高低温试验装置中多光谱光学窗口组件设计

惠刚阳; 张博; 左晓舟; 王中强; 刘欣; 赵红军

doi:10.5768/JAO202344.0305001

高低温试验装置中多光谱光学窗口组件设计

西安应用光学研究所，陕西西安 710065

基金项目: 军工双百工艺攻关（多波段共光路光学系统精密装调技术，JCKY2018208B029）

详细信息

作者简介:
惠刚阳（1978—），男，研究员，主要从事光电仪器装调工艺研究。E-mail：hgy891@163.com

中图分类号: TN202
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出版历程
- 收稿日期: 2022-05-17
- 修回日期: 2022-07-19
- 网络出版日期: 2022-09-18
- 刊出日期: 2023-05-14

Design of multispectral optical window assembly for high and low temperature test device

Xi'an Institute of Applied Optics, Xi'an 710065, China

摘要

摘要:
箱外光电系统综合检测仪是光电成像系统高低温性能检测装置的重要组成部分，多光谱光学窗口是高低温箱和外置目标模拟器的接口。论文根据应用需求及材料分析结果，选取多光谱ZnS作为光学窗口材料，通过热传导理论对光学窗口组件低温使用状态进行分析，重点分析窗口组件在低温条件下加热对窗口组件面型的影响，并提出了实现微应力装配的结构形式及解决窗口组件在低温条件下结霜结雾的设计方案；通过sigfit对有限元计算结果进行提取、处理以及数据拟合，并通过CODE V分析口径为Φ310 mm窗口组件在使用温度范围内的波像差RMS，分析结果显示优于λ/15，满足窗口组件的光学性能要求，最后通过实物样机进行了验证。实验结果表明：该多光谱光学窗口组件的结构设计方案既满足多波段使用要求，又满足低温除霜除雾要求，同时保证了高低温条件下的光学性能要求。
- 光学窗口 /
- 除霜除雾 /
- 高低温试验装置 /
- 波像差
Abstract:
The comprehensive detector of the photoelectric system outside the box is an important accessory of the high and low temperature performance test device of the photoelectric imaging system, and the multispectral optical window is an interface between the high and low temperature box and the external target simulator. According to the application requirements and material analysis results, the multispectral ZnS was selected as the optical window material. Through the heat conduction theory, the low-temperature service state of the optical window assembly was analyzed, focusing on the influence of the window assembly heating under the low-temperature condition on the surface shape of the window assembly, and the structural form to realize the micro-stress assembly and the design scheme to solve the frost and fog of the window assembly under the low-temperature condition were put forward. According to the extraction, processing and data fitting of finite element calculation results by sigfit and the analysis of caliber by CODE V, the root-mean-square (RMS) value of wave aberration of Φ 310 mm window assembly in the temperature range is better than λ/15. The above contents all meet the optical performance requirements of window assembly. And finally, it was verified through the physical prototype. The experimental results show that the structural design scheme of multispectral optical window assembly not only meets the requirements of multi band usage, but also meets the requirements of low-temperature defrosting and defogging, and ensures the optical performance requirements under high and low temperature conditions.
- optical window /
- defrosting and defogging /
- high and low temperature test device /
- wavefront aberration

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引言

随着光电成像探测系统环境适应性要求的提高，不仅需要考核光电系统在不同环境条件下的工作能力，同时还要考核其性能指标，比如在不同环境温度条件下光电系统的分辨率、成像传递函数等，避免由于苛刻的环境因素导致光电系统成像质量严重下降^[1-4]。因此，需要建立一套光电成像系统高低温试验装置来模拟光电系统在高低温环境中设计的合理性及其环境适应性，并完成相关性能指标的测试验证。光电成像系统高低温试验装置主要由具有多光谱光学窗口的高低温箱和外置的目标模拟器组成，其中多光谱光学窗口组件为高低温箱及被试产品与外部目标模拟器的接口，为该装置的核心组件。它不仅作为隔离组件实现产品与外部目标的隔离，同时作为通光窗口，是测试光束的必经通道，其光学性能直接影响检测结果的准确性^[5-7]。光学窗口组件在设计过程中不仅需要考虑光学窗口组件适应的光谱范围、强度、刚度，还需要考虑高低温环境条件下光学窗口组件的结霜结雾等问题，以及光学窗口组件透射性能对产品检测结果的影响。

