本发明属于空间光学遥感器
技术领域：
，尤其涉及一种无热化高精度光学折转棱镜系统及设计方法。
背景技术：
：随着商业遥感卫星的发展，对无控制点定位精度的提升需求越来越高，星敏感器作为星上姿态测量精度最高的设备，一般要求与相机一体化安装并采取精密控温，以减小星敏感器指向相机视轴传递的低频误差。考虑到材料退化等因素，在轨定期对相机与星敏感器之间夹角进行标校是必要的环节。为了提高相机设计灵活性和在轨易用性，在相机与星敏感器之间建立光学层面关联是必要的，而采用光学传导棱镜对者进行关联，是重要的实现途径。考虑到测量元件的高精度特性，必须保证其在轨不受热环境影响，目前现有的控温精度并不能满足要求，所以对无热化的高精度光学折转棱镜系统的设计是亟需的。技术实现要素：本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种无热化高精度光学折转棱镜系统及设计方法，解决了高精度测量元件不受在轨热环境影响，保证了相机与星敏感器之间的光学层面关联的稳定性。本发明目的通过以下技术方案予以实现：根据本发明的一个方面，提供了一种无热化高精度光学折转棱镜系统，包括：光学传导棱镜组件、非全约束支撑组件和复材外框组件；其中，所述光学传导棱镜组件通过所述非全约束支撑组件和复材外框组件相连接；所述光学传导棱镜组件包括平面反射镜、光学传导棱镜和可调节平面反射镜；其中，光学传导棱镜的一端为平面，与平面反射镜相连接；光学传导棱镜的另一端为球面，与可调节平面反射镜相连接；入射光束经过平面反射镜穿过光学传导棱镜的中空部分，到达可调节平面反射镜并射出，以实现光束高精度折转。上述无热化高精度光学折转棱镜系统中，所述非全约束支撑组件包括弹簧压块、弹簧限位柱、弹簧、弹簧镶套、弹簧镶套调节垫片、第一棱镜外框、第二棱镜外框、第一棱镜内框、第二棱镜内框、棱镜框调节垫片、限位螺钉、棱镜压框、第一紧固件和第二紧固件；其中，第一棱镜内框通过光学结构胶固定在光学传导棱镜上；第一棱镜外框与棱镜内框相压接，弹簧镶套通过弹簧镶套调节垫片嵌设于第一棱镜外框和第一棱镜内框，弹簧压块设置于弹簧镶套内并与光学传导棱镜压接，弹簧设置于弹簧镶套内并与弹簧压块压接，弹簧限位柱穿过复材外框组件与弹簧相压接；第二棱镜内框通过光学结构胶固定在光学传导棱镜上，第二棱镜外框通过棱镜压框、棱镜框调节垫片、第一紧固件和第二紧固件与第二棱镜内框相连接；若干个限位螺钉穿过复材外框组件与第二棱镜外框相压接。上述无热化高精度光学折转棱镜系统中，所述复材外框组件包括复材外框、镶套、复材外框支架、复材外框垫片、通光筒镶套、通光筒、结构胶、第三紧固件和第四紧固件；其中，镶套设置于复材外框开设的孔中，弹簧限位柱穿过镶套与弹簧相压接；若干个限位螺钉穿过复材外框垫片和复材外框与第二棱镜外框相压接；复材外框垫片粘在复材外框上，通光筒镶套通过结构胶粘在复材外框上，通光筒通过第四紧固件与通光筒镶套连接，复材外框支架通过第三紧固件与复材外框相连。上述无热化高精度光学折转棱镜系统中，所述的平面反射镜、光学传导棱镜和可调节平面反射镜均采用零膨胀微晶玻璃材料制成。上述无热化高精度光学折转棱镜系统中，入射光束的入射角度为0°，射出的光束的出射角度为0°。上述无热化高精度光学折转棱镜系统中，平面反射镜和光学传导棱镜的夹角为45°。上述无热化高精度光学折转棱镜系统中，限位螺钉的数量为四个。根据本发明的另一方面，还提供了一种无热化高精度光学折转棱镜系统设计方法，所述方法包括以下步骤：将光学传导棱镜为平面的一端与平面反射镜相连接，将光学传导棱镜为球面的一端与可调节平面反射镜相连接；通过非全约束支撑组件将光学传导棱镜与复材外框组件相连接。上述无热化高精度光学折转棱镜系统设计方法中，平面反射镜和光学传导棱镜的夹角为45°。上述无热化高精度光学折转棱镜系统设计方法中，所述非全约束支撑组件包括弹簧压块、弹簧限位柱、弹簧、弹簧镶套、弹簧镶套调节垫片、第一棱镜外框、第二棱镜外框、第一棱镜内框、第二棱镜内框、棱镜框调节垫片、限位螺钉、棱镜压框、第一紧固件和第二紧固件；其中，第一棱镜内框通过光学结构胶固定在光学传导棱镜上；第一棱镜外框与棱镜内框相压接，弹簧镶套通过弹簧镶套调节垫片嵌设于第一棱镜外框和第一棱镜内框，弹簧压块设置于弹簧镶套内并与光学传导棱镜压接，弹簧设置于弹簧镶套内并与弹簧压块压接，弹簧限位柱穿过复材外框组件与弹簧相压接；第二棱镜内框通过光学结构胶固定在光学传导棱镜上，第二棱镜外框通过棱镜压框、棱镜框调节垫片、第一紧固件和第二紧固件与第二棱镜内框相连接；若干个限位螺钉穿过复材外框组件与第二棱镜外框相压接。