论文部分内容阅读
摘要： 一种实验室环境下使用的自准直仪，使用温度为实验室温度（20±5）℃。实验室环境相对稳定，无冲击、振动、污染等因素的影响，但环境温度变化范围较大，为±5 ℃，因此有必要通过温度变化对光机结构的影响来分析机械结构的设计。通过计算确定了间隙量需求，分析了温度变化对系统的影响及产生的径向应力，结果表明在实验室环境下产生的温度变化不会对透镜产生径向挤压。
关键词：
温度分析； 间隙量； 径向应力
中图分类号： TN 206文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2017.01.007
Effect of temperature on mechanical structure of autocollimator
YAN Yufeng， WU Zhen， WANG Yang， CHEN Ke
（College of Optoelectronic Engineering， Changchun University of Science and Technology， Changchun 130022， China）
Abstract：
An autocollimator for the laboratory environment is used at temperature in the laboratory where the environment is relatively stable and there is no effect of impact，vibration and pollution，etc.Considering the wider temperature variation range of ±5 ℃，the effect of temperature on the optical and mechanical structures is studied to analyze the design of the mechanical structure.The gap between lens and base and the generated radial stress are calculated.The results show that the temperature variation in the laboratory environment will not cause radial stress to the lens.
Keywords： temperature analysis； clearance amount； radial stress
引言
在几何量计量领域，小角度的测量是很重要的一部分，而自准直仪是小角度测量中应用最广、最多的高精度仪器。光电自准直技术经历了几十年的发展历史，在测量分辨力、测量精度、稳定性等方面均有较大改善。但对激光为光源的光电自准直仪而言，目前仍以德国、美国等生产的仪器为高水平代表，其测量不确定度可达±0.01″/10″。国内在激光自准直技术研究及其产品开发中精度指标及稳定性、产品体积及便携性均处于劣势，激光自准直仪的市场化受到极大制约[1]。
在测量的过程中，影响仪器光机系统的常见因素有温度、压力、振动、冲击、湿度、侵蚀、污染、磨损和辐射等。这些因素对测量的精度带来了很大的影响，所以，应合理设计光学系统的机械结构并对其主要影響因素进行分析、校核来减小这种影响，从而提高测量的精度[23]。设计好的透镜需要用机械系统固定，透镜的固定方式和光机界面的类型有很多种，结合此自准直仪的设计和使用情况分别选取压圈法固定和尖角界面[4]。
1温度对光机系统的影响
温度变化时，透镜表面的半径、厚度、透镜间的空气间隔、光学材料及周围空气的折射率、组件的实际尺寸都会发生相应的变化。任何一项变化都会使系统的焦距产生偏差，从而影响仪器的测量精度[5]。因此主要讨论温度升高和温度降低对透镜间接触应力、透镜与镜座间径向间隙的影响。仪器的使用环境为实验室环境，实验室的温度为（20±5）℃，仪器的装配温度为20 ℃。图1为分析用自准直仪的物镜装配图。
2升温对径向间隙的影响
温度升高之后，镜座会发生膨胀，透镜也会发生膨胀，但通常镜座的热膨胀系数aM比透镜的热膨胀系数aG要大，所以镜座会远离透镜，从而增加了镜座与透镜的径向间隔而形成间隙。间隙过大会使透镜在振动等外力影响下出现倾斜等现象，影响透镜的对准，从而影响光学系统的像质[6]。仪器装配温度为20 ℃，当仪器所处环境温度从装配温度变化到实验室的最高温度25 ℃时，升高温度ΔT=5 ℃。由图1可知，物镜系统由5片透镜组成，其中第4片和第5片为胶合透镜。透镜材料分别为K9，K9，ZF1，K9，F3。镜筒材料选用最常用的结构铝合金材料铝合金6061，其强度中等，具有优良的可焊接性和可加工性。压圈与隔圈的材料同样采用铝合金6061。材料参数见表1。
