1、编号 本科生毕业设计远距离目标成像系统结构设计The Structral Design of Remote Target Imaging System学 生 姓 名专 业 测控技术与仪器学 号指 导 教 师学 院 光电工程学院年 月 I摘要望远镜是获取远距离目标信息的重要途径之一，已成为现代军事侦察的重要手段。随着技术的发展和用户需求的不断提高，尤其是军事应用需求的牵引，望远镜向着高分辨力、轻型化和集成化的方向发展。目前，我国在反射镜支撑技术领域与美国等一些发达国家相比还有很大的差距。 本篇论文将针对远距离、大范围、快速移动的目标的搜索、瞄准以及处理应对设计一个长焦距、大视场、高分辨率的离轴三
2、反射式光学系统，并对其进行优化，使口径不大于 400mm；传递函数在 40 lp/mm 处，MTF=0.5 ；成像波长在可见光范围内。最后根据光学系统，设计出主镜筒长不超过 1.5m 且便于装调的望远镜支撑结构。关键词：离轴三反光学系统 支撑结构 轻量化 IIAbstract Telescope is one of the important way to obtain long-range target information.And it has become an important means of modern military reconnaissance. With the de
3、velopment of technology and constant improvement of the users needs， especially the demand for military applications traction .Telescope toward high-resolution， lightweight and integrated direction. At present， compared with the United States and other developed countries，the field of the mirror sup
4、port of China is relatively backward.According to the search，aim and treatment response of the distant，large-scale and moving fast target，This paper will design an off-axis three-mirror optical system with a long focal length， large field of view and high resolution. Otherwise， optimize it.And final
5、ly to meet the requirements of various parameters，Such as,the diameter is not more than 400 mm;transfer function at 40 lp / mm，MTF = 0.5;imaging wavelength is in the visible range. Finally，according to the optical system，design the telescope support structure with the main tube that less than 1.5m.K
6、eywords: off-axis three-mirror optical system;support structure;lightweightIII目录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 引言 .11.2 离轴三反光学系统 .11.3 反射镜支撑技术国内外发展概况 .21.3.1 国外发展概况 .21.3.2 国内发展概况 .31.4 本文研究内容及意义 .3第 2 章 光学成像系统的选择 .52.1 望远镜光学系统的类型及特点 .52.1.1 折射式光学系统 .52.1.2 折反射式光学系统 .52.1.3 反射式光学系统 .62.2 光学系统设计 .7第
