一种光学系统热变形测试系统及方法技术方案

本发明专利技术属于热光试验技术领域，公开了一种光学系统热变形测试系统及方法，所述光学系统热变形测试系统设置有温度试验柜，温度试验柜右端设置有红外目标模拟器，温度试验柜底侧设置有真空二维转台，真空二维转台上设置有扫描指向镜和待测相机；扫描指向镜与扫描镜控制系统连接，温度试验柜分别与控温测温系统、制冷机控制系统和数据采集系统。本发明专利技术中温度试验过程中需要目标模拟器配合使用，监视温度产生的性能变化，对于发现相机的合适工作点，准确的获取相机温度变化性能，同时对发现温度试验过程的变化有比较大的好处。本发明专利技术中红外目标模拟为真空腔设计，温度试验柜与其直接对接使用，同为真空腔设计。同为真空腔设计。同为真空腔设计。

【技术实现步骤摘要】
一种光学系统热变形测试系统及方法


[0001]本专利技术属于热光试验
，尤其涉及一种光学系统热变形测试系统及方法。

技术介绍

[0002]目前，温度变化时光学元件的曲率、厚度和间隔都发生变化，元件基体材料的折射率及所在介质的折射率也将发生变化，从而导致光学系统的成像质量发生变化，因此必须对光学系统进行热分析，并根据分析结果采取适当的无热化措施。对于透射式同轴光学系统，可以使用光学设计软件(如Code V，Zemax等)直接进行热分析，软件会自动计算光学镜片的曲率、厚度和折射率变化，并根据结构件材料的热膨胀系数利用圆柱筒(Cylinder Tube)模型计算相邻两个光学元件的间隔变化。
[0003]对于反射式(折反混合)光学系统和光路中有棱镜(或反射镜)等光学元件的复杂光学系统，由于结构支撑点不确定、结构材料可能有多种等原因，直接用光学软件进行热分析结果不准确。因此通常采用光机热集成分析方法，但该方法需要对所有表面的所有节点变形数据进行基于矢高或基于表面法向的转换，然后再多项式拟合，有时拟合前还要对方程组进行正交化处理，运算量大，过程复杂，很容易出错，热光学分析的正确性和热控指标的合理性需要试验进一步的验证。
[0004]目前比较成熟的两大真空试验，热平衡试验和热真空试验：热平衡试验主要目的是验证相机热设计的正确性，并考验热控分系统的功能；热真空试验主要目的是验证相机经受规定的压力和温度环境的能力。两者都不能验证相机在工作环境中的光学性能。作为地面验证航天光学有效载荷在工作环境中的光学性能的手段，热光学试验是航天光学有效载荷研制过程中的关键技术之一，也是航天光学有效载荷空间环境试验的重要内容。
[0005]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0006](1)采用光机热集成分析方法运算量大，过程复杂，易出错。
[0007](2)热真空试验和热平衡试验都不能验证光学系统在工作环境中的光学性能。
[0008](3)现有热光试验系统的目标模拟器处在常温常压下，且被测产品姿态不能调节，只能测试单个视场的光学性能。
[0009]解决以上问题及缺陷的难度为：为了解决光机热集成分析易出错的问题，需要进行真空成像测试验证，而真空成像测试就需要模拟光源，平行光管，被测产品都处于模拟环境中，被测产品可以调整姿态进行测试才能保证试验的准确性，这需要一套完整的测试系统和测试方法。其中平行光管在模拟环境中，温度压强剧变，由于光学元件和机械结构材料间存在膨胀系数差异，很容易对镜体产生应力，平行光管光学性能很难保证，这将直接影响被测产品真空成像的准确性。因此，研制在常温常压和真空低温下性能稳定的平行光管并不容易。
[0010]解决以上问题及缺陷的意义为：利用光学系统热变形测试系统试验不仅可了解空间相机对热真空环境的适应能力，验证热控指标的合理性，而且可得出温度调焦系数及由相机温度变化引起光谱响应参数变化所需的修正系数,为以后工作模式下调焦及光谱参数
修正提供有效的手段；此外,光学系统热变形测试系统试验所得数据也可为热光学工程分析模型正确性验证及模型修正提供参考依据,修正后的模型可作为相机在工作环境下成像质量预示及故障分析、判断提供有效手段。通过光学系统热变形测试系统试验数据可判断是否要调焦以及确定调焦量,将此调焦量的数值及方向发送给调焦控制机构进行工作模式下上的调焦。因此光学系统热变形测试系统及方法的提出具有一定的工程实用性。

