激光与光电子学进展, 2020, 57 (13): 131204, 网络出版: 2020-07-09   

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Analysis of Passive Athermalization Structure Design and Integrated Opto-Mechanical-Thermal of Zoom Lens of Photoelectric Countermeasure Platform
作者单位
1 上海航天控制技术研究所光学导航与探测事业部, 上海200233
2 火箭军装备部驻天津地区军事代表室, 天津 300308
图 & 表

图 1. 变焦光学系统示意图。(a) EFFL为19 mm;(b) EFFL为35 mm;(c) EFFL为50 mm;(d) EFFL为100 mm

Fig. 1. Schematic diagram of zoom optical system. (a) EFFL is 19 mm; (b) EFFL is 35 mm; (c) EFFL is 50 mm; (d) EFFL is 100 mm;

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图 2. 多重焦距组态的MTF曲线。(a) EFFL为19 mm;(b) EFFL为35 mm;(c) EFFL为50 mm;(d) EFFL为100 mm

Fig. 2. MTF curves for multiple focal length configuration. (a) EFFL is 19 mm; (b) EFFL is 35 mm; (c) EFFL is 50 mm; (d) EFFL is 100 mm

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图 3. 变焦镜头光机结构

Fig. 3. Opto-mechanical structure of zoom lens

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图 4. 变焦镜头有限元模型

Fig. 4. Finite element model of zoom lens

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图 5. 温度为-20 ℃时变焦镜头的刚体位移云图。(a)前固定组;(b)变焦组;(c)补偿组;(d)后固定组;(e)整机

Fig. 5. Rigid body displacement cloud diagram of the zoom lens at temperature of -20 ℃. (a) Front fixed group; (b) zoom group; (c) compensation group; (d) posterior fixation group; (e) machine

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图 6. 后固定组初始结构设计

Fig. 6. Initial structural design of rear fixed component

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图 7. 采用挠性压圈结构的固定组结构设计

Fig. 7. Fixed group structure design with flexible pressure ring structure

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图 8. 挠性压圈关键结构尺寸参数。(a)压圈;(b)隔圈

Fig. 8. Key structure parameters of flexible pressure ring. (a) Pressure ring;(b) space ring

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图 9. 采用挠性压圈的后固定组有限元模型

Fig. 9. Finite element model of rear fixed component adopted flexible pressure ring

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图 10. 采用挠性压圈消热差后固定组的位移云图

Fig. 10. Displacement cloud diagram of real fixed group athermalization with flexible pressure ring

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图 11. 热弹性轴向刚体位移随温度的变化

Fig. 11. Variation of thermoelastic axial rigid body displacement with temperature

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图 12. 变焦镜头的光学MTF曲线。(a)温度为-20 ℃,EFFL为99 mm;(b)温度为50 ℃,EFFL为99 mm;(c)温度为-20 ℃,EFFL为50 mm;(d)温度为50 ℃,EFFL为50 mm;(e)温度为-20 ℃,EFFL为19 mm;(f)温度为50 ℃,EFFL为19 mm

Fig. 12. Optical MTF curve of zoom lens. (a) Temperature is -20 ℃, EFFL is 99 mm; (b) temperature is 50 ℃, EFFL is 99 mm; (c) temperature is -20 ℃, EFFL is 50 mm; (d) temperature is 50 ℃, EFFL is 50 mm; (e) temperature is -20 ℃, EFFL is 19 mm; (f) temperature is 50 ℃, EFFL is 19 mm

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图 13. 波前差随温度变化的曲线。(a) PV随温度变化的曲线;(b) RMS随温度变化的曲线

Fig. 13. Curve of wavefront difference with temperature. (a) Curve of PV with temperature; (b) curve of RMS with temperature

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图 14. 光学设备温度应力可靠性实验平台

Fig. 14. Experimental platform for reliability of optical equipment temperature stress

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图 15. 分辨率板图像。(a) 20 ℃;(b) -20 ℃;(c) 50 ℃

Fig. 15. Image of resolution board. (a) 20 ℃; (b) -20 ℃; (b) 50 ℃

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表 1镜头材料参数

Table1. Material parameters of the lens

MaterialElastic modulus /MPaDensity /(10-6 kg·mm-3)Poisson's ratioCoefficient oflinear expansion /(10-6 ℃)
Titanium alloy114000.004.400.298.90
RTV701.001.280.47236.00
ZF5253730.005.530.258.90
QK763550.002.390.269.30
LAK984340.004.020.297.60
ZK989960.003.750.287.20
ZF652350.004.770.259.20
ZF5058990.003.970.258.70
H-LAK388730.003.870.297.90
ZF7L55000.004.970.248.90

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表 2Zernike多项式与Sediel像差的对应关系

Table2. Correspondence between Zernike polynomial and Sediel aberration

OrderPolynomialPhysicalmeaningDiagramform
11migration
2ρcos θX tilt
3ρsin θY tilt
42ρ2-1defocus
5ρ2cos 2θ0° or 90° astigmatism
6ρ2sin 2θ±45° astigmatism
7(3ρ3-2ρ)cos θX coma