7、3 章 反射镜设计 .93.1 反射镜的材料 .93.2 反射镜的基本结构 .123.3 主反射镜的设计 .133.3.1 径厚比 .133.3.2 反射镜背部形状 .143.3.3 主镜轻量化孔形式 .153.4 次镜和三镜的设计 .163.5 反射镜基本尺寸的确定 .17第 4 章 反射镜支撑结构的设计 .184.1 支撑结构设计原则 .184.2 主镜支撑结构设计 .194.2.1 支撑点数量的理论计算及确定 .204.2.2 支撑点位置的理论计算 .214.2.3 支撑结构设计 .214.2.4 支撑结构的材料选择 .234.3 次镜支撑结构设计 .234.3.1 次镜座及桁架杆设计
8、.244.3.2 支撑结构材料的选择 .254.4 三镜支撑结构设计 .25IV4.5 遮光罩和总支撑座的设计 .254.5.1 遮光罩设计 .254.5.2 总支撑座设计 .274.6 望远镜总体结构设计 .27第 5 章 成像质量分析 .295.1 光学系统像质评价 .295.2 反射镜自重对面形的影响 .305.3 温度环境对面形的影响 .31第 6 章 总结与展望 .336.1 本论文主要的研究工作 .336.2 不足与展望 .33参考文献 .34致谢 .361第 1 章 绪论1.1 引言在天文观察、气象预报、军事勘探等方面都会涉及到对远距离目标的各种信息的获取，针对远距离目标的获取设
9、计合适的光学系统十分必要，而且随着光学技术的发展，对目标的探测精度的要求越来越高，分辨率需求也越来越高。在众多的光学系统中，离轴三反光学系统以其无中心遮拦、结构紧凑、体积小等优点得到越来越广泛的应用 1。目前，国外已经成功发射十余种不同类型的离轴三反空间光学成像遥感器，但对于大孔径反射镜及其支撑结构设计却鲜有介绍。合理的支撑结构设计是对远距离目标信息进行准确获取的另一关键因素，也是整个望远系统设计的难点。1.2 离轴三反光学系统 就目前国内外的研究情况来看， 折射式光学系统较适用于视场大、分辨率要求低、焦距较短及通光口径不大的要求。折反射式光学系统具有外形尺寸小、孔径和视场较大的长处。最典型的
10、有施密特类和卡塞格林类系统。纯反射式光学系统的主要优点包括：不存在任何色差，可用于宽谱段成像，特别适用于长焦距相机和光谱成像相机；通光口径可以很大，光在自由空间传播，不必通过光学玻璃，易于解决由材料引起的问题；结构紧凑，所需光学元件少，便于用反射镜折叠光路，且可采用超薄镜坯（如 SiC）或轻量化技术，大大减小反射镜的质量；反射离轴系统更具有无中心遮拦、光学传递函数 MTF 值高等优越性2-3。目前已经有人设计出了离轴三反射、四反射、五反射、六反射望远镜系统 4。但非球面离轴反射式光学成像系统主要有两镜系统或三镜系统，两镜系统的优点是结构简单，主要缺点是用于校正像差的自由参数较少，难以兼顾焦距、
11、视场、相对孔径、体积、质量等多方面要求。由于三反射镜的突出优势及近年来在计算机辅助设计的进步，目前应用较广泛的是三镜系统。并且与共轴光学系统相比，以离轴、偏心和倾斜式光学系统为代表的新型空间相机在扩大系统的视场，提高系统分辨率、杂光抑制等方面具有巨大优势，所以也是目前的研究热点和技术难点，三反消像散非球面光学系统具有组件少、无遮拦、长焦距、大视场、宽波段、抑制杂光能力强、调制传递函数高等特点。作为国际上长焦距、大视场空间相机光学系统发展的一种新趋势，三反消像散离轴非球面光学系统具有组件少、无遮拦、长焦距、大视场、宽波段、抑制杂光能力强、调制传递函数高等特点 5。但同时由于其光学结构的非对称性，