透镜与镜座的理论径向间隙G增加量为ΔG，计算公式为
ΔG=（aM-aG）·DG2·ΔT
（1）
式中：aM与aG分别为镜座及透镜材料的热膨胀系数；DG为透镜的外径。5片透镜的名义外径分别为63，63，53，22，22 mm。由于镜座的热膨胀系数比透镜大，在装配仪器时，需要将镜座与透镜间的径向间隙G确定为一个合适的值，并对透镜的偏心规定一个合理的公差ξ=0.015 mm，则设计时需要满足
G=（DI-DG）/2=ξ-ΔG
（2）
式中DI为镜座的内径。各透镜的间隙G需满足 G+ΔG≤ξ
（3）
将各参数代入式（1）、（3），分析每一片透镜的ΔG和G。透镜位置参数见表2。
计算得到的间隙量可作为后续的镜筒内径加工余量参考，以便镜筒内径与镜片外径实现良好的配合。
透镜无轴向约束时，在外力作用下，透镜会发生滚动，使透镜产生倾斜角，这个角度可能会超出设计光学系统时给定的倾斜角范围。倾斜角计算公式为
β=arctan（2G/tE）
（4）
式中tE为4片透镜（第4片为原第4片、第5片透镜的胶合透镜）的边厚。现计算无轴向预载时各透镜可能产生的倾斜角β。透镜参数tE和β见表3。
系统对透镜的倾斜角要求为0.01°，可见，在透镜没有轴向预载的情况下，透镜在外界作用下产生的倾斜角均大于系统的倾斜公差，这说明透镜需要有足够的预载被其固定。通常在考虑温度因素时，由于镜座的热膨胀系数比透镜的热膨胀系数高，当T升高到一定值时，镜座材料的膨胀量比光学材料大，在装配温度时确定的轴向预载会减小，当温度继续升高，轴向预载会趋于零，这时的温度记为TC。若在TC之后温度继续升高，会造成透镜与镜座之间形成轴向间隙，要求间隙不能超过设计光机系统时的设计公差。所以需要在装配时对镜片施加足够的预载，但要注意此预载不能过大，否则产生的接触应力有可能会使镜片发生破损，此时的TC可能大于最高温度Tmax，即25 ℃，这样计算得到的轴向间隙为负数，说明镜片与金属件是绝对接触的，仪器在稳定的实验室环境下使用，不需要考虑倾斜角因素[78]。
由分析结果可知，温度变化为±10 ℃时依然满足实验的要求，也进一步增加了研究工作的完整性与可信度。
4结论
讨论并选用了透镜的固定方式、光机界面以及金属结构的材料，通过实验室的使用环境分析计算了温度改变量对透镜与镜座之间间隙量的影响以及透镜径向接触应力的大小，结果表明实验室环境满足仪器的使用要求。同时在满足激光自准直仪光学系统像质要求的条件下，有效减小了仪器体积，为系统装调带来了方便。
参考文献：
[1]陈颖，张学典，逯兴莲，等.自准直仪的现状与发展趋势[J].光机电信息，2011，28（1）：69.
[2]蔡淑璋，景芳盛.光电自准直仪原理及其应用[M].北京：中国计量出版社，1986.
[3]张继友，范天泉，曹学东.光电自准直仪研究现状与展望[J].计量技术，2004（7）：2829.
[4]YODER Jr P R.光机系统设计[M].周海宪，程云芳，译.3版.北京：机械工业出版社，2008.
[5]刘莹莹.红外无热化摄远物镜设计与检测[D].长春：长春理工大学，2014.
[6]祁金秋.中紅外光电自准直仪光机总体设计[D].长春：长春理工大学，2013.
[7]李士贤，李林.光学设计手册[M].修订版.北京：北京理工大学出版社，1996：286288.
[8]张欣婷.高精度光电自准直仪的研究[D].长春：长春理工大学，2010.
[9]曲兴华.仪器制造技术[M].2版.北京：机械工业出版社，2013：146162.
[10]REZNICHENKO V V，YAKOVLEVA N S.Mirror temperature stabilization and deformation by local heaters[C]∥Proceedings of the SPIE Adaptive Optics in Astronomy.Kailua，Kona，1994，2201：10271034.
[11]ERICKSON E F，DUNHAM E W.Imaging stability requirement for the SOFIA telescope[C]∥Proceedings of the SPIE Airborne Telescope Systems.Munich，Germany，2000，4014：213.
