空间光学相机（共8篇）
空间光学相机 篇1
长焦距、高分辨率、高像质的光学系统成为空间光学领域研究的热点。由于像斑大小正比于光学系统相对孔径的倒数,因此增大焦距的同时,必须增大口径,才能保证具有足够高的空间分辨率。但考虑到加工、装配、检测等方面的原因,光学透镜的口径受到了一定的限制。
目前文献报道中,衍射面和非球面在光学镜头的应用较多,如文献[1]中报道了白瑜等人设计了基于衍射光学面的头盔显示光学系统,文献[2]报道了白瑜等人设计了含有衍射面的红外镜头,设计了一个容易加工检测的大口径、长焦距、高分辨率空间相机光学系统,光学系统口径为1.0 m,焦距为10.0 m,视场角为1.2°,500 km像元分辨率可达0.5 m。
1 光学系统分析
在光学系统的像差足够小时,光学系统口径的衍射决定了系统的最高分辨率。衍射对系统分辨率的影响由如下艾里斑半径d来表征
式中,λ为波长;f为光学系统焦距;D为光学系统口径。
空间相机地面像元分辨率为像面上CCD像元尺寸对应的物面尺寸,等于CCD采样的地面采样间距GSD(ground sample distance)。光学系统的成像质量最好能做到衍射极限,即像斑直径最小为衍射极限。空间相机的地面像元分辨率由探测器的像元尺寸、轨道高度及光学系统的焦距决定
式中,RGSD为地元分辨率,H为轨道高度,f为光学系统焦距,a为探测器的像元尺寸。
地面的覆盖宽度将由空间相机的有效视场角2ω决定,当轨道高度H一定时,地面覆盖宽度W表示为
式中,W为覆盖宽度,ω为半视场角。
由式(2)、式(3)可知,在波长、卫星高度和探测器尺寸a确定后,空间分辨率与光学系统相对孔径有关,当光学系统口径一定时,在相同的轨道高度条件下,增大焦距可以提高地面分辨率,增大系统的视场角可以扩大对地面的覆盖宽度。同时,增大系统的口径有利于提高空间光学系统的性能。在设计长焦距光学系统时,很少采用折射式和折反射式结构形式,一方面是由于大尺寸的光学材料对加工和装调提出的要求极高,而且对环境温度和压力的变化也特别敏感;其次由于成像谱段二级光谱消除困难。与折射式和折反射式结构形式相比,反射式结构形式具有以下特点:(1)无任何色差,也不存在二级光谱,因此可以用于可见光、紫外、红外谱段很宽的谱段成像,特别适用于遥感和多光谱成像的光学系统;(2)光学元件数相对较少,光学系统孔径可以做得较大,且容易实现轻量化设计,减小相机体积,使整个光学系统的质量减轻,适用于空间光学系统的需要;(3)反射式光学系统对材料要求相对较低,取材容易,设计形式非常灵活,可以借助折转反射镜来折叠光路使结构紧凑,还可以用非球面来获得大孔径、大视场、长焦距等多种性能要求的系统。两反射式光学系统中使用的非球面多为高次非球面,加工、检测和装调难度较大,由于两反射式光学系统中主镜口径最大,主镜的质量决定着整机系统的性能,如果主镜采用抛物面,加工精度和检测难度更小,合理分配各个镜子的光焦度、曲率半径和厚度,同样可以得到高性能的大口径长焦距高分辨率光学系统。
2 设计实例与性能分析
应用光学设计软件Code V设计了一焦距f=10000 mm,入瞳口径D=1 000 mm,工作谱段为500~800 nm,视场角为1.2°的大口径长焦高分辨率空间光学系统,设置合适的优化函数对系统进行优化,最终优化后得到的光学系统如图1所示,系统采用带有三块校正镜组件的Ritchey chretion结构形式。系统主镜采用抛物面面型,利用补偿法检测抛物面检测难度小精度高。次镜采用双曲面,双曲面的系数为-28.638,为了有效校正系统中所有像差,在两反射镜的基础上加入校正组件,这样系统就有了多个变量可以用于校正像差,实现大口径长焦距。校正组件为三片式结构,三片校正组件均为球面镜,大大减小了加工、检测和装配的难度。
图2给出了系统的调制传递函数曲线,由图2可知,在空间频率50 lp/mm时,所有视场的调制传递函数均接近衍射极限,各视场MTF均优于0.42,且系统无渐晕。
由图3可知,各视场光线所成像点的半径均方根值均在3.6μm以内,小于光学系统的艾里斑直径。图4给出了系统像散和畸变图,可知各个视场的像散都很小,光学系统最大视场处的畸变量为0.45%,小于0.5%,该空间光学系统的成像质量优良。当卫星轨道高度为500 km,根据式(3)计算可知,该相机地面的覆盖宽度可达10.47 km。
3 结论
设计了一个容易加工检测的大口径、长焦距、高分辨率空间相机折反射光学系统,光学系统口径为1.0 m,焦距为10.0 m,视场角为1.2°空间频率50 lp/mm处,所有视场的调制传递函数均接近衍射极限,成像优良,系统主镜采用抛物面,易于加工检测,三片校正镜均为球面镜,有利于高精度加工检测的实现。
参考文献
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空间光学相机 篇2
描述了空间相机运载发射及在轨运行阶段经历的`力学和热环境,提出空间相机主支撑结构优化设计方法,用有限元分析法对卡塞格林和TMA两种具体空间相机光学系统主支撑结构进行了优化设计.对拓扑优化前后分析结果进行比较,卡塞格林光学系统主支撑结构一阶固有频率从41Hz提高到72Hz,重量降低15%;TMA光学系统主支撑结构一阶固有频率不变,重量降低35%.结果表明,采用此优化设计方法不仅缩短了设计周期,而且有效地降低了支撑结构重量,提高了主支撑结构的性能,满足系统设计要求.