12、也给研制过程中的结构设计、光学元件加工、系统装调等工作带来相当大的难度。因此，在光学设计确定后，高精度离轴非球面抛光、反射镜的轻量化设计2及加工、高反射防辐射镀膜、高比刚度的镜头结构、离轴非球面的计算机辅助装调等几项专项技术成为了决定三反消像散离轴非球面光学系统成败的关键。只有突破离轴三反光学系统的设计、加工、检测、装调四大关键技术，才能使我国的航天遥感技术与世界先进水平同步。离轴反射光学系统还应用在军事上，军事侦察的工作过程中，进行目标搜索和瞄准时，视场的切换导致短时间丢失目标这一缺点就致使对快速运动的目标无法应对。传统的小视场系统大多工作在红外波段，使用范围受到限制。为了解决短时间丢失目标
13、这一问题，很好的应对快速运动的目标，需要大视场搜索与小视场瞄准的需要能够同时兼顾 6。 1.3 反射镜支撑技术国内外发展概况1.3.1 国外发展概况哈勃望远镜（Hubble）是美国宇航局（NASA ）和欧洲宇航局（ESA）的合作项目，主要目标是建立一个能够长期在太空中进行观测的轨道天文台。主镜直径 2400mm，镜体厚 305mm，材料是 ULE 玻璃，由 Corning 公司提供，主反射镜采用组合支撑形式，包括 24 点轴向支撑和 3 点径向支撑 7。开普勒（Kepler ）太空望远镜是由美国宇航局设计的用来发现环绕其它恒星的类地行星的望远镜。其主镜材料为 ULE，口径 1.4m，主动调节的
14、 3 个 A-frame 结构作为背部支撑。日本 ASTRO-F 望远镜，主要用于红外观测，主反射镜材料为 SiC，口径710mm，有效口径 670mm，镜体重 11kg，反射镜背部设计有三角形轻量化孔，采用三个 Bipod 支撑，通过铟钢过渡件和反射镜连接，有效的补偿了热载荷变化引起的镜面变形。法国的 Pleiades 望远镜，口径 650mm，可以实现全色波段 0.5m 和多光谱断 2m 的空间分辨能力，主镜材料为微晶玻璃，采用圆形轻量化孔，轻量化率高达 85%，设计 3 个 Bipod 侧支撑结构。美国 Snap 望远镜采用 ULE 作为主反射镜材料，反射镜通光口径2050mm，镜面曲率
15、半径 4908mm，平均厚度 200mm，重 205kg。背部封闭，采用三角形轻量化孔，3 组倒立 Bipod 支撑结构作为背部支撑。美国宇航局研制的赫歇尔（Herschel ）红外太空望远镜，主镜是由法国的 Boostec 公司制造，直径 3.5m，由 12 块扇形的 SiC 反射镜焊接形成，该镜抛磨完成后镜面平均厚度4mm，减重孔的加强筋高度从 110mm 到 215mm，镜体重量 210Kg，采用背部三点 Bipod 支撑结构，材料为钛合金，支撑结构顶部与反射镜接触部分采用铟钢过渡件，其热膨胀系数可以根据需要调整至和反射镜材料相同，这样减少了反射镜由于热应力引起的变形。SOFIA 望远镜
16、由美国和德国合作制造，反射镜直径 2.075m，中心孔直径3420mm，镜体边缘厚 200mm，镜面曲率半径 7.072m，采用 Zerodur 材料，轻量化后镜子重 850Kg。支撑结构包括背部和侧边两部分，背部的轴向支撑是 18点 Whiffle-tree 结构，外圈 12 点，分布在半径 1100mm 的圆环上，内圈 6 点，分布在半径 542.7mm 的圆环上，侧边的径向支撑采用三个 A-frame 结构，在温度变化时，通过侧边柔性支撑变形补偿来自反射镜的应变能，减小应力对反射镜镜面的影响，这样的复合支撑结构形式允许镜面沿着光轴发生微小位移，但不会发生转动和弯曲。1.3.2 国内发展概
17、况国内大口径反射镜的研制工作主要参与单位有中科院长春光学精密机械与物理研究所、中科院西安光学精密机械研究所、中科院光电技术研究所（成都）、南京天文仪器研究所和哈尔滨工业大学等单位，研究内容主要包括光学系统设计、相机结构设计、镜坯制造、抛光、镀膜、相机结构装调等。国内关于已经研制成功的空间反射镜项目公开较少，根据可以查到的资料，可以粗略知道，南京天文仪器所制备了空间碎片探测望远镜，主反射镜口径为 770mm，镜体中心厚度 120mm，采用 K4 光学玻璃。最终反射镜镜面精度 PV 小于/5（ =632.8mm）。成都光电所进行了厚度 50mm、中心孔口径 140mm、曲率半径 3600mm 的
