惠剛陽，張 博，左曉舟，王中強，劉 欣，趙紅軍

（西安應用光學研究所，陜西 西安 710065）

引言

隨著光電成像探測系統(tǒng)環(huán)境適應性要求的提高，不僅需要考核光電系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下的工作能力，同時還要考核其性能指標，比如在不同環(huán)境溫度條件下光電系統(tǒng)的分辨率、成像傳遞函數(shù)等，避免由于苛刻的環(huán)境因素導致光電系統(tǒng)成像質量嚴重下降[1-4]。因此，需要建立一套光電成像系統(tǒng)高低溫試驗裝置來模擬光電系統(tǒng)在高低溫環(huán)境中設計的合理性及其環(huán)境適應性，并完成相關性能指標的測試驗證。光電成像系統(tǒng)高低溫試驗裝置主要由具有多光譜光學窗口的高低溫箱和外置的目標模擬器組成，其中多光譜光學窗口組件為高低溫箱及被試產(chǎn)品與外部目標模擬器的接口，為該裝置的核心組件。它不僅作為隔離組件實現(xiàn)產(chǎn)品與外部目標的隔離，同時作為通光窗口，是測試光束的必經(jīng)通道，其光學性能直接影響檢測結果的準確性[5-7]。光學窗口組件在設計過程中不僅需要考慮光學窗口組件適應的光譜范圍、強度、剛度，還需要考慮高低溫環(huán)境條件下光學窗口組件的結霜結霧等問題，以及光學窗口組件透射性能對產(chǎn)品檢測結果的影響。

空間相機領域常用到光學窗口組件，一般采用雙層玻璃真空環(huán)境，內(nèi)外有一定的壓力差，兩層光學玻璃之間在抽真空后充入一定大氣壓的干燥氮氣[8-9]。該方案可以實現(xiàn)逐級減壓，減小每層光學玻璃承受的壓差，有效提高整個光學窗口組件的安全可靠性?；诖朔桨?，為了保證密封及內(nèi)外壓力差等，本文對于通光口徑Φ310 mm 的光學玻璃（尺寸Φ310 mm×30 mm）進行周向注膠并承受內(nèi)外壓力差。但是，選用的窗口玻璃——多光譜ZnS基底材料對尺寸有一定的限制，對于Φ310 mm 光學材料厚度只能選20 mm，這樣的徑厚比材料在一定真空條件（0.5 個大氣壓）下產(chǎn)生的應力會使光學窗口的面型發(fā)生較大變化，難以滿足透射波像差RMS 值優(yōu)于λ/15(λ=632.8 nm)的要求，因此，必須采用一種新的結構設計方案解決周向注膠和內(nèi)外壓力差等問題。

光電系統(tǒng)高低溫試驗裝置中光學窗口組件根據(jù)測試對象選取的有效口徑為Φ300 mm，光學窗口可覆蓋0.4 μm～0.96 μm、1.2 μm～2.0 μm、3.5 μm～12 μm 波長范圍，同時在光學窗口正面和窗口反面鍍制增透膜，保證覆蓋的各個光譜段具有較高的透過率?；谏鲜鲆?本文選擇多光譜ZnS 作為光學窗口基底材料，并對光學窗口組件進行了結構方案設計。設計要求光學倉內(nèi)大氣壓力與外界大氣壓相同，從而解決壓力變形問題。為了保證窗口組件的環(huán)境溫度適應性，提高光學窗口組件的工作可靠性，采用雙層窗口玻璃結構，該結構可以減小窗口玻璃的溫度梯度，減小溫度對窗口面型的影響程度。

文中敘述了光學窗口組件的結構設計形式，充分考慮了裝配應力及窗口面型精度，采用有限元分析軟件Ansys 計算了壓力對光學玻璃表面變形的影響，利用CODE V 軟件分析計算了通光口徑為Φ310 mm 的光窗組件中光學玻璃表面變形對波像差RMS 值的影響，計算分析了光窗組件中光學玻璃表面變形對光程差的影響。計算分析結果表明，文中給出的光學窗口組件結構方案既滿足強度和可靠性要求，又滿足光學性能要求，整個光學窗口組件安全可靠。