本发明与现有技术相比具有如下有益效果：(1)本发明能够用于高精度测绘相机与星敏感器之间的夹角监测系统，从而提升遥感相机无控制点定位精度。(2)本发明利用微晶玻璃本身材料特性和外覆复材外框加大了传力路径，通过包覆多层可隔热，减小了外力外热作用施加在光学件上的影响。在提高精度的同时降低了对热控的要求，优化在轨星上资源分配。(3)本发明通过非全约束支撑组件可以释放振动、失重及温度变化带来的内应力，减少连接两平面折转镜的玻璃结构件的变形，从而减小光路传递时产生的误差。附图说明通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1是本发明实施例提供的无热化高精度光学折转棱镜系统的结构示意图；图2是本发明实施例提供的平面反射镜和光学传导棱镜的传导光路示意图；图3是本发明实施例提供的计算温度作用下光束指向改变的说明示意图；图4是本发明实施例提供的光学元件转动时光束指向的变化说明示意图；图5是本发明实施例提供的光学传导棱镜支撑位置的示意图；图6是本发明实施例提供的非全约束支撑组件的结构示意图；图7是本发明实施例提供的非全约束支撑组件的另一结构示意图；图8是本发明实施例提供的复材外框组件的另一结构示意图。具体实施方式下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。图1是本发明实施例提供的无热化高精度光学折转棱镜系统的结构示意图；图2是本发明实施例提供的平面反射镜和光学传导棱镜的传导光路示意图。如图1和图2所示，该无热化高精度光学折转棱镜系统包括：光学传导棱镜组件、非全约束支撑组件和复材外框组件。其中，光学传导棱镜组件通过非全约束支撑组件和复材外框组件相连接；光学传导棱镜组件包括平面反射镜1、光学传导棱镜2和可调节平面反射镜21；其中，光学传导棱镜2的一端为平面，与平面反射镜1相连接；光学传导棱镜2的另一端为球面，与可调节平面反射镜21相连接；入射光束经过平面反射镜1穿过光学传导棱镜2的中空部分，到达可调节平面反射镜21并射出，以实现光束高精度折转。如图1、图6和图7所示，非全约束支撑组件包括弹簧压块4、弹簧限位柱6、弹簧8、弹簧镶套9、弹簧镶套调节垫片10、第一棱镜外框11、第二棱镜外框112、第一棱镜内框12、第二棱镜内框121、棱镜框调节垫片15、限位螺钉17、棱镜压框18、第一紧固件14和第二紧固件19。其中，第一棱镜内框12通过光学结构胶26固定在光学传导棱镜2上；第一棱镜外框11与棱镜内框12相压接，弹簧镶套9通过弹簧镶套调节垫片10嵌设于第一棱镜外框11和棱镜内框12，弹簧压块4设置于弹簧镶套9内并与光学传导棱镜2压接，弹簧8设置于弹簧镶套9内并与弹簧压块4压接，弹簧限位柱6穿过复材外框组件与弹簧8相压接；第二棱镜内框121通过光学结构胶26固定在光学传导棱镜2上，第二棱镜外框112通过棱镜压框18、棱镜框调节垫片15、第一紧固件14和第二紧固件19与第二棱镜内框121相连接；若干个限位螺钉17穿过复材外框组件与第二棱镜外框112相压接。如图1和图8所示，复材外框组件包括复材外框3、镶套5、复材外框支架13、复材外框垫片16、通光筒镶套23、通光筒25、结构胶22、第三紧固件20和第四紧固件24；其中，镶套5设置于复材外框3开设的孔中，弹簧限位柱6穿过镶套5与弹簧8相压接；若干个限位螺钉17穿过复材外框垫片16和复材外框3与第二棱镜外框112相压接；复材外框垫片16通过结构胶22粘在复材外框3上，通光筒镶套23通过结构胶粘在复材外框3上，通光筒25通过第四紧固件24与通光筒镶套23连接，复材外框支架13通过第三紧固件20与复材外框3相连。如图1所示，光学传导棱镜组件、非全约束支撑组件通过光学结构胶26连接，非全约束支撑组件与复材外框组件之间通过紧固件7(周向四组均布)连接。对外紧固点在复材外框支架13上。如图1和图2所示，光学传导棱镜组件由平面反射镜1、光学传导棱镜2、可调节平面反射镜21组成。