18、1.2 米微晶玻璃材料主镜有限元分析，该反射镜在三个同心环上分布了 36 点轴向支撑，其中 33 处采用主动支撑；建成了 1.8 米自适应光学望远镜。长春光机所韩光宇等人研究了 1000mm 口径反射镜面形精度和支撑方式的关系，采用轴向 18 点浮动支撑和径向 3 点柔性支撑的组合支撑形式，并提出了一套新的装调方法，最终，保证主镜的面形 RMS 值达到 /18。哈尔滨工业大学制备的直径 120mm650mm 反射镜，其轻量化率能达到 70%，面形精度可以达到 PV0.1 ，RMS3nm。南京天文仪器研究所研制的直径为770mm 反射镜，材料选用光学玻璃 K4，其厚度为 120mm，反射镜镜面精
19、度可以达到 PV /5。目前，我国自主研发的最大口径反射镜位于国家天文台河北兴隆基地，其口径为 2.16m，该望远镜属于极轴式天文望远镜。主镜材料为JIK5 玻璃，反射镜支撑采用轴向支撑和径向支撑相结合的方式。1.4 本文研究内容及意义望远镜的发展要求其成像质量越来越高，对远距离目标成像光学系统的要求越来越苛刻，需要有长焦距，大视场，成像系统的选择成为很关键的一个环节。同时，对反射镜的支撑也提出了更高的要求，本文针对离轴三反光学系统，主要开展了以下几个方面的研究：（1）通过比较折射式光学系统、折反射式光学系统和反射式光学系统的优缺点，最终选用反射式光学系统，再比较了共轴和离轴光学系统的优缺点，
20、针对本文的远距离目标成像选择离轴三反光学系统。并用 Zemax 进行光学系统的4设计优化。（2）对主镜、次镜及三镜分别进行结构设计及其材料的选择，使其满足使用要求，并对口径较大的主镜进行了轻量化设计。（3）设计支撑结构。先分别对主镜、次镜及三镜进行支撑结构设计，主镜采用背部三点柔性支撑，次镜采用次镜座与支撑杆结合的方式，三镜采用背部支撑，最后将三个反射镜固定在遮光罩的相应位置。（4）对设计的反射镜及其支撑结构进行误差评价。（5）对本文研究的内容进行总结，并指出不足之处，对未来远距离目标成像系统结构设计进行了展望。5第 2 章 光学成像系统的选择在对远距离目标进行成像时，一个好的成像系统的选择对
21、目标的捕捉具有至关重要的作用，本章通过比较集中典型的光学系统的优缺点，最后选出一种比较好的光学系统，并进行设计优化。2.1 望远镜光学系统的类型及特点空间光学系统主要有折射式、折反射式和全反射式三种形式 2,8。2.1.1 折射式光学系统早期较长焦距相机的光学系统是折射式的，俄罗斯的米级以及亚米级高分辨率遥感光学系统采用的是折射式系统。图 2-1 是其中一种，中间负透镜用特种火石玻璃制成，以校正二级光谱，但是随着分辨率要求的不断提高，要求光学系统的焦距越来越长，对于折射系统来说，存在着一些难以克服的因难，元件的通光口径、系统的体积、质量要相应的增大，获得大尺寸光学均匀的材料较困难，二级光谱正比
22、于焦距，随着焦距变长，愈难消除：并且折射系统的成像质量容易受到外部环境温度变化的影响。因此，折射式光学系统较适用于视场大、分辨率要求低、焦距较短及通光口径不大的要求 9。图 2-1 折射式光学系统2.1.2 折反射式光学系统折反射式系统具有外形尺寸小、孔径和视场较大的长处，主要由反射镜产生所需的光焦度，而用无光焦度的多块折射元件较正像差，扩大视场，因此，不会带来色差，最典型的有施密特类和卡塞格林类系统。为了使相机的外形尺寸更加紧凑，可采用基于卡塞格林系统的折射一反射光学系统，图 2-2 是美国 ITEK 公司制造的 LOROP 相机光路.焦距为 1.82m，相对孔径 1/3.65，全视场角 1.9，分辨角 32 rad。如图 2-3 所示，通常称为类施密特卡塞格林系统折射反射系统主要用于中等口径的望远物镜，一般口径应为 400mm，进一步增大口径，不仅对材料的要求苛刻，而且系统的质量、体积将增大。