空间相机领域常用到光学窗口组件，一般采用双层玻璃真空环境，内外有一定的压力差，两层光学玻璃之间在抽真空后充入一定大气压的干燥氮气^[8-9]。该方案可以实现逐级减压，减小每层光学玻璃承受的压差，有效提高整个光学窗口组件的安全可靠性。基于此方案，为了保证密封及内外压力差等，本文对于通光口径Φ310 mm的光学玻璃（尺寸Φ310 mm×30 mm）进行周向注胶并承受内外压力差。但是，选用的窗口玻璃——多光谱ZnS基底材料对尺寸有一定的限制，对于Φ310 mm光学材料厚度只能选20 mm，这样的径厚比材料在一定真空条件（0.5个大气压）下产生的应力会使光学窗口的面型发生较大变化，难以满足透射波像差RMS值优于λ/15(λ=632.8 nm)的要求，因此，必须采用一种新的结构设计方案解决周向注胶和内外压力差等问题。

光电系统高低温试验装置中光学窗口组件根据测试对象选取的有效口径为Φ300 mm，光学窗口可覆盖0.4 μm～0.96 μm、1.2 μm～2.0 μm、3.5 μm～12 μm波长范围，同时在光学窗口正面和窗口反面镀制增透膜，保证覆盖的各个光谱段具有较高的透过率。基于上述要求,本文选择多光谱ZnS作为光学窗口基底材料，并对光学窗口组件进行了结构方案设计。设计要求光学仓内大气压力与外界大气压相同，从而解决压力变形问题。为了保证窗口组件的环境温度适应性，提高光学窗口组件的工作可靠性，采用双层窗口玻璃结构，该结构可以减小窗口玻璃的温度梯度，减小温度对窗口面型的影响程度。

文中叙述了光学窗口组件的结构设计形式，充分考虑了装配应力及窗口面型精度，采用有限元分析软件Ansys计算了压力对光学玻璃表面变形的影响，利用CODE V软件分析计算了通光口径为Φ310 mm 的光窗组件中光学玻璃表面变形对波像差RMS值的影响，计算分析了光窗组件中光学玻璃表面变形对光程差的影响。计算分析结果表明，文中给出的光学窗口组件结构方案既满足强度和可靠性要求，又满足光学性能要求，整个光学窗口组件安全可靠。

1 主要技术指标及要求

光学窗口组件是光电系统高低温试验装置（如图1所示）的核心部件，承担着光学性能指标测试的主要任务，其工作状态及面型精度直接影响光电系统性能指标测试的置信度，因此该组件不仅需要满足透射光学性能指标，而且需要满足高低温条件下不结霜结雾，面形不发生较大变化。光学窗口组件的主要技术指标如下：

1）光学窗口组件有效通光孔径为Φ300 mm（光学玻璃直径Φ310 mm），材料为多光谱ZnS；

2）光学窗口组件在试验装置温度为−55 ℃～+70 ℃恒温期间不结霜结雾；

3）光学窗口组件在试验温度范围内透射波像差RMS值优于λ/15(λ=632.8 nm)；

4）具备充氮气接口。

图 1 光电系统高低温试验装置示意图

Figure 1. Schematic diagram of high and low temperature test device for photoelectric system

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2 光学窗口组件结构设计

综合考虑光学窗口组件工作状态下不结霜结雾要求、透射波像差要求、安全可靠性及光电系统性能测试要求，文中针对光学窗口组件进行了结构方案设计。

2.1 光学窗口组件结构方案设计

为保证光学窗口组件的微应力装配、工作状态下透射波像差及高低温工作时不结霜结雾等要求，光学窗口组件采用双层光学玻璃结构方案，主要由窗口玻璃、外镜框、内镜框、尼龙隔圈、压圈、尼龙外压圈、中间镜筒、加热片组成，如图2所示。窗口玻璃装配在内外镜框上，通过尼龙隔圈和压圈固定。该设计方案以透射波像差精度和除霜除雾功能为主要出发点，通过选取特种材料及膜层解决多光谱成像问题；通过各个零件材料的选取及特征尺寸设计，解决窗口组件光学元件与结构件之间的微应力装配问题，并通过隔热结构及特殊材料的设计减小窗口热梯度，解决了窗口玻璃的隔热和导热问题；通过在中间镜筒增加加热片，为镜筒内提供一个热场，解决光学窗口表面加热问题；通过特殊通道式结构设计实现光学窗口表面微风吹扫功能，解决光学窗口装置在高低温过程中结霜结雾问题，最终完成了满足透射波前要求以及具有除霜除雾功能的多光谱光学窗口组件设计。