作 者：关英俊 辛宏伟 刘巨 任建岳 GUAN Ying-jun XIN Hong-wei LIU Ju REN Jian-yue 作者单位：关英俊,GUAN Ying-jun(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春,130033;中国科学院研究生院,北京,100039)
辛宏伟,刘巨,任建岳,XIN Hong-wei,LIU Ju,REN Jian-yue(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春,130033)
空间光学相机 篇3
[关键词]空间相机 集成设计分析 热光学分析
1. 引言
空间相机是一种典型的需进行跨学科研制的综合系统,其研制涵盖了光、机、电、热等多学科内容。在研制过程中,各学科分别应用多种软件分析解决自身学科领域的问题。为了在工程中相互合作,使各学科分析软件能够互相进行数据传送,使一个学科分析处理的结果能够成为另一个学科计算程序的源数据,往往采用光机热集成分析的方法将若干独立的分析软件集成为一体[1,2]。
本文结合空间相机研制的特点,建立了具有针对性的光机热集成设计分析流程,总结了集成分析的主要内容及相关验证试验。
2. 空间相机集成设计分析
2.1集成设计分析流程
空间相机进行集成设计分析前,首先要确定各个学科的设计分析任务,然后根据空间相机的工作任务需求与各个工作阶段的工作环境,确立边界条件、分析工况、参数需求、输入输出文件需求等,最后根据集成分析的基本思想和特点,建立符合空间相机自身研制特点的集成设计分析流程。
2.2集成设计分析内容
空间相机集成设计分析工作主要包括结构分析、热分析、热光学分析、光学分析及相应优化设计[3-6]。
结构分析主要进行静力学分析和动力学响应分析两方面工作,静力学分析主要包括结构件应力、应变分析、变形分析及结构稳定性分析;动力学分析主要包括模态分析、频率响应分析、随机响应分析、瞬态时间历程响应分析。通过结构分析,掌握结构件的强度、刚度、稳定性,系统的固有频率和振型,以及相应的加速度、位移、动应变、应力、动刚度等结构动力学特性,作为优化设计的依据。
热分析首先根据卫星结构和飞行轨道参数进行空间外热流计算,然后结合卫星、相机的热控设计进行热边界条件的定义并进行在轨热平衡计算。求得结果要与热光学分析第一步骤——均匀温升分析形成的相机热控指标进行比较。此后,将各工况求得的温度场作为热载荷加载于相机的结构有限元模型,进行相机的热弹性分析,得到结构的位移场分布[17,18]。将得到各镜面的刚体位移和面形变化数据分别输入到所编制的数据转换接口程序中进行处理,使之符合光学分析的输入需求,建立光学系统分析模型并进行光学分析。此即热光学分析的第二步骤。
光学分析主要是对系统的调制传递函数(MTF)进行分析,在光学分析过程中要综合考虑各种因素对系统MTF的影响并进行优化设计,需要考虑装配、检测、结构变形、环境温度等方面因素。
2.3集成分析优化设计
集成分析工作过程中,优化设计的对象及内容主要有:
a)各反射镜及其支撑的轻量化:轻量化构型、壁厚选择、强度、刚度优化
b)柔性环节:柔性环节形式及刚度优化
c)主体支撑框架:支撑形式、强度、刚度优化
d)表面涂层:吸收、发射比优化
e)多层隔热材料:多层类型选择、层数优化
f)构件间隔热材料:材料选择、隔热形式及参数优化
g)导热装置:导热装置形式及参数优化
h)主动热控:加热区域、加热功率优化
多种对象参数优化后,最终进行光学分析,考察相机系统MTF指标,根据结果进行反馈优化设计直至MTF指标达到成像任务要求,即光学系统优化设计。
2.4相关验证试验
集成设计分析主要侧重于结构、热方面的验证试验,光学检测针对不同的相机设计有不同的检测内容和方法。针对空间相机的集成设计分析,需要进行的验证试验主要有:
a)力学环境试验:包括应力、应变、加速度、模态的测试,正弦扫描振动试验,随机振动试验,用于试验验证结构分析结果。
b)热试验:包括热平衡试验、热真空试验、热光学试验[19,20],用于验证热分析结果和热设计的有效性。
c)光学检测:主要进行光学系统MTF的测试,用于验证空间环境对光学性能影响的分析结果。
3. 结束语
1) 对于空间相机这类典型的光、机、电、热综合系统,采用集成设计分析方法是提高系统设计科学性、高效性,缩短研制周期的有效手段。对于具体研制对象,应建立具针对性的集成设计分析流程。
2) 集成分析中结构、热分析用相同模型时,通过通用接口转换数据时,应注意网格划分、单元类型及属性定义问题;光学分析时应注意先分离再综合WFE与LOS对系统光学性能的影响。
3) 集成设计分析需要相应试验进行验证。
参考文献:
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作者简介:
空间目标的光学偏振特性研究 篇4