光学传导棱镜2一端是平面，与平面反射镜1用光学结构胶26固定，一端为球面，在激光自准直检测系统监测下将可调节平面反射镜21调整至所需折转角度并用光学结构胶26固定。如图1所示，平面反射镜1、光学传导棱镜2、可调节平面反射镜21均由零膨胀微晶玻璃材料制备，非全约束支撑组件及复材外框组件可以消除温度影响、装配应力、加工误差、振动影响等多项因素的影响，将反射棱夹角的变化降到最小，满足系统指标要求。使得本发明设计的光学折转棱镜系统具有高精度和良好的热环境适应能力等特点。本实施例利用微晶玻璃的零膨胀特性作为连接两平面反射镜的稳定光学传导棱镜结构，一端连接面设计为平面，与平面反射镜连接，一端连接面设计为球面，与可调节平面发射镜连接。先将平面反射镜与光学传导棱镜用胶固连，后通过球面可调平面镜在激光自准直检测系统监测下进行调整至所需折转角度并用胶固连。同时。为了消除温度影响、装配应力、加工误差、振动影响等多项因素的影响，设计了非全约束支撑组件及复材外框组件并控制了棱镜反射面的加工误差，将反射棱镜夹角的变化降到最小，满足系统指标要求。本实施例还提供了一种无热化高精度光学折转棱镜系统设计方法，该方法包括以下步骤：将光学传导棱镜2为平面的一端与平面反射镜1相连接，将光学传导棱镜2为球面的一端与可调节平面反射镜21相连接；通过非全约束支撑组件将光学传导棱镜2与复材外框组件相连接。具体的，根据设计输入光学传导路径要求，初步设计光学折转棱镜系统的长度为1200mm、入射出射角度为0°，即出射与入射角度相同。平面反射镜与光学传导棱镜间的夹角为45°。根据光学传导棱镜的长度和现有加工水平，确定光学折转棱镜的截面形状为30mm×30mm的正方形。对光学折转棱镜系统进行误差分配(3σ)/″：名称误差(3σ)/″由热变形引起的误差0.013由转动引起的误差0.056由重力变形弯曲引起的误差0.200如图4所示，通过蒙特-卡罗(monte-carlo)数学仿真法，计算由光学折转棱镜系统转动引起的出射光束指向变化。棱镜入射光束偏离是由棱镜材料因加工误差造成的棱镜表面变形和它的转动引起的。对棱镜系统进行建模过程中，假设由加工造成的反射棱角的误差为60”，棱镜绕x、y、z轴的转动为1’。最后求得由转动引起的误差为0.05″，满足要求。如图3所示，对以零膨胀微晶玻璃为材料的光学折转棱镜系统进行热变形误差分析，出射光束指向的变化同棱镜不同厚度的温度差相一致。这与由线胀系数引起的棱镜工作角的变化相关，也与由折射率变化温度系数引起的棱镜不同厚度下光程的变化相关。因此光束在通过棱镜过程中发生δψt角的偏离。棱镜上纵向温差不会引起出射光束的指向发生变化。针对光学传导棱镜，采用下列公式计算由温度作用引起的出射光束指向的变化(此折转棱镜系统只发生反射)：式中：δψt-光束因热变形发生的偏离角(此处取0.013″)；h-棱镜厚度(此处取30mm)；lп-棱镜长度(此处取1200mm)；αt-棱镜线胀系数(此处取2×10-8/k)；δt-温差；得到满足使用要求的温度变化范围。在ansys程序中对光学折转棱镜系统进行数学仿真，计算其在重力作用下引起弯曲对折转角度产生的误差满足误差分配时支撑点的位置如图5所示。图5中的距离单位为mm。棱镜支撑位置处的非全约束结构设计结果如图1所示，根据仿真计算结果选用弹簧，弹簧参数为：材料为合金弹簧钢，钢丝直径1.2mm、弹簧中径26mm、有效匝数6、压缩长度15mm，自由长度20mm。根据棱镜支撑位置设计复合材料外框的结构及复合材料外框的支撑位置并带入模型进行仿真计算，经过热设计仿真计算，棱镜在高低温工况下温度变化量均不超过0.04℃，满足0.09℃的误差要求。经过抗力学设计仿真计算，结构各部分强度均满足使用要求。本实施例能够用于高精度测绘相机与星敏感器之间的夹角监测系统，从而提升遥感相机无控制点定位精度；并且本实施例利用微晶玻璃本身材料特性和外覆复材外框加大了传力路径，通过包覆多层可隔热，减小了外力外热作用施加在光学件上的影响。在提高精度的同时降低了对热控的要求，优化在轨星上资源分配；并且本实施例通过非全约束支撑组件可以释放振动、失重及温度变化带来的内应力，减少连接两平面折转镜的玻璃结构件的变形，从而减小光路传递时产生的误差。以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。当前第1页12