[12]FASOLD M J，MINEO C E.Hubble space telescope servicing mission 3A thermal timeline analysis[R].SAE Technical Paper 2000012273，2000：1013.
（编辑：张磊）
关键词：
温度分析； 间隙量； 径向应力
中图分类号： TN 206文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2017.01.007
Effect of temperature on mechanical structure of autocollimator
YAN Yufeng， WU Zhen， WANG Yang， CHEN Ke
（College of Optoelectronic Engineering， Changchun University of Science and Technology， Changchun 130022， China）
Abstract：
An autocollimator for the laboratory environment is used at temperature in the laboratory where the environment is relatively stable and there is no effect of impact，vibration and pollution，etc.Considering the wider temperature variation range of ±5 ℃，the effect of temperature on the optical and mechanical structures is studied to analyze the design of the mechanical structure.The gap between lens and base and the generated radial stress are calculated.The results show that the temperature variation in the laboratory environment will not cause radial stress to the lens.
Keywords： temperature analysis； clearance amount； radial stress
引言
在几何量计量领域，小角度的测量是很重要的一部分，而自准直仪是小角度测量中应用最广、最多的高精度仪器。光电自准直技术经历了几十年的发展历史，在测量分辨力、测量精度、稳定性等方面均有较大改善。但对激光为光源的光电自准直仪而言，目前仍以德国、美国等生产的仪器为高水平代表，其测量不确定度可达±0.01″/10″。国内在激光自准直技术研究及其产品开发中精度指标及稳定性、产品体积及便携性均处于劣势，激光自准直仪的市场化受到极大制约[1]。
在测量的过程中，影响仪器光机系统的常见因素有温度、压力、振动、冲击、湿度、侵蚀、污染、磨损和辐射等。这些因素对测量的精度带来了很大的影响，所以，应合理设计光学系统的机械结构并对其主要影響因素进行分析、校核来减小这种影响，从而提高测量的精度[23]。设计好的透镜需要用机械系统固定，透镜的固定方式和光机界面的类型有很多种，结合此自准直仪的设计和使用情况分别选取压圈法固定和尖角界面[4]。
1温度对光机系统的影响
温度变化时，透镜表面的半径、厚度、透镜间的空气间隔、光学材料及周围空气的折射率、组件的实际尺寸都会发生相应的变化。任何一项变化都会使系统的焦距产生偏差，从而影响仪器的测量精度[5]。因此主要讨论温度升高和温度降低对透镜间接触应力、透镜与镜座间径向间隙的影响。仪器的使用环境为实验室环境，实验室的温度为（20±5）℃，仪器的装配温度为20 ℃。图1为分析用自准直仪的物镜装配图。
2升温对径向间隙的影响
温度升高之后，镜座会发生膨胀，透镜也会发生膨胀，但通常镜座的热膨胀系数aM比透镜的热膨胀系数aG要大，所以镜座会远离透镜，从而增加了镜座与透镜的径向间隔而形成间隙。间隙过大会使透镜在振动等外力影响下出现倾斜等现象，影响透镜的对准，从而影响光学系统的像质[6]。仪器装配温度为20 ℃，当仪器所处环境温度从装配温度变化到实验室的最高温度25 ℃时，升高温度ΔT=5 ℃。由图1可知，物镜系统由5片透镜组成，其中第4片和第5片为胶合透镜。透镜材料分别为K9，K9，ZF1，K9，F3。镜筒材料选用最常用的结构铝合金材料铝合金6061，其强度中等，具有优良的可焊接性和可加工性。压圈与隔圈的材料同样采用铝合金6061。材料参数见表1。