地基光学探测系统对深空目标的探测有重要的作用,为了达到探测和识别目标的目的目前已经发展了若干种探测手段[1],例如,Sanchez等根据高轨碎片的光度特性来判断目标的生存状态以及特征[2],通过同时性的多色测光来判断不同卫星平台[3]。Jorgensen等人表明由于不同材料的空间目标具有不同的光谱反射率,因此采用低色散光谱观测对于目标的识别有重要的作用[4]。而目标的偏振特性由于反映了材料的本征特性也在空间目标的探测中也得到了应用,Stead在美国俄亥俄州Sulphur Grove观测站,在光电望远镜上加上偏振分析器完成空间目标的偏振观测,测量到一个卫星的偏振度最大达39%[5]。Kissel研究表明空间目标反射太阳光的偏振程度是很高的,并将偏振结果看成由漫反射和镜反射混合而产生的,按照这种假设理论计算与观测结果符合的比较好,他认为这足以证明偏振特性可以作为研究空间目标材料在太空中所受的影响[6],Beavers等人通过不同形状的卫星的光学偏振观测,表明偏振观测可以作为测试在轨目标状态、判断目标材料、探测目标在深空中暴露对其光学特性影响的一种手段,并将铝质材料和太阳能板表面的卫星偏振特性与理论计算结果相比较,结果表明卫星在太空中材料确实发生了变化[7],Sanchez的文章表明目标的偏振特性与光辐射特性的特征明显不同,在午夜光度信号强的时候约为10%,而到黎明光度特性弱的时候甚至能达到40%,即使有卷云存在的情况下也能探测到[8]。因此空间目标的偏振特性在目标光学探测中能发挥其独特的作用。对于空间目标来说,照明光源是太阳,太阳光是非偏的,而空间目标散射光的偏振分析则表明空间目标的散射光是偏振的[9,10]。空间目标表面材料的散射光偏振特性与目标组成材料和不同材料表面的入射角有关,由于目标与观测者以及光源的相对位置(由目标的轨道和组成部分姿态所引起)的改变,探测到的散射光偏振状态会相应的改变。这些信号可能会由于特定目标的构成而不同,因此可以作为目标识别的特征。但目前对空间目标材料的偏振测量工作却未见报道,且空间目标的形状也不像1970年以前普遍为球形或柱形,更多的是盒装带太阳能电池板的结构,文中给出空间目标几种常见材料的多角度偏振成像特性,最后结合具体的目标模型在实验室测量了其偏振特性的变化,结果表明,空间目标散射的偏振量可以用来提高空间目标的识别能力。
1 理论依据
介质材料的线偏振可表示为
Rs是平行于入射表面的反射光,Rp是垂直于入射表面的反射光,如果是不规则表面,则可看成是许多微面元的反射总和,微面元的反射系数由微面元的局部入射角和菲涅耳系数决定。当表面是涂层或者是多层介质,例如太阳能板,则反射的能量则由以下复杂的反射公式决定[11]
其中:r(i-)1i表示第i层和第i-1层的反射系数,r(i+)1R表示第i+1层和第R层的反射系数,δi表示的是由于介质层带来的相位差。
图1是Beavers[8]给出的两种不同形状的卫星的偏振度曲线,并将其与理论拟合结果相比较。其中,LCS-1是球形卫星,表面材料为抛光的铝,复折射率为ˆn=0.98+5.23i,在空间中暴露后根据实测结果拟合获得ˆn=3.2+.525i,COMSTAR D4是柱形卫星,表面覆盖着太阳能板。
由于卫星结构简单,Beavers的理论计算中的反射系数用的是菲涅耳反射系数,目前的卫星普遍为盒状结构,由于结构的复杂性,理论性分析也变得困难。本文从实验仿真的角度来给出各种常见卫星材料的偏振特性。
2 实验材料与实验方法
2.1 实验材料与装置
实验样品选取空间目标常用的组成材料铝板,太阳能电池板,银色镀铝聚酯薄膜,黄色镀铝聚酯薄膜。实验样品如图2。实验模拟光源由三角架、卤钨灯泡、光源箱、散热风扇、直流稳流稳压电源等组成。实验光源可以三维调整。偏振成像测量装置采用的是安徽光机所自行研制的地面可调波段偏振CCD相机[12],偏振探测波段中心波长665 nm,带宽50 nm。
2.2 实验测量方法
偏振探测公式如下[12]:
式中:I(α)为仪器测量值,它表示在xoy平面内偏振片透过轴与X轴夹角为α的方向上进行观测所得到的光强;I表示总的光强值;Q表示水平和垂直线偏振分量之差;U表示45°和135°线偏振分量之差。
在偏振测量时,采用分时的方式获取空间目标实验样品的三个偏振方向(0°,60°和120°)上的强度值。由式(3)就可以求出来自目标光波的Stokes参数,进而求出偏振度,偏振角等参数,对应的线偏振度P为
3 实验结果与数据分析
3.1 空间目标材料偏振特性
图3(a)~3(d)给出了黄色镀铝聚酯薄膜,银色镀铝聚酯薄膜,太阳能电池板,铝板的偏振度特性随入射角和观测角变化曲面图。其中x轴为天顶角,y轴为观测角,z轴表示材料的偏振度。在实际应用过程中,可根据观测情况选择合适的条件,例如相同观测角时,入射角变化,或者相位角(光源-目标-探测器夹角)变化将数据进行组合比较。
由于太阳能电池板的偏振特性显著,图4给出了两个封装不同的太阳能电池板的偏振特性随入射角的变化曲线,一个表面是采用聚酯玻璃封装,另一个表面则是采用钢化玻璃封装。两种不同材料封装的太阳能电池板都有明显的镜反射特性,变化趋势相似,但是聚酯玻璃封装的太阳能电池板要较钢化玻璃封装的太阳能电池板的偏振度小,这个差别是由于组成材料不同引起的。由于太阳能电池板的表面非常光滑,其偏振特性可根据式(1)计算菲涅耳反射系数获得。
3.2 空间目标缩比模型偏振特性
了解了空间目标材料偏振成像数据后。接着进一步探讨空间目标缩比模型的偏振特性。实验中测量的空间目标缩比模型有三个,一个是仿照东方红三号卫星,尺寸大小为卫星模拟样品主体尺寸为21 cm×24cm×24 cm,太阳能电池板尺寸120 cm×40 cm,主体为铝块外面包覆着黄色镀铝聚酯薄膜,太阳能电池板粘贴在薄铝片上,一共有两块,并用螺钉紧固在卫星主体的两侧,太阳能电池板可以绕着本体转动。第二个是包有黄色镀铝聚酯薄膜的柱体目标,直径5 cm,高5 cm,第三个则是模拟体装式卫星,表面完全被太阳能电池板覆盖,实物图如图5。