图 2 光学窗口组件结构简图

Figure 2. Structure diagram of optical window assembly

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2.2 光学窗口组件装配后对窗口面型影响的设计

为了解决光学窗口组件密封光学仓内外压力差带来的窗口应力变形问题，本文设计中采用了非粘接装配方案，利用特殊材料接触光学件表面实现接触自密封，并设计了冲氮气通道实现窗口组件内外压力差为零，这样就避免了粘接应力。窗口充氮气工作状态可使内外压力差控制在0.02个大气压左右，同时采用了外筒热辐射的加热方案，解决了窗口低温结霜结雾问题。

3 光学窗口组件不同温度场条件下光学性能分析

光学窗口组件设计除了需要考虑粘接应力和压力差外，其工作温度状态也是必须考虑的。当光学窗口组件工作在−50 ℃～+70 ℃时，光机结构形式及玻璃自身的温度梯度会使光学玻璃表面发生变形，进而直接影响其光学性能，光学性能的改变直接影响被测产品的测试结果。因此，有必要验证光学窗口组件在不同温度条件下达到热平衡状态时是否满足光学性能要求。该组件主要用于评价光电系统成像性能指标，所以选择透射波像差进行评价。

3.1 光学窗口组件有限元分析

采用有限元软件Ansys计算不同温度载荷情况下窗口的应力与应变情况。在进行光机热集成仿真分析之前，对结构模型进行一系列的简化处理，主要包括：删除螺栓、螺钉、弹/平垫片；修补较小的孔洞、小面；修改部分结构件尺寸，避免与镜筒干涉。模型简化完成后采用统一网格尺寸进行网格划分，网格尺寸为0.5 mm，所有网格共节点。仿真过程中边界约束根据安装位置进行定义，限制其X、Y、Z 3个方向的平移自由度，重力载荷定义为−Y方向1 g，温度载荷定义为−50 ℃、−30 ℃、−10 ℃、10 ℃、30 ℃、50 ℃、70 ℃均匀温度场进行计算，参考温度20 ℃。根据传感器仿真的结构材料种类及光学设计模型中所用到的光学材料种类，选取的零件材料具体参数见表1所示。不同温度下光学窗口组件应变结果如图3所示。

表 1 光学窗口组件材料参数

Table 1. Material parameters of optical window assembly

序号	材料	弹性模量/GPa	泊松比	密度/ g/cm³	热膨胀系数 10⁻⁶/K
1	铝	68.2	0.332	2.68	23.6
2	钛	114.0	0.34	4.43	8.8
3	硫化锌	74.5	0.29	4.08	4.6
4	聚四氟乙烯	14.0	0.40	2.20	120.0

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图 3 有限元计算结果

Figure 3. Calculation results of finite element

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3.2 光学窗口组件光机拟合分析

采用光机拟合转换软件Sigfit对有限元计算结果进行提取、处理以及数据拟合，以便后续光学软件仿真分析使用。选择2块窗口玻璃共计4个表面的位移结果进行面型拟合，从而实现其光学性能变化评估。拟合过程中采用Zernike多项式进行面型拟合^[10-15]，面型表达式为

$$ \begin{split} {\textit{z}}=&\dfrac{c{r}^{2}}{1+\sqrt{1-\left(1+k\right){c}^{2}{r}^{2}}}+A{r}^{4}+B{r}^{6}+C{r}^{8}+ \\ &D{r}^{10}+E{r}^{12}+\cdots \end{split} $$

4个表面的刚体位移结果和面形变化数据如表2和表3所示。表2中，SID为光学设计软件中表面编号，LID为不同温度载荷对应编号，数值由小到大代表温度由低到高，T1、T2、T3分别为X、Y、Z方向的平动量，R1、R2、R3分别为绕X、Y、Z轴的转动量。表3中，dRoC为半径变化，RMS/PV为去除刚体位移及半径变化后的面型矢高统计，Max、Min分别为变形结果最大值与最小值。

