统主次镜的面形精度及装配精度对光学系统的成像质量有着非常重要的影响，而其中主镜的装调质量会极大地影响整个系统的成像水平［8］，因此需要分析主镜在支撑状态下的面形。将主镜支撑结构的三维模型从UG导入ANSYS Workbench中，定义主镜和主镜座的材料为铝合金（7075），定义两者间的接触类型为Bonded。六面体网格是结构中最稳定的单元，因此尽量使用正六面体网格和四边形网格。对主镜切分用Sweep的方式进行网格划分，主镜座选用Automatic的方法［9］，共划分单元18648个，共有节点48708个，划分有限元模型如图7所示。分析主镜在重力下的变形，主镜及主镜筒约重9.68kg，选择主镜座背部上与后座相连接的六个螺纹孔作为约束，约束类型为Fixed Support，进行静力学分析，应变云图如图8所示。主镜在竖直放置下的最大变形为0.1171μm，出现在主镜座上方外径处，主镜RMS为0.065μm。

图7 有限元网格模型

图8 竖直支撑状态下主镜变形云图

3.2 波像差检测

激光发射系统的主体是两反的卡式物镜，因此测试时对于中波激光准直发射系统的测试是相对于物镜而言的。激光发射系统波像差检测采用红外干涉仪进行，本文选用ZYGO干涉仪测试［10］。测试原理如图9所示，干涉仪检测原理为光的干涉原理，即通过本征光和信号光的干涉条纹解算信号光束与本征光束之间的波面差异。测试过程如下：

（1）打开气浮，将调整架、标准镜、干涉仪按照图10所示放置固定；

图9 激光发射光学系统波像差检测原理图

图10 波像差检测装置图

（2）ZYGO干涉仪换上平面标准镜头，让其和平面标准镜做自准直（口径大于310mm），调整干涉仪五维调整架高低，使出射光束口径中心位置和平面标准镜中心位置尽量重合，偏差不超过10mm；

（3）调整干涉仪旋转和俯仰，使得从平面标准镜反射回的干涉光束与干涉仪内部标准光源相干，并将干涉图调至零条纹或一个条纹，完成干涉仪和标准镜对准；

（4）干涉仪换上F数位3.3的标准镜头，将发射物镜系统固定于调整架上，调整调整架的Z轴（光轴方向），使得干涉仪发出的标准球面波球心位于理论设计的物镜焦面位置附近；

（5）调整六维调整架的高低和左右，使得干涉仪发出的球面波基本成对称状态通过主镜中心孔；

（6）调整六维调整架的俯仰，使得干涉仪发出的球面波返回光束进入干涉仪视场内；

（7）精调六维调整架的各个参数和干涉仪的调整机构，使得干涉仪采集干涉图接近于最佳位置。

（8）采集干涉图，求出发射物镜系统的波像差。

图11 激光发射物镜波像差

ZYGO检测结果如图11所示，发射物镜系统波像差为0.35λ（λ=632.8nm），本文研究的光学系统工作波长为4.7μm，折算后的波像差为0.047λ（λ=4.7μm）小于设计要求值0.1λ。

本文所述的主镜结构的有限元分析是基于理想状态下的分析结果，而实际中主镜精抛、镀膜、胶粘固定等过程以及实验环境因素的影响会使检测结果比单主镜组件时损失一部分面形，这和有限元分析结果从理想状态下变为0.047λ的情况是吻合的。一方面说明有限元分析是正确的，另一方面说明支撑效果是理想的，根据本文光学系统波像差＜0.1λ的要求，这样的面形是完全符合要求的。

4 结论

本文对一种中波红外准直扩束系统进行结构设计，该系统采用卡塞格林反射式光学结构。针对设计指标要求设计了卡式系统中主镜、次镜的支撑结构、透射目镜部分的固定结构等，可实现激光准直扩束并易于装调和检测。对主镜支撑结构进行仿真分析，并用ZYGO干涉仪对发射系统的波像差进行检测，满足像质要求。系统可应用于激光通信、激光测量、激光干涉仪等领域。

［1］袁健男.改进型卡塞格林望远光学系统的优化设计［D］.长春：长春理工大学，2010.

［2］Vladimir S.Obraztsov，Alexander A.Ageichik.Alignment of Cassegrain Telescope with Epps-Shulte Focus［J］.Key Engineering Materials，2010（437）：329-333.

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［4］杨铭.相干激光雷达结构设计［D］.长春：长春理工大学，2012.

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Design of Opto-mechanical Structure and Analysis and Detection of Primary Mirror in MW Infrared Emitting System

ZHOU Xueshun，BAI Suping，WANG Xin
（School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Laser collimation and expansion system is widely used in optical communications，optical measurement and other fields，it can achieve the emission of laser collimation and beam expansion，Reducing the laser divergence angle and Enhancing of far field laser radiation intensity.According to design requirements and characteristics of optical system，a caliber of 290mm Cassegrain medium wave infrared emission system is designed.The structural design of the primary and secondary mirror，and completed the primary mirror support structure，secondary mirror support structure，transmission eyepiece support structure and other parts are accomplished.ANSYS Workbench is used to analyze the primary mirror support structure，and the precision of the primary mirror is verified.Wave aberration detection with ZYGO interferometer，the results show that RMS is 0.47λ（λ=4.7μm）.The results show that the medium wave infrared emission system satisfies the requirements of the collimated beam system and achieves the collimation and expansion of the laser.And the structure is simple，easy to process and adjust，with a high practical value.

Medium wave infrared emission；Cassegrainian system；finite element analysis；Wave aberration detection

TH74

A

1672-9870（2017）05-0017-04

2017-09-22

周学顺（1992-），男，硕士研究生，E-mail：zxs13341405672@163.com

白素平（1970-），女，副教授，E-mail：1404754177@qq.com