实验过程中,探测器与空间目标本体的方向保持不变,采用垂直测量,对于带两个太阳能电池板的卫星模型,光源变化模拟一个晚上太阳相对于空间目标的入射角变化,光源照射在本体上的天顶角变化为从80°向0°递减,然后再由0°向80°递增(在图中标为(-80°~0°~80°)),并使太阳能电池板随入射光源的方向转动,使入射光始终垂直照射在太阳能电池板上。而两个柱状目标则是使相位角(光源-目标-探测器的夹角)的变化从0°~170°,偏振测量结果如图6。
图6(a)是带有两个太阳能电池板的卫星模型在490 nm,555 nm,665 nm波段的偏振特性曲线,可以看出当入射方向和观测方向的相位到70°~80°的时候,偏振度达到13%以上,甚至能达到20%,而在其他相位角条件下,偏振度很小,偏振度在2%~7%之间,图6(b)给出了卫星模型、太阳能电池板、本体三者的偏振特性曲线,可以看出由于卫星本体的偏振度很小,约为5%,又由于卫星本体的面积在整个目标面积中所占的比例小,所以卫星模型的偏振特性主要反映了太阳能电池板的偏振特性。
图6(c)是包有黄色镀铝聚酯薄膜的柱体的偏振特性,可以看出目标整体偏振度很小,大约在4%左右,偏振度随相位角的增大有下降趋势,图6(d)将包有黄色镀铝聚酯薄膜的柱体的偏振特性与黄色镀铝聚酯薄膜平面的偏振特性曲线绘制在一个图中加以比较,可以看出柱体的偏振特性与平面的偏振特性变化趋势相同,但包有黄色薄膜的柱状目标的偏振度小于薄膜平面的偏振度,这主要是由于柱状目标表面的曲面性,探测器接收到的光包括镜面反射和漫反射两部分,另外又由于在曲面上各部分反射光的偏振相位角不同,所以会起到一个消偏的作用。
图6(e)所示目标是贴有太阳能电池板的多面体,两个面间的夹角约为60°,所以在相位角为120°附近的时候偏振度最大值98%,这是由于太阳能电池板的镜反射偏振度很大的原因。图6(f)是柱体目标的偏振特性与太阳能板的偏振特性比较,可以看出变化趋势相似,因此当这个多面体的面越多,逐渐趋近于圆柱体的时候,其偏振特性也越接近于太阳能电池板的偏振特性。
从以上的结果可以看出,虽然黄色薄膜的表面与太阳能电池板都是光滑表面,但它们的偏振特性截然不同。这是由于黄色薄膜是柔性的,表面不平整,它整个平面的偏振特性是许多微面元偏振特性叠加的结果,由于各个微面元的偏振相位角不同,因此整体上会消偏。而太阳能电池板的表面偏振特性则很显著,可以用式(1)的理论结果来描述,因此偏振特性对于探测空间碎片尤其是太阳能电池板的姿态以及生存状态有重要的作用。
4 结论
综上所述,测量了空间目标材料的多角度偏振成像特性,并测量了空间目标缩比模型的偏振特性,结果表明空间目标材料的偏振特性由入射角,观测角以及材料本身的性质决定。
空间目标缩比模型的偏振特性由空间目标材料的偏振特性决定,表面材料单一的柱形目标在某个相位角时的偏振特性主要由该材料在相同相位角时的镜面反射的偏振特性决定。
对于带两片太阳能板的卫星缩比模型,由于黄色镀铝聚酯薄膜的偏振度很小,而太阳能电池板的偏振特性显著,卫星缩比模型的偏振特性主要由太阳能板的偏振特性决定。
由于空间目标偏振特性反映了目标组成材料的特性,因此对于探测空间目标材料以及目标的姿态有重要的作用。太阳能电池板的偏振特性显著,可以用菲涅耳定律推导的偏振公式来描述,因此偏振特性在探测太阳能电池板的物理特性极其姿态有重要的作用。
摘要：偏振特性是光与物质相互作用所表现的重要特性之一,与物质的性质密切相关。空间目标偏振特性可能会因为特定空间目标组成材料和空间目标轨道不同而存在差异,因此为空间目标的探测和识别提供了科学依据。本文通过空间目标材料以及典型空间目标模型的多角度偏振成像特性试验测量,分析了空间目标偏振特性及其变化机理。结果表明,空间目标表面材料的偏振特性对于目标的识别具有很重要的作用,太阳能电池板的姿态对卫星的偏振特性影响尤为明显。本文研究可以为空间目标光学偏振探测与识别提供应用基础研究支持。
关键词：物理光学,目标探测,偏振特性,空间目标
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空间光学相机 篇5
ZM4300光学遥感器空间环境模拟试验设备新技术
ZM4300光学遥感器空间环境模拟试验设备为了满足对温度、真空度、污染量、振动及多种试验模式的要求,采用了一些新技术措施,包括:多种试验模式、污染综合控制技术、大尺寸热沉精确控温和高温度均匀性、热沉兼具液氮制冷和乙醇制冷(机械制冷)模式、多种液氮流程运行模式、卸载隔振设置等.
作 者：杨建斌 张文瑞 柏树 刘玉魁 王先荣 YANG Jian-bin ZHANG Wen-rui BAI Shu LIU Yu-kui WANG Xian-rong 作者单位：兰州物理研究所,甘肃,兰州,730000刊 名：真空与低温 ISTIC英文刊名：VACUUM AND CRYOGENICS年，卷(期)：16(1)分类号：V416.5关键词：空间环境模拟器 光学遥感器 热沉 污染量 振动
空间光学相机 篇6