表 2 刚体位移数据表

Table 2. Rigid body displacement data

SID	LID	T1/mm	T2/mm	T3/mm	R1/rad	R2/rad	R3/rad
1	1	−1.92E-02	−7.26E-03	1.57E-01	6.20E-05	−1.47E-04	−2.64E-07
1	2	−1.37E-02	−5.18E-03	1.12E-01	4.42E-05	−1.05E-04	−1.87E-07
1	3	−8.21E-03	−3.09E-03	6.72E-02	2.65E-05	−6.30E-05	−1.09E-07
1	4	−2.74E-03	−1.01E-03	2.24E-02	8.75E-06	−2.10E-05	−3.17E-08
1	5	2.74E-03	1.08E-03	−2.24E-02	−8.99E-06	2.10E-05	4.56E-08
1	6	8.21E-03	3.16E-03	−6.72E-02	−2.67E-05	6.30E-05	1.23E-07
1	7	1.37E-02	5.25E-03	−1.12E-01	−4.45E-05	1.05E-04	2.00E-07
2	1	−2.11E-02	−8.09E-03	1.52E-01	6.43E-05	−1.53E-04	−2.49E-07
2	2	−1.51E-02	−5.77E-03	1.08E-01	4.59E-05	−1.09E-04	−1.76E-07
2	3	−9.05E-03	−3.45E-03	6.50E-02	2.75E-05	−6.55E-05	−1.03E-07
2	4	−3.02E-03	−1.13E-03	2.17E-02	9.08E-06	−2.18E-05	−2.96E-08
2	5	3.02E-03	1.20E-03	−2.17E-02	−9.33E-06	2.18E-05	4.35E-08
2	6	9.05E-03	3.52E-03	−6.50E-02	−2.77E-05	6.55E-05	1.17E-07
2	7	1.51E-02	5.84E-03	−1.08E-01	−4.61E-05	1.09E-04	1.90E-07
3	1	2.18E-02	−2.79E-02	−2.72E-01	−3.49E-04	−3.81E-04	−5.35E-06
3	2	1.56E-02	−1.99E-02	−1.94E-01	−2.50E-04	−2.72E-04	−3.82E-06
3	3	9.36E-03	−1.19E-02	−1.17E-01	−1.50E-04	−1.63E-04	−2.29E-06
3	4	3.12E-03	−3.95E-03	−3.89E-02	−4.99E-05	−5.44E-05	−7.56E-07
3	5	−3.12E-03	4.03E-03	3.89E-02	4.99E-05	5.44E-05	7.73E-07
3	6	−9.36E-03	1.20E-02	1.17E-01	1.50E-04	1.63E-04	2.30E-06
3	7	−1.56E-02	2.00E-02	1.94E-01	2.49E-04	2.72E-04	3.83E-06
4	1	1.77E-02	−2.42E-02	−2.71E-01	−3.40E-04	−3.72E-04	−5.46E-06
4	2	1.26E-02	−1.73E-02	−1.93E-01	−2.43E-04	−2.65E-04	−3.90E-06
4	3	7.58E-03	−1.04E-02	−1.16E-01	−1.46E-04	−1.59E-04	−2.34E-06
4	4	2.53E-03	−3.43E-03	−3.87E-02	−4.86E-05	−5.31E-05	−7.73E-07
4	5	−2.53E-03	3.51E-03	3.87E-02	4.86E-05	5.31E-05	7.90E-07
4	6	−7.58E-03	1.04E-02	1.16E-01	1.46E-04	1.59E-04	2.35E-06
4	7	−1.26E-02	1.74E-02	1.93E-01	2.43E-04	2.65E-04	3.92E-06

