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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), 2024, 17(4): 909-920. 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), 2024, 17(4): 909-920. 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, 2024, 17(4): 909-920. 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, 2024, 17(4): 909-920. 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:

    白素平(1970—),女,山西朔州人,硕士,副教授,硕士生导师,2005年于长春理工大学获得硕士学位,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 (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:

    在星地领域,激光通讯设备的发射光轴和接收光轴的对准度至关重要,而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,使系统探测精度降低。针对这一问题,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,并设计了长焦距光轴稳定探测系统以提高探测精度;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;最后搭建平台进行验证。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  本文光学系统示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of the proposed 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 diagrams of the main beam compression optical subunit

    图 4  主缩束子单元矩阵点列图

    Figure 4.  Matrix spot diagrams of the main beam compression subunits

    图 5  光轴稳定探测单元结构示意图

    Figure 5.  Schematic diagram of the structure of optical axis stability detection unit

    图 6  光轴稳定探测单元矩阵点列图

    Figure 6.  Matrix spot diagram of the 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 the optical axis stability detection unit

    图 8  光轴稳定探测辅助装调单元结构示意图

    Figure 8.  Structural diagram 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.  Matrix spot diagram 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 system

    图 11  本文光学系统仿真模型

    Figure 11.  Simulation model of proposed 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结果

    Figure 13.  Temperature analysis results 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  主反射镜温度分析结果

    Figure 15.  Temperature analysis results of the primary mirror

    图 16  次反射镜温度分析结果

    Figure 16.  Temperature analysis results of secondary mirror

    图 17  H-ZLAF53B和H-QK3L双胶合透镜温度分析结果

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

    图 18  H-F4透镜温度分析结果

    Figure 18.  Temperature analysis results of H-F4

    图 19  H-ZK14和H-ZF52GT双胶合透镜温度分析结果

    Figure 19.  Temperature analysis results 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  本文光学系统技术指标

    Table  1.   Technical specifications of the proposed optical system

    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
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    表  2  45 °C时主次镜的相对位移量

    Table  2.   The relative displacement between the 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
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    表  3  −10 °C时主次镜的相对位移量

    Table  3.   The relative displacement between the 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
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    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″)
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    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″)
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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

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