离轴三镜消像散(Three-mirror anastigmat, TMA)光学系统以其无中心遮拦、可优化变量多、不存在色差和二级光谱、适合宽谱段范围成像、既可以利用折转反射镜折叠光路使结构紧凑,又可以使用非球面镜来获得长焦距、大视场和大孔径的组合等优点,近年来成为空间遥感应用领域的研究热点[1,2]。美国、法国等在空间科学领域占据优势的国家早在数年前就已经突破了离轴三反空间相机的技术难点,成功研制了离轴三反空间相机,这些相机从空间传回了像质优良的图像,为人类认识宇宙、认识地球做出了重要的贡献。我国历经10余年的技术攻关,现已成功研制出离轴三反空间相机,攻克了离轴非球面反射镜的加工、检测和装调等一系列技术难点,填补了我国空间对地观测领域离轴三反相机空间应用的空白。但随着用户对分辨率提出越来越高的要求,要求空间相机具有大的相对孔径和越来越长的焦距,大相对孔径和长焦距带来的一个问题就是相机的体积越来越大,且光学系统的指标要求也相对严格,这就给相机的光机结构设计带来了巨大的困难,特别是对于大型离轴三反空间相机的主支撑结构,更是整个光机结构设计中的重中之重。相机主支撑结构不仅作为相机光学元件的承载体,同时也为相机的其它众多结构提供安装基座,并且要承受发射运载阶段严酷的动力学环境考验。这就要求相机的主支撑结构要最大限度地实现轻量化设计,具有足够高的动态刚度、静态刚度和良好的热尺寸稳定性[3,4,5]。目前,对于中小型的离轴三反相机的主支撑结构多采用金属框架式(如美国EO-1相机)和桁架式结构(如法国SPOT-5相机)。对于大型空间相机的主支撑结构多采用桁架式结构,如美国的哈勃空间望远镜(HST)、超新星宇宙加速度探测器(SNAP)、詹姆斯.韦伯空间望远镜(JSWT)、赫歇尔太空望远镜(Herschel)、我国的空间太阳望远镜(SST)等。
本文以某大口径长焦距离轴三反空间光学系统主支撑结构为研究对象,分析对比了框架结构和桁架结构作为空间相机主支撑结构的优缺点,研究了桁架结构选材、支杆参数、连接方式、桁架结构装配工艺等问题,并设计了一种18杆桁架结构,解决了主次镜间隔为2 650 mm的大型离轴三反空间相机的主支撑结构设计难题,本文的研究结果可为同类长焦距空间相机主支撑结构设计提供一定借鉴和参考。
1 空间相机主支撑结构选型
在大口径长焦距离轴三反空间相机中,主次镜等各光学元件都是安装到相机主支撑结构上的,所以合理的主支撑结构设计对于保证主次镜相对位置满足光学设计指标要求,同时使空间相机能够适应严酷的力学和热环境具有至关重要的作用[6]。主支撑结构一般分为薄壁筒式、整体框架式和桁架式等几种形式。薄壁筒式主要应用于同轴中小型空间相机,整体框架式一般为金属整体铸造成型,此种结构形式具有整体强度和刚度大、热稳定性好等诸多优点,但对于空间用大型轻质整体框架的整体铸造有极大的难度,我国尚不具备该技术能力。桁架式结构能够使各支杆在多种约束条件下均能最大限度地承受载荷,易于合理有效地分配各杆的承载能力,实现消热设计,且具有刚度大、整体性好、抗振能力强、结构简单、方便拆装等诸多优点[7,8,9,10,11,12]。本文所研究的空间相机主次镜间隔大,从现有的技术条件出发,桁架式主支撑结构形式是最佳选择。
2 桁架式主支撑结构选材
空间相机的桁架式主支撑的一般结构形式如图1所示,主要包括各光学元件的安装基板(一般为整体铸造板框式结构)、支杆及连接支杆与安装基板相连接的杆接头。安装基板是相机各光学元件、电控箱、星敏感器、相机蒙皮等的安装承载体,故要求有足够高的强度、刚度、热稳定性和良好的切削加工性能。由于安装基板(特别是与卫星相连接的后板)占整个主支撑结构的大部分重量,所以安装基板一定要选轻质的比刚度和比强度大的材料制作。综合以上力学性能、热物理性能、切削加工工艺性及尺寸大小等方面的因素,本文选择铸造钛合金(ZTC4)制作后板(主镜安装基板),选择高体分铝基复合材料(Si C / Al)制作前板(次镜安装基板)。支杆是连接主次镜结构的主要承力构件,应选择具有轻质、高强度、高刚度和低线胀系数的材料,碳纤维复合材料密度仅为铝合金的60%左右,比刚度可达到钛合金的4倍以上,且其线胀系数可以根据需要进行设计,在需要的方向上可以设计成零或负的热膨胀系数[13]。碳纤维复合材料在结构减重、提高光机结构热稳定性等方面具有明显的优势,是理想的空间光机结构支撑材料。杆接头选用密度相对较小且具有成熟加工工艺的钛合金(TC4)材料制作。表1给出了桁架式主支撑结构的几种材料的属性参数。
3 桁架支撑结构设计
3.1 支撑桁架应满足的基本指标要求
桁架支撑结构首要保证的就是各光学元件保持正确的位置关系,也即满足各光学元件的位置度公差要求。对于本文所研究的长焦距、大口径离轴三反空间相机来说,次镜与主镜的间隔较大,这导致次镜的支撑刚性较差,次镜相对于主镜的位置关系难于保证。而次镜的光焦度较大,又使得次镜在整个光学系统中较为敏感,所以次镜在该光学系统中的位置度公差要求极高。光学设计要求在重力载荷和4℃均匀温变载荷工况下次镜本身的面形精度达到PV≤λ/10, RMS≤λ/40(λ=632.8 nm),次镜相对于主镜的刚体位移和倾角要求详见表2。面形精度主要靠次镜及本身的支撑结构来保证,而刚体位移和倾角公差则主要依靠桁架支撑结构来保证。除此之外,次镜支撑桁架结构在动态刚度上要求其基频不小于70 Hz。
3.2 支撑桁架的设计
次镜组件通过次镜背部支撑三角板连接于次镜框(前板)上,次镜组件连同次镜框通过桁架结构进行支撑。支撑桁架的设计需要在不超过允许遮拦面积的情况下满足刚度要求。应用于空间光机结构中的支撑桁架的长支杆必须满足足够的刚度要求以避免低阶的“violin”模态,本文中要求的相机的模态高于70 Hz,对于薄壁空管的两端固定的约束模态有:
式中:f1 为支杆的基频,L为支杆长度,E为支杆材料的弹性模量,D为空心支杆的最小直径。对于此表达式成立的假设条件为支杆与基板的联接为刚性联接,如采用铰接联接方式则支杆基频将大幅降低,为提高桁架结构动态刚度,本文的支杆联接方式采用刚性联接。从式(1)可见,支杆的两端固定约束的基频是支杆长度L,材料弹性模量E及支杆最小直径D的函数,其中与支杆长度的平方成反比,所以加大支杆长度会严重降低支杆的基频。具体计算基频时由于还受到次镜组件质量的影响,应根据遮拦比要求以及有限元分析结果来确定支杆最小直径D。本文的初始设计方案为6杆支撑结构,其有限元模型如图1(a)所示。通过有限元分析可知,当6根杆的内外径分别为84 mm和100 mm时,计算得到桁架支撑结构的前三阶固有频率分别为58.7 Hz、65.6 Hz和90.4 Hz,其模态分析结果如图2所示。而在X向(装调方向)重力作用下,次镜绕Y轴倾角为9.4″,在X向的刚体位移为0.043 mm。从分析结果可见,此方案不能满足设计指标要求,如继续增大支杆外径可提高桁架支撑结构的动静态刚度,但会加大遮拦比,影响成像质量。
基于以上对初始设计方案的分析,考虑对桁架支撑结构进行改进,由于次镜框面积较小,所以要在不增大遮拦比的情况下增加支杆刚度比较理想的方案就是在主镜支撑后板与次镜支撑前板之间增设一块中板,这样原来的单层桁架结构就变为双层桁架结构,一方面增加了中板与厚板之间桁架杆的布置空间,另一方面有效地缩短了单杆的长度,对提高支杆的基频作用明显。增加中板后在后板与中板之间按相机结构YZ对称平面对称的增加6根支杆,见图1(b)。其中支杆1为X向交叉支杆,中间交叉部分通过管接头对接,这根杆能有效提高桁架结构X向刚度。支杆2、3是位于后板与中板之间的Y向交叉结构,这两杆在设计其杆直径时,可以相应选择得小一些,以免两杆发生干涉。为实现最优化设计,可将各支杆的内外径设为变量,将桁架结构的基频及次镜的X向刚体位移及绕Y轴倾角作为目标函数进行优化设计。优化的目标函数为
为保证支杆具有足够强度,设定支杆壁厚为4~5 mm,故可设9组对称布置的支杆内径和外径分别d1、d2,满足桁架结构基频大于70 Hz的情况下使次镜倾角最小。图3和图4分别为在不同支杆外径和支杆壁厚的情况下桁架支撑结构基频以及次镜倾角的变化情况。综合考虑桁架支撑结构基频及次镜倾角变化,经有限元分析优化并根据具体结构特点做适当调整后得到后板与中板、中板与前板之间最粗的支杆内径为70mm,外径为80 mm;支杆2和3的内外径分别为38 mm和44 mm。
为保证尽量短的传力路径和力系封闭,各支杆的布置尽量构成一系列三角形结构,且角度不要太小,除此之外,中板与前板和后板连接的管接头应尽量对称布置,这样有利于提高支撑刚度[14]。改进后的18杆双层桁架支撑结构的前3阶模态分析结果如图5所示。此结构在X向重力及4℃均匀温升作用下次镜的变形分析结果见表3。从分析结果可见,18杆桁架支撑结构前3阶固有频率分别为78.4 Hz、92.8 Hz和107.9Hz静态刚度和热稳定性均能满足设计指标要求。
4 碳纤支杆拉伸试验
空间相机桁架支撑结构的装配需要精密的工装来实现。其中装配的最后环节是靠胶粘结固化来实现。M55J碳纤杆与TC4管接头胶结连接具有强度高、应力分布均匀等优点,胶结过程中要严格控制胶层厚度,设计合理的胶结头和胶结长度,粘结剂要有一定的强度、韧性和较小的收缩率。为测试碳纤支杆与管接头的胶粘结的抗拉强度,进行了支杆试样的拉伸试验。制备了外径为62 mm,内径为50 mm,300 mm长的M55J碳纤杆3根(见图6),为测试打销钉是否可以提高支杆粘结的抗拉强度,在支杆的一端打有销钉。支杆与杆接头之间用J-133胶黏剂粘结,胶层厚度为0.1 mm,胶粘结长度按经验公式:L=0.8D+6计算取值为46 mm。如图7所示,在WMA-600型电液伺服万能试验机上进行拉伸试验,试验测试结果见表4。
试验结果表明,支杆与杆接头之间打销钉并不能提高支杆的抗拉强度,相反其抗拉强度会略有降低,如图8所示为三个经过拉伸试验后拉脱的支杆,前两个支杆在打销钉一侧拉脱,其最大拉力分别为40.58 k N和40.42 k N,试样3在42.25 k N拉力的作用下在未打销钉一侧发生拉脱,其抗拉强度为5.85 MPa。从测试结果可知,用于空间相机桁架支撑结构的单根支杆可抗40 k N以上的拉力,说明支杆与杆接头采用胶粘结方式连接在航天发射的动力学环境中安全可靠。
5 结 论
本文主要研究了大型离轴三反空间相机的桁架式主支撑结构的设计问题。设计了一种采用碳纤维复合材料M55J为支杆,采用铸钛合金ZTC4材料制作后板、中板,采用高体分铝基复合材料Si C/Al制作前板的18杆双层桁架支撑结构。有限元分析结果表明,桁架支撑结构的基频达到78.4 Hz,在X向重力作用下次镜的倾角为4.6″,最大刚体位移为X向0.03 mm;在4℃均匀温升载荷作用下,次镜最大倾角为0.21″,最大刚体位移为Z向0.01 mm,动静态刚度和热稳定性均满足设计指标要求。碳纤支杆试样拉伸试验表明,单根支杆可抗40 k N以上的拉力,胶粘结碳纤支杆的抗拉强度达到5.85 MPa,能够满足强度要求。本文所设计的支撑桁架结构解决了大型离轴空间相机要求同时具备高刚度、高强度和高热稳定性及轻质的难题,该桁架支撑结构已应用于某空间相机光机结构中。
摘要：设计了一种18杆空间相机桁架式主支撑结构,解决了大型离轴三反空间相机主支撑结构要求同时具备轻质、高刚度、高强度和高热尺寸稳定性的难题。分析了采用整体框架结构及桁架支撑结构作为离轴三反空间相机主支撑结构的优缺点,根据光学系统及相机整体结构尺寸特点,确定了桁架支撑方案。分析对比了单层6杆桁架结构和双层18杆桁架结构的动静态刚度。合理选取了桁架式主支撑结构的材料,分析了对支杆基频的影响因素,优化设计了支杆的结构参数,分析了18杆桁架支撑结构的力、热特性,并对支杆与杆接头的胶粘结强度进行了试验测试。有限元分析结果表明,相机桁架主支撑结构一阶固有频率为78.4 Hz,次镜在X向重力作用下绕Y轴的最大倾角为4.6″,动静态刚度均满足设计指标要求。碳纤支杆拉伸试验结果表明,胶粘结支杆的抗拉强度为5.85 MPa,满足强度要求。