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表 3 面型变化数据表

Table 3. Optical surface deformation data mm

SID	LID	dRoC	RMS	P-V	Max	Min
1	1	1.69E+05	2.09E-02	8.66E-02	5.03E-02	−3.64E-02
1	2	2.37E+05	1.49E-02	6.19E-02	3.59E-02	−2.60E-02
1	3	3.95E+05	8.96E-03	3.71E-02	2.15E-02	−1.56E-02
1	4	1.19E+06	2.99E-03	1.24E-02	7.17E-03	−5.19E-03
1	5	−1.19E+06	2.99E-03	1.24E-02	5.20E-03	−7.19E-03
1	6	−3.95E+05	8.96E-03	3.71E-02	1.56E-02	−2.15E-02
1	7	−2.37E+05	1.49E-02	6.19E-02	2.60E-02	−3.59E-02
2	1	1.68E+05	2.11E-02	8.84E-02	5.20E-02	−3.64E-02
2	2	2.35E+05	1.51E-02	6.31E-02	3.71E-02	−2.60E-02
2	3	3.92E+05	9.04E-03	3.79E-02	2.23E-02	−1.56E-02
2	4	1.18E+06	3.01E-03	1.26E-02	7.42E-03	−5.20E-03
2	5	−1.18E+06	3.01E-03	1.26E-02	5.20E-03	−7.43E-03
2	6	−3.92E+05	9.04E-03	3.79E-02	1.56E-02	−2.23E-02
2	7	−2.35E+05	1.51E-02	6.32E-02	2.60E-02	−3.72E-02
3	1	−1.44E+06	2.20E-02	1.12E-01	6.41E-02	−4.81E-02
3	2	−2.01E+06	1.57E-02	8.01E-02	4.58E-02	−3.44E-02
3	3	−3.35E+06	9.43E-03	4.81E-02	2.75E-02	−2.06E-02
3	4	−1.01E+07	3.14E-03	1.60E-02	9.15E-03	−6.87E-03
3	5	1.00E+07	3.14E-03	1.60E-02	6.87E-03	−9.15E-03
3	6	3.35E+06	9.43E-03	4.81E-02	2.06E-02	−2.75E-02
3	7	2.01E+06	1.57E-02	8.01E-02	3.44E-02	−4.58E-02
4	1	−1.47E+06	2.22E-02	1.15E-01	6.92E-02	−4.60E-02
4	2	−2.06E+06	1.58E-02	8.23E-02	4.94E-02	−3.29E-02
4	3	−3.43E+06	9.50E-03	4.94E-02	2.96E-02	−1.97E-02
4	4	−1.03E+07	3.17E-03	1.65E-02	9.88E-03	−6.58E-03
4	5	1.03E+07	3.17E-03	1.65E-02	6.58E-03	−9.88E-03
4	6	3.43E+06	9.50E-03	4.94E-02	1.97E-02	−2.96E-02
4	7	2.06E+06	1.58E-02	8.23E-02	3.29E-02	−4.94E-02

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3.3 光学窗口组件光学仿真

本文只考虑热传导过程，根据传热学理论可以推导出窗口轴向温度梯度分布与厚度成线性关系。在一定温度范围内，材料折射率温度系数为固定值，即折射率随温度呈线性变化，从而可以得到窗口不同轴向位置处折射率参数。结合面型变化数据，利用光学设计仿真软件CODE V对不同温度载荷下的光学系统模型进行光学性能分析与评估。选择视场图−RMS波前误差作为整体像质评价标准，评价结果如图4和表4所示。从图4和表4可以看出，在−50 ℃～+70 ℃范围内，RMS波前误差均优于λ/15。

图 4 视场图－RMS波前误差

Figure 4. Diagram of field of view - RMS wavefront error

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表 4 RMS波前误差(λ＝632.8 nm)

Table 4. RMS wavefront error (λ＝632.8 nm)

温度/℃	RMS波前最小值/λ	RMS波前最大值/λ	RMS波前平均值/λ
−50	0.037 890	0.037 890	0.0378 90
−30	0.036 957	0.036 958	0.036 957
−10	0.020 315	0.020 315	0.020 315
10	0.006 990	0.006 990	0.006 990
30	0.007 769	0.007 769	0.007 769
50	0.020 433	0.020 433	0.020 433
70	0.037 285	0.037 285	0.037 285

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4 光学窗口组件试验验证

该光学窗口组件的设计重点考虑窗口组件工作状态对成像性能的影响。为了验证该组件的实际工作指标，确定以该组件的透射波像差为评价依据，部件状态利用大口径平面干涉仪对其透射波像差进行测量，同时增加了热辐射工况。在部件测量基础上将该部件装配在光电系统高低温试验装置上，进行实际工况测试。

4.1 光学窗口组件透射波像差测试

利用大口径平面干涉仪对光学窗口组件的透射波像差进行测试，并在测试过程中确定了窗口玻璃压圈的预紧力矩值，测试图如图5所示，测试结果见表5所示。通过对外筒加热功率进行试验摸底，确定了加热功率可接受范围，为后续装配力矩确定了工艺参数。从表5可以看出，该组件装配后能够满足系统的透射波像差要求。

图 5 大口径平面干涉仪测试光学窗口组件透射波像差

Figure 5. Physical drawing of transmitted wave aberration of optical window assembly tested by large-aperture plane interferometer