1 主要技術指標及要求

光學窗口組件是光電系統(tǒng)高低溫試驗裝置（如圖1 所示）的核心部件，承擔著光學性能指標測試的主要任務，其工作狀態(tài)及面型精度直接影響光電系統(tǒng)性能指標測試的置信度，因此該組件不僅需要滿足透射光學性能指標，而且需要滿足高低溫條件下不結霜結霧，面形不發(fā)生較大變化。光學窗口組件的主要技術指標如下：

圖1 光電系統(tǒng)高低溫試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of high and low temperature test device for photoelectric system

1）光學窗口組件有效通光孔徑為Φ300 mm（光學玻璃直徑Φ310 mm），材料為多光譜ZnS；

2）光學窗口組件在試驗裝置溫度為-55 ℃～+70 ℃恒溫期間不結霜結霧；

3）光學窗口組件在試驗溫度范圍內(nèi)透射波像差RMS 值優(yōu)于λ/15(λ=632.8 nm)；

4）具備充氮氣接口。

2 光學窗口組件結構設計

綜合考慮光學窗口組件工作狀態(tài)下不結霜結霧要求、透射波像差要求、安全可靠性及光電系統(tǒng)性能測試要求，文中針對光學窗口組件進行了結構方案設計。

2.1 光學窗口組件結構方案設計

為保證光學窗口組件的微應力裝配、工作狀態(tài)下透射波像差及高低溫工作時不結霜結霧等要求，光學窗口組件采用雙層光學玻璃結構方案，主要由窗口玻璃、外鏡框、內(nèi)鏡框、尼龍隔圈、壓圈、尼龍外壓圈、中間鏡筒、加熱片組成，如圖2所示。窗口玻璃裝配在內(nèi)外鏡框上，通過尼龍隔圈和壓圈固定。該設計方案以透射波像差精度和除霜除霧功能為主要出發(fā)點，通過選取特種材料及膜層解決多光譜成像問題；通過各個零件材料的選取及特征尺寸設計，解決窗口組件光學元件與結構件之間的微應力裝配問題，并通過隔熱結構及特殊材料的設計減小窗口熱梯度，解決了窗口玻璃的隔熱和導熱問題；通過在中間鏡筒增加加熱片，為鏡筒內(nèi)提供一個熱場，解決光學窗口表面加熱問題；通過特殊通道式結構設計實現(xiàn)光學窗口表面微風吹掃功能，解決光學窗口裝置在高低溫過程中結霜結霧問題，最終完成了滿足透射波前要求以及具有除霜除霧功能的多光譜光學窗口組件設計。

圖2 光學窗口組件結構簡圖Fig.2 Structure diagram of optical window assembly

2.2 光學窗口組件裝配后對窗口面型影響的設計

為了解決光學窗口組件密封光學倉內(nèi)外壓力差帶來的窗口應力變形問題，本文設計中采用了非粘接裝配方案，利用特殊材料接觸光學件表面實現(xiàn)接觸自密封，并設計了沖氮氣通道實現(xiàn)窗口組件內(nèi)外壓力差為零，這樣就避免了粘接應力。窗口充氮氣工作狀態(tài)可使內(nèi)外壓力差控制在0.02個大氣壓左右，同時采用了外筒熱輻射的加熱方案，解決了窗口低溫結霜結霧問題。

3 光學窗口組件不同溫度場條件下光學性能分析

光學窗口組件設計除了需要考慮粘接應力和壓力差外，其工作溫度狀態(tài)也是必須考慮的。當光學窗口組件工作在-50 ℃～+70 ℃時，光機結構形式及玻璃自身的溫度梯度會使光學玻璃表面發(fā)生變形，進而直接影響其光學性能，光學性能的改變直接影響被測產(chǎn)品的測試結果。因此，有必要驗證光學窗口組件在不同溫度條件下達到熱平衡狀態(tài)時是否滿足光學性能要求。該組件主要用于評價光電系統(tǒng)成像性能指標，所以選擇透射波像差進行評價。

