离轴折反式变焦光学系统中双旋转切换反射镜机构的设计与分析

《Advances in Mechanical Engineering》：Design and analysis of a dual-rotation switching mirror mechanism in an off-axis catadioptric zoom optical system

　　

本文针对应用于机载光电载荷的离轴折反式变焦光学系统的视场（FOV）切换，提出了一种新型双旋转切换反射镜机构。为应对航空光学平台严格的空间限制，采用串联式非正交双旋转构型，使反射镜可平行收纳于框架结构，实现有效的空间折叠。配合单电机驱动方案，所提结构实现了显著的微型化和轻量化特性。基于杠杆原理，采用断电电磁铁与扭簧相结合的高精度定位与自锁方法，确保了稳定可靠的定位精度。全面阐述了该机构的运动学设计原理、有限元仿真分析与实验验证。测试结果表明，反射镜面形精度达到0.027λ均方根（RMS）（λ=632.8 nm），结构一阶固有频率大于147 Hz，重复光轴定位误差控制在20″以内。所提机构有效兼顾了结构紧凑性、动态刚度与高精度定位性能，非常适合机载光电变焦系统对高精度、高稳定性视场切换的应用需求。

**双旋转切换反射镜机构在离轴折反式变焦光学系统中的设计与分析解读**

航空光电载荷主要用于探测、捕获、跟踪和测量空中或地面目标，这类系统既需要在大视场（FOV）内同时发现远处目标，又需要在小视场内分辨目标细节，因此对焦距适应性和成像质量提出了很高要求。变焦是提升目标搜索与探测效率的关键手段，当通过大视场发现目标后，系统需快速切换至小视场进行跟踪与测量，并通过记忆跟踪将目标置于小视场内，实现连续跟踪和数据采集。这要求系统具备快速且稳定的视场切换能力。

目前多视场光学系统实现FOV切换主要有两种方法。第一种采用凸轮等机械结构驱动变焦透镜组沿光轴移动，通过改变透镜位置改变焦距，但这种方式需要高精度平移机构维持光轴一致性，装调复杂，且成像透镜数量多会降低透过率和图像质量；在辐射测量应用中，变焦过程中的透镜组态变化还要求频繁进行辐射定标，增加了系统运行周期。第二种方法通过插入或退出变倍反射镜实现不同FOV切换，具有高透过率和良好成像性能，但结构尺寸庞大，反射镜精确定位困难。在离轴折反式共孔径光学系统中，各谱段共用一套离轴反射系统，后接透镜系统分离波长，同时实现全谱段变焦对时序和光轴一致性要求极为严格。将切换反射镜机构集成到光路中为解决上述问题提供了有效途径。

本研究针对离轴折反式变焦光学系统，研究人员设计了一种新型双旋转切换反射镜机构。该机构采用非正交双旋转串联构型，使反射镜可折叠至平行于框架的收纳位置，显著减小安装体积。驱动方面采用单电机驱动架构，电机驱动主旋转轴，通过齿轮副将运动传递至副轴，以降低功耗和尺寸。定位方面提出断电电磁铁与扭簧组合的高精度定位策略，利用杠杆原理实现可靠锁定与精确定位。仿真与实验结果表明，该机构有效平衡了结构紧凑性、动态刚度与高精度定位性能，适用于机载光电变焦系统的高精度、高稳定性FOV切换场景。该论文发表在《Advances in Mechanical Engineering》。

在关键技术方法方面，研究人员采用的主要方法包括：提出非正交双旋转串联机构，通过单电机驱动，利用圆柱直齿轮副以1:1传动比将运动传递至摇臂，实现反射镜切入与切出状态的切换；基于三维坐标旋转矩阵建立运动学模型，精确计算旋转角度参数；采用断电电磁铁与扭簧构成的杠杆机构实现切入状态的定位与自锁，切出状态由带弹簧的锁定柱塞固定；利用有限元分析软件HyperMesh建立网格模型，进行面形精度和模态分析；实验使用TriOptics自准直仪测试重复定位精度，通过1.6 m平行光管和分辨力板评价成像质量，并测试系统调制传递函数（MTF）。

研究结果部分如下：

（1）Simulation analysis（仿真分析）
研究人员建立了包含2,309,540个单元和458,684个节点的有限元模型。模型采用8节点六面体单元模拟反射镜，RBE2单元模拟螺钉连接位置，节点合并用于关键光机结构。固定边界约束施加于基座框架安装位置。材料选用7075铝合金（主框架和摇臂）、4J32殷钢（光学安装座）和单晶硅（反射镜）。重力载荷下的镜面变形分析显示，沿X和Z方向重力作用下反射镜面形误差均方根（RMS）低于λ/50（λ=632.8 nm），峰谷值（PV）低于λ/10，满足光学设计要求。模态分析获得一阶固有频率为147.3 Hz，高于系统控制带宽，证明结构刚度满足设计指标，可避免共振，有效抵抗飞行工况下的振动扰动。

（2）Experimental testing（实验测试）
制造装配后，反射镜在切入状态下的面形精度RMS值达到0.027λ（λ=632.8 nm）。镜面镀有优化用于3.7–4.8 μm红外波段的金膜，反射率高于98%。重复定位精度测试在标准光学平台上采用TriOptics自准直仪进行。共进行25次短焦与长焦工作状态切换，通过自准直原理采集X和Y方向角偏差数据，峰峰值重复定位误差均小于20″，满足设计要求。成像性能测试使用1.6 m平行光管和分辨率靶板，系统清晰分辨靶面条纹，边缘锐利、对比度高，表明成像质量优良。通过十字线坐标位置计算光轴一致性，以窄视场为参考，宽窄视场间光轴一致性误差小于2像素，验证了切换镜在光路插入和切换过程中具有优异稳定性。调制传递函数（MTF）测试显示，在空间频率33 lp/mm处中心视场MTF值优于5%，接近系统理论衍射极限，表明切换镜机构引入的附加像差极小，不会造成明显的成像恶化。

在讨论与结论方面，原文指出通过仿真和实验双重验证，切换机构在面形精度、动态刚度和重复定位精度方面均达到设计指标。非正交双旋转构型相比传统单旋转结构，在切出状态仅占用原空间约36%，且无需额外功耗，小型化优势显著。断电电磁铁与扭簧的组合实现了断电自锁，能耗极低，保证了定位的稳定可靠。研究结论可翻译为：本文提出了一种新型双旋转变焦切换反射镜机构，以满足高精度机载光电载荷的视场切换需求。针对离轴光学系统的应用场景，系统分析了FOV切换镜的工作原理，开发了创新的非正交双旋转机械构型，提出了断电电磁锁与扭簧集成的高精度定位方案，并完整展示了相关结构参数选择与理论计算过程。反射镜面形精度RMS优于0.027λ，结构固有频率高于147 Hz，证明该切换机构具有优异的机械稳定性与光学性能。重复定位测试表明机构峰峰值光轴定位误差小于20″。系统可实现宽窄视场的稳定切换，光轴一致性误差小于2像素。在光路切入状态下，反射镜精确偏转入射光束实现视场转换；在切出状态下，机构占据空间极小，显著优化了光学系统的整体紧凑性。与传统的单旋转切换结构相比，所设计的非正交双旋转机构在小型化和定位稳定性方面具有突出优势。该工作为机载变焦光学系统视场切换单元的结构设计提供了可靠实用的技术参考，在航空光电探测领域具有重要的工程应用价值和广阔的应用前景。