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表 5 光学窗口组件透射波像差测试结果

Table 5. Test results of transmitted wave aberration of optical window assembly

参数	1	2	3
PV/λ	0.210	0.169	0.187
RMS/λ	0.042	0.033	0.035

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4.2 光学窗口组件实际工作状态测试

如图6所示，将光学窗口组件装配至光电系统高低温试验装置侧面，在高低温箱内部隔振转台上架设一个微晶材料的高精度平面反射镜，利用平面干涉仪对光学窗口组件的透射波像差进行测试，并在测试过程中变化高低温箱的环境温度，同时开启光学窗口组件的外筒热辐射。通过监控窗口玻璃各表面的温度变化，1 h可达到热平衡状态，达到热平衡后开始测量，透射波像差测试结果如表6所示。由于温度变化过程中窗口组件会出现一个明显的离焦（power值），power值影响光学系统测试的焦面变化，可调焦补偿，不影响系统像质评价。由表6测试结果可知，该组件在系统工作状态能够满足系统的透射波像差要求，高低温箱在工作温度范围内光学窗口组件无结霜结雾现象。

图 6 光学窗口组件透射波像差测试图

Figure 6. Measurement diagram of transmitted wave aberration of optical window assembly

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表 6 光学窗口组件实际工作状态透射波像差测试结果

Table 6. Test results of transmitted wave aberration of optical window assembly in actual working state

参数	1	2	3
PV/λ	0.220	0.212	0.233
RMS/λ	0.056	0.062	0.065

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5 结论

本文对某光电系统高低温试验装置的多光谱光学窗口组件进行了结构方案设计，重点解决窗口的粘接应力和窗口内外压力差问题，采用非粘接装配方案，减小了外力对光学窗口玻璃面型精度的影响。采用有限元分析软件Ansys计算了不同温度载荷下光学窗口的应力与应变，借助光机拟合转换软件Sigfit完成有限元应变结果的提取、处理与拟合，形成光学软件可以识别读取的数据。使用光学设计仿真软件Code V实现了光学窗口组件高低温不同条件下透射波像差的评估。理论计算分析及实验结果表明，光学窗口组件结构设计方案合理，满足该组件在不同温度条件下的光学性能要求，解决了窗口组件在低温过程中结霜结雾问题。通过理论分析与工艺实验验证，得到以下结论：

1）结构设计中采用持续充氮气方案及热辐射方案，解决了窗口组件光学玻璃工作过程中变形问题，为满足系统的透射波像差指标创造了条件；

2）光学窗口组件结构的仿真分析及实验结果表明，该光学窗口组件透射波像差RMS值优于λ/15 (λ=632.8 nm)；

3）在高低温条件下测试光学元件的面型指标可能高于窗口本身的波前指标，需要对窗口的波前指标进行算法去除。经过实际分析可知，通过插值法可进行对点去除，将窗口玻璃对测试系统造成的系统误差进行修正，该技术需要后续进一步验证。

图 1 光电系统高低温试验装置示意图

Figure 1. Schematic diagram of high and low temperature test device for photoelectric system

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图 2 光学窗口组件结构简图

Figure 2. Structure diagram of optical window assembly

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图 3 有限元计算结果

Figure 3. Calculation results of finite element

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图 4 视场图－RMS波前误差

Figure 4. Diagram of field of view - RMS wavefront error

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图 5 大口径平面干涉仪测试光学窗口组件透射波像差

Figure 5. Physical drawing of transmitted wave aberration of optical window assembly tested by large-aperture plane interferometer

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图 6 光学窗口组件透射波像差测试图

Figure 6. Measurement diagram of transmitted wave aberration of optical window assembly

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表 1 光学窗口组件材料参数

Table 1 Material parameters of optical window assembly

序号	材料	弹性模量/GPa	泊松比	密度/ g/cm³	热膨胀系数 10⁻⁶/K
1	铝	68.2	0.332	2.68	23.6
2	钛	114.0	0.34	4.43	8.8
3	硫化锌	74.5	0.29	4.08	4.6
4	聚四氟乙烯	14.0	0.40	2.20	120.0