3.1 光學窗口組件有限元分析

采用有限元軟件Ansys 計算不同溫度載荷情況下窗口的應力與應變情況。在進行光機熱集成仿真分析之前，對結構模型進行一系列的簡化處理，主要包括：刪除螺栓、螺釘、彈/平墊片；修補較小的孔洞、小面；修改部分結構件尺寸，避免與鏡筒干涉。模型簡化完成后采用統(tǒng)一網(wǎng)格尺寸進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為0.5 mm，所有網(wǎng)格共節(jié)點。仿真過程中邊界約束根據(jù)安裝位置進行定義，限制其X、Y、Z3 個方向的平移自由度，重力載荷定義為-Y方向1 g，溫度載荷定義為-50 ℃、-30 ℃、-10 ℃、10 ℃、30 ℃、50 ℃、70 ℃均勻溫度場進行計算，參考溫度20 ℃。根據(jù)傳感器仿真的結構材料種類及光學設計模型中所用到的光學材料種類，選取的零件材料具體參數(shù)見表1 所示。不同溫度下光學窗口組件應變結果如圖3 所示。

表1 光學窗口組件材料參數(shù)Table 1 Material parameters of optical window assembly

圖3 有限元計算結果Fig.3 Calculation results of finite element

3.2 光學窗口組件光機擬合分析

采用光機擬合轉換軟件Sigfit 對有限元計算結果進行提取、處理以及數(shù)據(jù)擬合，以便后續(xù)光學軟件仿真分析使用。選擇2 塊窗口玻璃共計4 個表面的位移結果進行面型擬合，從而實現(xiàn)其光學性能變化評估。擬合過程中采用Zernike 多項式進行面型擬合[10-15]，面型表達式為

4 個表面的剛體位移結果和面形變化數(shù)據(jù)如表2 和表3 所示。表2 中，SID 為光學設計軟件中表面編號，LID 為不同溫度載荷對應編號，數(shù)值由小到大代表溫度由低到高，T1、T2、T3 分別為X、Y、Z方向的平動量，R1、R2、R3 分別為繞X、Y、Z軸的轉動量。表3 中，dRoC 為半徑變化，RMS/PV為去除剛體位移及半徑變化后的面型矢高統(tǒng)計，Max、Min 分別為變形結果最大值與最小值。

表2 剛體位移數(shù)據(jù)表Table 2 Rigid body displacement data

表3 面型變化數(shù)據(jù)表Table 3 Optical surface deformation data mm

3.3 光學窗口組件光學仿真

本文只考慮熱傳導過程，根據(jù)傳熱學理論可以推導出窗口軸向溫度梯度分布與厚度成線性關系。在一定溫度范圍內(nèi)，材料折射率溫度系數(shù)為固定值，即折射率隨溫度呈線性變化，從而可以得到窗口不同軸向位置處折射率參數(shù)。結合面型變化數(shù)據(jù)，利用光學設計仿真軟件CODE V 對不同溫度載荷下的光學系統(tǒng)模型進行光學性能分析與評估。選擇視場圖-RMS 波前誤差作為整體像質評價標準，評價結果如圖4 和表4 所示。從圖4 和表4 可以看出，在-50 ℃～+70 ℃范圍內(nèi)，RMS 波前誤差均優(yōu)于λ/15。

表4 RMS 波前誤差(λ＝632.8 nm)Table 4 RMS wavefront error (λ＝632.8 nm)

圖4 視場圖－RMS 波前誤差Fig.4 Diagram of field of view -RMS wavefront error

4 光學窗口組件試驗驗證

該光學窗口組件的設計重點考慮窗口組件工作狀態(tài)對成像性能的影響。為了驗證該組件的實際工作指標，確定以該組件的透射波像差為評價依據(jù)，部件狀態(tài)利用大口徑平面干涉儀對其透射波像差進行測量，同時增加了熱輻射工況。在部件測量基礎上將該部件裝配在光電系統(tǒng)高低溫試驗裝置上，進行實際工況測試。