空间光学相机 篇7
目前在大尺寸空间位姿测量中, 主要采用以参考坐标系为测量基准的空间坐标测量技术[1,2,3,4,5], 如三坐标测量、激光跟踪测量、视觉测量等, 或者利用实物基准进行测量。但几乎现有的各种测量方法和测量仪器都至少存在以下的不足之一, 如测量复杂、造价昂贵、缺乏便携性和可移动性、需要现场严格标定等。存在上述不足的关键原因在于, 难以在相距甚远的若干个被测几何元素之间建立一个精度高、易于实现、能适应多种现场环境的测量基准。为此, 本文提出在大尺寸空间内建立公共光学基准, 并以此为基础进行测量。
1 测量原理
在大型机械制造和大型工程安装中, 经常需要测量相距数米至十几米的若干被测对象的异面的几何元素 (如轴的轴线、孔的中心线、平板的法线) 之间的空间夹角, 以一个工程问题为例, 说明基于公共光学基准的大尺寸空间的角度测量的原理。如图1所示, 在一个大型轴类的工件上, 有相距7m的分别与主轴垂直的两个小轴, 它们的轴线在空间中是异面的。要求测量小轴1的轴线A与小轴2的轴线B在垂直于主轴的平面C上的投影之间的夹角γ0。
如图1所示, 以激光器发出的一个垂直于平面C的线结构激光平面作为公共光学基准, 并同时投射在小轴1和小轴2上形成激光光条Ⅰ、激光光条Ⅱ。采用两个光轴均垂直于平面C的CCD摄像机分别对小轴1、小轴2及其激光光条进行拍摄, 通过计算机图像处理, 就分别在CCD1、CCD2的图像上得到了小轴1轴线与激光光条Ⅰ之间的角度α0、小轴2轴线与激光光条Ⅱ之间的角度β0。由于在CCD1和CCD2图像平面上的激光光条是由同一个线结构激光平面得到的, 彼此平行, 因此就得到了小轴1的轴线A与小轴2的轴线B在垂直于主轴的平面C上的投影之间的夹角γ0=180°-α0-β0。
在上述测量原理中, 借助公共光学基准的桥梁和纽带作用, 把大尺寸空间的两个小轴轴线的夹角测量问题, 简化为常规空间内每个小轴轴线与公共基准的夹角测量问题。
由此可知公共光学基准的重要作用, 如若没有公共光学基准而直接采用单CCD视觉测量, 则要求CCD的景深大于7m, 两个被测对象的像很难同时清晰, 同时为保证CCD具有足够的视野范围, 不得不以牺牲CCD的分辨力为代价, 欲实现准确测量极为困难。如若采用传统的多CCD视觉测量, 则需要在对相距7m之远的CCD之间进行严格现场标定基础上, 在大于7m的空间里进行复杂的坐标测量, 并且难以对现场环境中位姿随机的被测对象进行可移动式的实时测量。
激光束传播距离远、准直、漂移小且能量集中, 很适于作为大尺寸空间的光学基准。虽然在铅垂方向由于大气层的密度不同光束也会发生弯曲, 但在50m的范围内产生的倾角误差为0.2″, 通常可忽略不计。同时, 光束是没有实体体积和重量的, 从而易于以便携式的仪器实现大尺寸空间的非接触测量, 这显然十分必要, 因为此类测量通常是在大型装备的装配过程中进行, 甚至需根据测量结果指导装配, 而被测对象是笨重的大型装备或装备上的部件, 不可能将它们搬到仪器上进行测量。
2 公共光学基准的建立
公共光学基准包括单束基准和多束基准, 前者由一束线结构激光平面构成, 后者由一组平行的线结构激光平面构成。
在大型工程中, 常常要求在装备安装完毕后, 再调整检测它们的相对位置, 此时在两个被测几何元素间常伴有障碍物, 为此提出跨越障碍物建立公共光学基准的方法, 如图2所示。6和4分别是两个被测对象, 为了使光束越过障碍物5, 由激光器2发出的线结构光经光学器件1的分光镜面A1后, 一路透过分光镜面A1经反光镜B1投到被测对象6上, 另一路经分光镜面A1和反光镜A2、B2反射投到被测对象4上。这时, 投射到被测对象6与4的光束Ⅰ和Ⅱ是平行的, 可形成公共光学基准。
按照该方法, 即使由于现场安装等因素导致光学器件1和3不平行, 或入射光不垂直于器件1的入射面, 出射光束Ⅰ和Ⅱ也仍然是平行的, 从而有利于保证公共光学基准的精度。
3 测量系统设计
根据上述基于公共光学基准的测量方法, 针对以下工程问题开发了测量系统。
在机动的检测车上, 一个大型轴类工件表面的一端有一个圆孔, 在相距7m的工件表面另一端有两个沿主轴对称分布的V形钮, 要求测量圆孔中心线与两个V形钮公共轴线在垂直于工件轴线的投影面上的夹角。
测量系统主要包括提供公共光学基准的激光器、对被测对象进行图像采集的两个CCD摄像机、用于图像处理的软件系统。此外, 由于线结构激光无法在圆孔的表面形成激光光条, 而且在现实中不存在一个能体现两个V形钮公共轴线的实体, 因此建立两个标杆来分别体现两个V形钮的公共轴线以及圆孔的中心线, 同时为线结构激光提供接收载体。
位于检测车尾部的笔式半导体激光器发出线结构激光。所选用的基于鲍威尔透镜的激光器在光截面方向上, 如图3所示, 光强在相当大的扇角范围内呈平均分布, 而不是传统的高斯分布。并且, 即使该线结构激光的扇形中心不是正对着被测对象, 也依然如此。
由此可在相距甚远的两个被测对象上同时得到强度均匀、清晰稳定、边缘齐整的激光光条, 并可避免因光强过弱所导致的光条模糊和因光强过强所导致的光条散斑现象, 从而提高公共光学基准的精度。此外, 在图像处理中, 由轮廓提取而得到的光条边缘的方向就可作为光学基准的方向, 从而避免了对光条中心的复杂提取。