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表 2 刚体位移数据表

Table 2 Rigid body displacement data

SID	LID	T1/mm	T2/mm	T3/mm	R1/rad	R2/rad	R3/rad
1	1	−1.92E-02	−7.26E-03	1.57E-01	6.20E-05	−1.47E-04	−2.64E-07
1	2	−1.37E-02	−5.18E-03	1.12E-01	4.42E-05	−1.05E-04	−1.87E-07
1	3	−8.21E-03	−3.09E-03	6.72E-02	2.65E-05	−6.30E-05	−1.09E-07
1	4	−2.74E-03	−1.01E-03	2.24E-02	8.75E-06	−2.10E-05	−3.17E-08
1	5	2.74E-03	1.08E-03	−2.24E-02	−8.99E-06	2.10E-05	4.56E-08
1	6	8.21E-03	3.16E-03	−6.72E-02	−2.67E-05	6.30E-05	1.23E-07
1	7	1.37E-02	5.25E-03	−1.12E-01	−4.45E-05	1.05E-04	2.00E-07
2	1	−2.11E-02	−8.09E-03	1.52E-01	6.43E-05	−1.53E-04	−2.49E-07
2	2	−1.51E-02	−5.77E-03	1.08E-01	4.59E-05	−1.09E-04	−1.76E-07
2	3	−9.05E-03	−3.45E-03	6.50E-02	2.75E-05	−6.55E-05	−1.03E-07
2	4	−3.02E-03	−1.13E-03	2.17E-02	9.08E-06	−2.18E-05	−2.96E-08
2	5	3.02E-03	1.20E-03	−2.17E-02	−9.33E-06	2.18E-05	4.35E-08
2	6	9.05E-03	3.52E-03	−6.50E-02	−2.77E-05	6.55E-05	1.17E-07
2	7	1.51E-02	5.84E-03	−1.08E-01	−4.61E-05	1.09E-04	1.90E-07
3	1	2.18E-02	−2.79E-02	−2.72E-01	−3.49E-04	−3.81E-04	−5.35E-06
3	2	1.56E-02	−1.99E-02	−1.94E-01	−2.50E-04	−2.72E-04	−3.82E-06
3	3	9.36E-03	−1.19E-02	−1.17E-01	−1.50E-04	−1.63E-04	−2.29E-06
3	4	3.12E-03	−3.95E-03	−3.89E-02	−4.99E-05	−5.44E-05	−7.56E-07
3	5	−3.12E-03	4.03E-03	3.89E-02	4.99E-05	5.44E-05	7.73E-07
3	6	−9.36E-03	1.20E-02	1.17E-01	1.50E-04	1.63E-04	2.30E-06
3	7	−1.56E-02	2.00E-02	1.94E-01	2.49E-04	2.72E-04	3.83E-06
4	1	1.77E-02	−2.42E-02	−2.71E-01	−3.40E-04	−3.72E-04	−5.46E-06
4	2	1.26E-02	−1.73E-02	−1.93E-01	−2.43E-04	−2.65E-04	−3.90E-06
4	3	7.58E-03	−1.04E-02	−1.16E-01	−1.46E-04	−1.59E-04	−2.34E-06
4	4	2.53E-03	−3.43E-03	−3.87E-02	−4.86E-05	−5.31E-05	−7.73E-07
4	5	−2.53E-03	3.51E-03	3.87E-02	4.86E-05	5.31E-05	7.90E-07
4	6	−7.58E-03	1.04E-02	1.16E-01	1.46E-04	1.59E-04	2.35E-06
4	7	−1.26E-02	1.74E-02	1.93E-01	2.43E-04	2.65E-04	3.92E-06