4.1 光學窗口組件透射波像差測試

利用大口徑平面干涉儀對光學窗口組件的透射波像差進行測試，并在測試過程中確定了窗口玻璃壓圈的預緊力矩值，測試圖如圖5 所示，測試結果見表5 所示。通過對外筒加熱功率進行試驗摸底，確定了加熱功率可接受范圍，為后續(xù)裝配力矩確定了工藝參數(shù)。從表5 可以看出，該組件裝配后能夠滿足系統(tǒng)的透射波像差要求。

表5 光學窗口組件透射波像差測試結果Table 5 Test results of transmitted wave aberration of optical window assembly

圖5 大口徑平面干涉儀測試光學窗口組件透射波像差Fig.5 Physical drawing of transmitted wave aberration of optical window assembly tested by large-aperture plane interferometer

4.2 光學窗口組件實際工作狀態(tài)測試

如圖6 所示，將光學窗口組件裝配至光電系統(tǒng)高低溫試驗裝置側面，在高低溫箱內(nèi)部隔振轉臺上架設一個微晶材料的高精度平面反射鏡，利用平面干涉儀對光學窗口組件的透射波像差進行測試，并在測試過程中變化高低溫箱的環(huán)境溫度，同時開啟光學窗口組件的外筒熱輻射。通過監(jiān)控窗口玻璃各表面的溫度變化，1 h 可達到熱平衡狀態(tài)，達到熱平衡后開始測量，透射波像差測試結果如表6 所示。由于溫度變化過程中窗口組件會出現(xiàn)一個明顯的離焦（power 值），power 值影響光學系統(tǒng)測試的焦面變化，可調焦補償，不影響系統(tǒng)像質評價。由表6 測試結果可知，該組件在系統(tǒng)工作狀態(tài)能夠滿足系統(tǒng)的透射波像差要求，高低溫箱在工作溫度范圍內(nèi)光學窗口組件無結霜結霧現(xiàn)象。

表6 光學窗口組件實際工作狀態(tài)透射波像差測試結果Table 6 Test results of transmitted wave aberration of optical window assembly in actual working state

圖6 光學窗口組件透射波像差測試圖Fig.6 Measurement diagram of transmitted wave aberration of optical window assembly

5 結論

本文對某光電系統(tǒng)高低溫試驗裝置的多光譜光學窗口組件進行了結構方案設計，重點解決窗口的粘接應力和窗口內(nèi)外壓力差問題，采用非粘接裝配方案，減小了外力對光學窗口玻璃面型精度的影響。采用有限元分析軟件Ansys 計算了不同溫度載荷下光學窗口的應力與應變，借助光機擬合轉換軟件Sigfit 完成有限元應變結果的提取、處理與擬合，形成光學軟件可以識別讀取的數(shù)據(jù)。使用光學設計仿真軟件Code V 實現(xiàn)了光學窗口組件高低溫不同條件下透射波像差的評估。理論計算分析及實驗結果表明，光學窗口組件結構設計方案合理，滿足該組件在不同溫度條件下的光學性能要求，解決了窗口組件在低溫過程中結霜結霧問題。通過理論分析與工藝實驗驗證，得到以下結論：

1）結構設計中采用持續(xù)充氮氣方案及熱輻射方案，解決了窗口組件光學玻璃工作過程中變形問題，為滿足系統(tǒng)的透射波像差指標創(chuàng)造了條件；

2）光學窗口組件結構的仿真分析及實驗結果表明，該光學窗口組件透射波像差RMS 值優(yōu)于λ/15 (λ=632.8 nm)；

3）在高低溫條件下測試光學元件的面型指標可能高于窗口本身的波前指標，需要對窗口的波前指標進行算法去除。經(jīng)過實際分析可知，通過插值法可進行對點去除，將窗口玻璃對測試系統(tǒng)造成的系統(tǒng)誤差進行修正，該技術需要后續(xù)進一步驗證。