技术实现思路

[0011]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种光学系统热变形测试系统及方法。
[0012]本专利技术是这样实现的，一种光学系统热变形测试系统，包括温度试验柜、真空二维转台、扫描指向镜、控温测温系统、制冷机控制系统、数据采集系统、真空二维转台控制系统、红外目标模拟器和扫描控制系统；其特征在于红外目标模拟器设置在温度试验柜右侧，目标模拟器出光口与温度试验柜出口对接，真空二维转台设置在温度试验柜底部，扫描指向镜和待测相机放置在真空二维转台上，扫描指向镜与扫描镜控制系统连接，温度试验柜分别与控温测温系统、制冷机控制系统和数据采集系统连接。
[0013]进一步，所述温度试验柜设置有真空罐、热沉系统、真空抽气系统、温度控制系统、制冷系统、加热系统、控制系统。
[0014]进一步，所述真空抽气系统为粗抽真空系统，粗真空预抽泵，配气动高真空挡板阀、金属波纹管连结真空室，以干式无油泵作磁悬浮分子泵的前级泵，配气动高真空挡板阀作高真空抽气系统。
[0015]进一步，所述热沉系统中设置有热沉，热沉采用立式结构，分为筒体热沉、移动门热沉。
[0016]进一步，所述热沉采用液氮制冷，热沉内表面涂黑漆。
[0017]进一步，所述真空罐分为主罐和副罐，主罐放置有两维转台和待测相机；
[0018]副罐放置目标模拟器，副罐体上在目标模拟器焦面位置附近开设一个光学窗口。
[0019]进一步，所述主罐体具有热沉，主罐体采取顶部开口，移动门通过自动控制导轨移动，采用8个气动夹具对移动门密封圈预紧至主罐体上。
[0020]进一步，所述副罐体设置目标模拟器及温控系统，目标模拟器光轴位于水平方向。
[0021]进一步，所述红外目标模拟器设置有平行光管、分划板、温控系统和高温黑体，红外目标模拟器光轴位于水平方向。
[0022]本专利技术另一目的在于提供一种实施所述光学系统热变形测试系统的光学系统热变形测试方法，所述光学系统热变形测试方法，包括：
[0023]在真空环境下通过热沉温度变化模拟在轨温度环境，实现热真空条件、交变温度场下对相机的信噪比、空间分辨率、扫描和指向精度等指标测量以及获得光轴指向、制冷机制冷量性能等参数；
[0024]1)通过热沉温度变化模拟在轨温度环境；
[0025]2)根据被测产品性能参数要求选用对应的分划板，将分划板精确地放置在平行光管脚面中心位置；
[0026]3)光源放置在平行光管焦面一侧，为分划板提供照明；
[0027]4)调整被测产品位置，使平行光管出射的光束在全视场内都可以覆盖被测相机的
口径；
[0028]5)通过二维转台调整被测相机的角度，使平行光管焦面上的分划板成像到被测产品焦平面探测器上；
[0029]6)根据采集的数据信息，分析计算得到各个性能参数实测值。
[0030]动态干涉仪经过准直光管放大产生的平面波引入相机，相机在真空环境下的热变形，对该标准平面波会产生成像变化，通过成像变化来进行热变形控制有效性的验证，评估热变形对相机探测性能的影响，实现相机热变形控制设计的进一步优化。测试过程中，通过变换被测产品的姿态和动态干涉仪的位置实现全视场相机光学性能的测试。
[0031]结合上述的所有技术方案，本专利技术所具备的优点及积极效果为：在建设过程，红外相机对试验过程中水汽污染、漏热控制、实时动态测量视轴指向提出了新的需求，本专利技术中温度试验过程中需要目标模拟器配合使用，监视温度产生的性能变化，对于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光学系统热变形测试系统，其特征在于，所述光学系统热变形测试系统包括温度试验柜、真空二维转台、扫描指向镜、控温测温系统、制冷机控制系统、数据采集系统、真空二维转台控制系统、红外目标模拟器和扫描控制系统；红外目标模拟器设置在温度试验柜右侧，目标模拟器出光口与温度试验柜出口对接，真空二维转台设置在温度试验柜底部，扫描指向镜和待测相机放置在真空二维转台上，扫描指向镜与扫描镜控制系统连接，温度试验柜分别与控温测温系统、制冷机控制系统和数据采集系统连接。2.如权利要求1所述的光学系统热变形测试系统，其特征在于，所述温度试验柜设置有真空罐、热沉系统、真空抽气系统、温度控制系统、制冷系统、加热系统、控制系统。3.如权利要求2所述的光学系统热变形测试系统，其特征在于，所述真空抽气系统为粗抽真空系统，粗真空预抽泵，配气动高真空挡板阀、金属波纹管连结真空室，以干式无油泵作磁悬浮分子泵的前级泵，配气动高真空挡板阀作高真空抽气系统。4.如权利要求2所述的光学系统热变形测试系统，其特征在于，所述热沉系统中设置有热沉，热沉采用立式结构，分为筒体热沉、移动门热沉。5.如权利要求4所述的光学系统热变形测试系统，其特征在于，所述热沉采用液氮制冷，热沉内表面涂黑漆。6.如权利要求2所述的光学系统热变形测试系统，其特征在于，所述真空罐分为主罐和副罐，主罐放置有两维转台和待测相机；副罐放置目标模拟器，副罐体上在目标模拟器焦面位置附近开设一个光学窗口。7.如权利要求6所述的光学系统热变形测试系统，其特征在于，所述主罐体具有热...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙胜利，金钢，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：