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表 3 面型变化数据表

Table 3 Optical surface deformation data mm

SID	LID	dRoC	RMS	P-V	Max	Min
1	1	1.69E+05	2.09E-02	8.66E-02	5.03E-02	−3.64E-02
1	2	2.37E+05	1.49E-02	6.19E-02	3.59E-02	−2.60E-02
1	3	3.95E+05	8.96E-03	3.71E-02	2.15E-02	−1.56E-02
1	4	1.19E+06	2.99E-03	1.24E-02	7.17E-03	−5.19E-03
1	5	−1.19E+06	2.99E-03	1.24E-02	5.20E-03	−7.19E-03
1	6	−3.95E+05	8.96E-03	3.71E-02	1.56E-02	−2.15E-02
1	7	−2.37E+05	1.49E-02	6.19E-02	2.60E-02	−3.59E-02
2	1	1.68E+05	2.11E-02	8.84E-02	5.20E-02	−3.64E-02
2	2	2.35E+05	1.51E-02	6.31E-02	3.71E-02	−2.60E-02
2	3	3.92E+05	9.04E-03	3.79E-02	2.23E-02	−1.56E-02
2	4	1.18E+06	3.01E-03	1.26E-02	7.42E-03	−5.20E-03
2	5	−1.18E+06	3.01E-03	1.26E-02	5.20E-03	−7.43E-03
2	6	−3.92E+05	9.04E-03	3.79E-02	1.56E-02	−2.23E-02
2	7	−2.35E+05	1.51E-02	6.32E-02	2.60E-02	−3.72E-02
3	1	−1.44E+06	2.20E-02	1.12E-01	6.41E-02	−4.81E-02
3	2	−2.01E+06	1.57E-02	8.01E-02	4.58E-02	−3.44E-02
3	3	−3.35E+06	9.43E-03	4.81E-02	2.75E-02	−2.06E-02
3	4	−1.01E+07	3.14E-03	1.60E-02	9.15E-03	−6.87E-03
3	5	1.00E+07	3.14E-03	1.60E-02	6.87E-03	−9.15E-03
3	6	3.35E+06	9.43E-03	4.81E-02	2.06E-02	−2.75E-02
3	7	2.01E+06	1.57E-02	8.01E-02	3.44E-02	−4.58E-02
4	1	−1.47E+06	2.22E-02	1.15E-01	6.92E-02	−4.60E-02
4	2	−2.06E+06	1.58E-02	8.23E-02	4.94E-02	−3.29E-02
4	3	−3.43E+06	9.50E-03	4.94E-02	2.96E-02	−1.97E-02
4	4	−1.03E+07	3.17E-03	1.65E-02	9.88E-03	−6.58E-03
4	5	1.03E+07	3.17E-03	1.65E-02	6.58E-03	−9.88E-03
4	6	3.43E+06	9.50E-03	4.94E-02	1.97E-02	−2.96E-02
4	7	2.06E+06	1.58E-02	8.23E-02	3.29E-02	−4.94E-02

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表 4 RMS波前误差(λ＝632.8 nm)

Table 4 RMS wavefront error (λ＝632.8 nm)

温度/℃	RMS波前最小值/λ	RMS波前最大值/λ	RMS波前平均值/λ
−50	0.037 890	0.037 890	0.0378 90
−30	0.036 957	0.036 958	0.036 957
−10	0.020 315	0.020 315	0.020 315
10	0.006 990	0.006 990	0.006 990
30	0.007 769	0.007 769	0.007 769
50	0.020 433	0.020 433	0.020 433
70	0.037 285	0.037 285	0.037 285

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表 5 光学窗口组件透射波像差测试结果

Table 5 Test results of transmitted wave aberration of optical window assembly

参数	1	2	3
PV/λ	0.210	0.169	0.187
RMS/λ	0.042	0.033	0.035

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表 6 光学窗口组件实际工作状态透射波像差测试结果

Table 6 Test results of transmitted wave aberration of optical window assembly in actual working state

参数	1	2	3
PV/λ	0.220	0.212	0.233
RMS/λ	0.056	0.062	0.065

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参考文献(15)

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施引文献(5)

期刊类型引用(4)

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引言
1 主要技术指标及要求
2 光学窗口组件结构设计
2.1 光学窗口组件结构方案设计
2.2 光学窗口组件装配后对窗口面型影响的设计
3 光学窗口组件不同温度场条件下光学性能分析
3.1 光学窗口组件有限元分析
3.2 光学窗口组件光机拟合分析
3.3 光学窗口组件光学仿真
4 光学窗口组件试验验证
4.1 光学窗口组件透射波像差测试
4.2 光学窗口组件实际工作状态测试
5 结论

引言
1 主要技术指标及要求
2 光学窗口组件结构设计
2.1 光学窗口组件结构方案设计
2.2 光学窗口组件装配后对窗口面型影响的设计
3 光学窗口组件不同温度场条件下光学性能分析
3.1 光学窗口组件有限元分析
3.2 光学窗口组件光机拟合分析
3.3 光学窗口组件光学仿真
4 光学窗口组件试验验证
4.1 光学窗口组件透射波像差测试
4.2 光学窗口组件实际工作状态测试
5 结论

参考文献(15)

施引文献(5)

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高低温试验装置中多光谱光学窗口组件设计

作者简介:
惠刚阳（1978—），男，研究员，主要从事光电仪器装调工艺研究。E-mail：hgy891@163.com

计量

Design of multispectral optical window assembly for high and low temperature test device