透镜与镜座的理论径向间隙G增加量为ΔG，计算公式为
ΔG=（aM-aG）·DG2·ΔT
（1）
式中：aM与aG分别为镜座及透镜材料的热膨胀系数；DG为透镜的外径。5片透镜的名义外径分别为63，63，53，22，22 mm。由于镜座的热膨胀系数比透镜大，在装配仪器时，需要将镜座与透镜间的径向间隙G确定为一个合适的值，并对透镜的偏心规定一个合理的公差ξ=0.015 mm，则设计时需要满足
G=（DI-DG）/2=ξ-ΔG
（2）
式中DI为镜座的内径。各透镜的间隙G需满足 G+ΔG≤ξ
（3）
将各参数代入式（1）、（3），分析每一片透镜的ΔG和G。透镜位置参数见表2。
计算得到的间隙量可作为后续的镜筒内径加工余量参考，以便镜筒内径与镜片外径实现良好的配合。
透镜无轴向约束时，在外力作用下，透镜会发生滚动，使透镜产生倾斜角，这个角度可能会超出设计光学系统时给定的倾斜角范围。倾斜角计算公式为
β=arctan（2G/tE）
（4）
式中tE为4片透镜（第4片为原第4片、第5片透镜的胶合透镜）的边厚。现计算无轴向预载时各透镜可能产生的倾斜角β。透镜参数tE和β见表3。
系统对透镜的倾斜角要求为0.01°，可见，在透镜没有轴向预载的情况下，透镜在外界作用下产生的倾斜角均大于系统的倾斜公差，这说明透镜需要有足够的预载被其固定。通常在考虑温度因素时，由于镜座的热膨胀系数比透镜的热膨胀系数高，当T升高到一定值时，镜座材料的膨胀量比光学材料大，在装配温度时确定的轴向预载会减小，当温度继续升高，轴向预载会趋于零，这时的温度记为TC。若在TC之后温度继续升高，会造成透镜与镜座之间形成轴向间隙，要求间隙不能超过设计光机系统时的设计公差。所以需要在装配时对镜片施加足够的预载，但要注意此预载不能过大，否则产生的接触应力有可能会使镜片发生破损，此时的TC可能大于最高温度Tmax，即25 ℃，这样计算得到的轴向间隙为负数，说明镜片与金属件是绝对接触的，仪器在稳定的实验室环境下使用，不需要考虑倾斜角因素[78]。
由分析结果可知，温度变化为±10 ℃时依然满足实验的要求，也进一步增加了研究工作的完整性与可信度。
4结论
讨论并选用了透镜的固定方式、光机界面以及金属结构的材料，通过实验室的使用环境分析计算了温度改变量对透镜与镜座之间间隙量的影响以及透镜径向接触应力的大小，结果表明实验室环境满足仪器的使用要求。同时在满足激光自准直仪光学系统像质要求的条件下，有效减小了仪器体积，为系统装调带来了方便。
参考文献：
[1]陈颖，张学典，逯兴莲，等.自准直仪的现状与发展趋势[J].光机电信息，2011，28（1）：69.
[2]蔡淑璋，景芳盛.光电自准直仪原理及其应用[M].北京：中国计量出版社，1986.
[3]张继友，范天泉，曹学东.光电自准直仪研究现状与展望[J].计量技术，2004（7）：2829.
[4]YODER Jr P R.光机系统设计[M].周海宪，程云芳，译.3版.北京：机械工业出版社，2008.
[5]刘莹莹.红外无热化摄远物镜设计与检测[D].长春：长春理工大学，2014.
[6]祁金秋.中紅外光电自准直仪光机总体设计[D].长春：长春理工大学，2013.
[7]李士贤，李林.光学设计手册[M].修订版.北京：北京理工大学出版社，1996：286288.
[8]张欣婷.高精度光电自准直仪的研究[D].长春：长春理工大学，2010.
[9]曲兴华.仪器制造技术[M].2版.北京：机械工业出版社，2013：146162.
[10]REZNICHENKO V V，YAKOVLEVA N S.Mirror temperature stabilization and deformation by local heaters[C]∥Proceedings of the SPIE Adaptive Optics in Astronomy.Kailua，Kona，1994，2201：10271034.
[11]ERICKSON E F，DUNHAM E W.Imaging stability requirement for the SOFIA telescope[C]∥Proceedings of the SPIE Airborne Telescope Systems.Munich，Germany，2000，4014：213.
[12]FASOLD M J，MINEO C E.Hubble space telescope servicing mission 3A thermal timeline analysis[R].SAE Technical Paper 2000012273，2000：1013.
（编辑：张磊）