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表 3长焦组态变焦镜头刚体位移/旋转的变化量

Table3. Variation of rigid body displacement / rotation of telephoto zoom lens

Serial numberT1T2T3R1R2R3
15.524×10-77.332×10-73.752×10-45.770×10-91.162×10-87.992×10-8
22.157×10-74.826×10-75.523×10-56.627×10-94.157×10-96.604×10-8
36.687×10-75.542×10-77.775×10-54.423×10-95.514×10-94.607×10-8
……
228.814×10-67.775×10-67.154×10-31.283×10-82.176×10-91.451×10-9
236.523×10-63.351×10-55.183×10-35.073×10-94.518×10-92.951×10-9
247.704×10-64.218×10-65.172×10-39.153×10-91.357×10-99.843×10-8
254.056×10-66.450×10-66.107×10-38.423×10-91.543×10-94.862×10-8

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表 4挠性压圈的后固定组材料参数

Table4. Material parameters of the flexible pressure ring of the rear fixed component

MaterialElastic modulus /MPaDensity /10-6 (kg·mm-3)Poisson's ratioCoefficient of linearexpansion /10-6
Beryllium copper1320008.420.3316.88
SUS3061870008.130.3123.70

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表 5温度为-20 ℃时前固定组各镜面的Zernike系数

Table5. Zernike coefficient of each mirror in the anterior fixation group at temperature of -20 ℃

SerialnumberFirst lensSecond lensThird lens
First surfaceSecond surfaceFirst surfaceSecond surfaceFirst surfaceSecond surface
1-7.08×10-4-6.93×10-4-3.11×10-4-3.08×10-44.62×10-4-3.79×10-4
25.68×10-43.16×10-42.93×10-44.28×10-4-1.84×10-3-2.64×10-3
3-7.92×10-4-8.31×10-4-0.93×10-3-8.99×10-43.99×10-39.13×10-4
4-2.27×10-3-3.68×10-34.47×10-48.52×10-4-8.87×10-61.08×10-5
5-7.22×10-4-5.44×10-47.78×10-56.92×10-41.81×10-62.53×10-6
66.99×10-43.59×10-4-5.19×10-5-3.15×10-5-1.01×10-61.18×10-6
74.42×10-34.40×10-31.49×10-43.44×10-4-1.51×10-5-5.61 ×10-5
81.09×10-39.93×10-4-4.00×10-5-3.46×10-5-5.83×10-5-4.68×10-5
97.62×10-48.52×10-46.47×10-66.19×10-6-3.23×10-5-4.03×10-5

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表 6温度为50 ℃时前固定组各镜面的Zernike系数

Table6. Zernike coefficient of each mirror in the anterior fixation group at temperature of 50 ℃

SerialnumberFirst lensSecond lensThird lens
Second surfaceFirst surfaceSecond surfaceSecond surfaceFirst surfaceSecond surface
1-0.18×10-3-0.26×10-3-6.23×10-4-1.09×10-31.40×10-52.16×10-7
2-2.20×10-44.37×10-5-8.73×10-4-4.77×10-4-2.29×10-3-3.33×10-4
35.62×10-57.10×10-5-8.88×10-42.24×10-3-8.25×10-5-4.47×10-6
4-3.31×10-3-1.89×10-3-6.62×10-64.47×10-6-2.29×10-4-1.06×10-5
52.57×10-68.36×10-5-6.66×10-5-7.80×10-4-8.88×10-7-6.63×10-7
6-2.52×10-5-2.76×10-5-2.77×10-5-4.42×10-53.77×10-5-1.52×10-6
7-8.62×10-3-8.47×10-3-3.97×10-6-4.43×10-67.96×10-5-1.47×10-6
8-3.33×10-3-4.82×10-42.64×10-51.58×10-55.51×10-75.39×10-7
95.97×10-41.62×10-4-7.64×10-6-1.27×10-6-7.04×10-7-2.28×10-7

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表 7-20 ℃和50 ℃温度载荷下Seidel像差系数

Table7. Seidel aberration coefficient at temperature load of -20 ℃ and 50 ℃

Seidel coefficientZernike polynomialValue (-20 ℃)Value (50 ℃)
apiston2Z1-Z4+Z91+4ε2+ε4(1-ε2)2-5.70×10-3-6.33×10-3
atilt_x2Z2(1+ε2)12-2Z7(1+ε2+ε4)(1-ε2)[(1+ε2)(1+4ε2+ε4)]121.08×10-3-8.53×10-4
atilt_y2Z2(1+ε2)12-2Z8(1+ε2+ε4)(1-ε2)[(1+ε2)(1+4ε2+ε4)]12-1.54×10-4-1.00×10-3
adefocus2[2Z4/(1-ε2)-6Z9(1+ε2)/(1-ε2)2]5.79×10-31.72×10-3
asa12Z9/(1-ε2)22.82×10-32.21×10-3
acoma_x6(1+ξ2)Z7(1-ξ2)(1+ξ2)(1+4ξ2+ξ4)6.68×10-45.36×10-4
acoma_y6(1+ξ2)Z8(1-ξ2)(1+ξ2)(1+4ξ2+ξ4)7.59×10-45.18×10-4

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杜伟峰, 刘永志, 高文杰, 胡雄超. 光电对抗平台变焦镜头被动消热差结构设计与光机热集成分析[J]. 激光与光电子学进展, 2020, 57(13): 131204. Weifeng Du, Yongzhi Liu, Wenjie Gao, Xiongchao Hu. Analysis of Passive Athermalization Structure Design and Integrated Opto-Mechanical-Thermal of Zoom Lens of Photoelectric Countermeasure Platform[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2020, 57(13): 131204.

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