扇角为20°的便携式激光器发出扇形的光平面, 如图4所示, 分别在700mm远的标杆1和7m远的标杆2上形成激光光条EC1、C2F, 其中E点、C1点、F点对应激光中心的角度分别为9.7°、4.6°和5.7°。35mW激光器的焦距设定为3.5m, 各光条的宽度均在4mm以内。
在标杆的设计建立中, 使标杆尽可能精确地体现被测轴线或中心线, 以减少由此带来的转换误差, 提高测量的精度。
为体现两个V形钮的公共轴线, 如图5所示, 在标杆组件1上设计有一个V形槽, V形槽的两端由拱形架相连, 拱形架的一端固结一个平面标杆, 该平面标杆的中心线与V形槽的轴线同轴。工作时, V形槽跨置在两个V形钮上, 此时的平面标杆中心线可体现两个V形钮的公共轴线。为确保标杆中心线与V形槽的轴线同轴, 加工工艺采取先将标杆与工艺圆柱制成一体, 并保证标杆中心线与工艺圆柱同轴, 之后在圆柱与V形槽正确接触的情况下, 将标杆与拱形架固结, 再去掉标杆上的圆柱, 完成标杆组件1的整体加工。
为体现被测圆孔的中心线, 在建立标杆组件2时, 标杆组件上部的平面标杆中心线与其下部的安装轴同轴, 安装轴设计为可涨结构, 以保证工作时标杆的安装轴与被测圆孔的侧壁紧密接触, 这样, 不但平面标杆中心线能够可靠地体现圆孔中心线, 而且可以减小安装轴的直径误差对体现精度的影响, 同时也方便标杆的固定和拆卸。
为避免光条在平面标杆的正面与侧面交界处产生变向和不连贯, 影响光条的成像质量及测量的精度, 在轴的基础上加工平面标杆时, 如图6所示, 对轴进行纵切并使轴的端面剩余小半圆, 并以切削平面作为线结构激光的接受面。
通过两个分辨率为8μm的黑白面阵 (1/2) ″CCD摄像机, 分别对相距300mm的被测标杆及其激光光条进行图像拍摄。具有数字抗混叠特点的图像采集卡通过USB2.0接口, 与便携式计算机连接并实现图像传输。
图7所示的原始拍摄图像, 通过图像的预处理、分割、轮廓提取等环节后得到的目标轮廓为:线结构激光投射在平面标杆上所形成的封闭梯形轮廓, 如图8所示, 其中P1 (P2) 为特征点, 具有极值Xmax (Ymin) 。
通过图像跟踪, 在识别到梯形轮廓的特征点P1 (P2) 后, 以此为起点沿封闭轮廓搜索各点, 根据梯形轮廓的几何特点, 分别得到与标杆中心线平行的底边P1M1 (P2M2) 上的数据点, 以及斜边P1N1 (P2N2) 上的数据点, 进而由一元线性回归分析得到标杆中心线和光条直线的斜率以及它们的夹角。
4 应用测量实验结果
利用所开发的测量系统, 对相距7m的两个标杆的中心线之间的夹角γ进行了测量。
通过分别对标杆1与公共光学基准的夹角α及标杆2与公共光学基准的夹角β连续测量30次, 得到测量的标准差均为0.005°。故γ=180°-α-β的单次测量不重复性误差为
此外, 针对一个测量系统和被测对象进行三批次的重新安装, 并在每次安装后进行连续多次测量。实验表明, 由于测量系统的重新安装, 被测角度γ的测量平均值的变化范围为从85.725°到85.758°, 三批次测量平均值的标准差为0.019°。因此测量系统的安装误差为±0.057°。故得到测量系统的随机误差为
5 结论
(1) 通过在数米至十几米的大尺寸空间内建立公共光学基准, 结合视觉测量和计算机图像处理技术, 借助测量公共方向基准与各个几何元素之间的夹角, 可简便地实现对大尺寸空间的异面几何元素之间夹角的测量。
(2) 结合实例, 分析了建立单束公共基准、通过标杆体现被测元素并建立公共基准、跨越障碍物建立公共基准的方法。
(3) 按所提出的测量方法, 针对一个实际工程问题设计了测量系统, 并对相距7m的两条异面直线的空间夹角成功地进行了现场测量。测量具有可移动、便携、成本低, 适于现场测量的特点。
摘要：提出了基于公共光学基准的大尺寸空间的角度测量方法。通过在数米至十几米的大尺寸空间内建立公共光学基准, 结合视觉测量和计算机图像处理技术, 借助测量公共方向基准与各个几何元素之间的夹角, 可简便地实现对大尺寸空间的异面几何元素之间夹角的测量。分析了建立公共光学基准的方法。按照所提出的测量方法, 对相距7m的两条异面直线的空间夹角成功地进行了现场测量。
关键词：大尺寸空间,角度测量,公共基准,光学基准
参考文献
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空间光学相机 篇8
关键词：中国光学科学技术馆,光环境,展示空间,人工光
一、中国光学科学技术馆简介
长春中国光学科学技术馆展馆始建于2009年7月, 位于吉林省长春市净月开发区永顺路1666号, 东望风景秀丽的净月潭森林公园、西临吉林省孤儿学校、北靠超五星级喜来登酒店、毗邻吉林省科技馆、吉林省博物馆, 建筑规模2.6万平方米, 地下一层, 地上三层, 是吉林省科技文化中心的重要组成部分。长春中国光学科学技术馆、吉林省科技馆、吉林省博物馆, 三馆之间互相连通, 公用一个公共大厅。展馆以“科技之光, 引领未来”为展示主题, 馆内设七个主展厅、一个军工展厅和一个临时展厅, 以“普及光学知识, 培育科学思维, 提高科学素质, 增强自主创新”为宗旨, 将以新的形态新的内容, 建成全国首家、行业领先的光学专业主题科技馆。
二、光科馆人工光环境的构成
众所周知, 照明的最佳光源是太阳光, 太阳以可见的光谱提供光线, 千百年来, 人们的眼睛已经熟悉了这种光谱。但在“中国光学科学技术馆”的整体展示设计中, 采用的是无自然光源的照明展示方式, 所有的展示光源以及基本的照明光源均是人工光源。
1、光源
1) 荧光灯
荧光灯的工作原理是通过放电进而产生紫外线辐射, 然后再激发荧光粉而发光。主要分为传统型和无极型两种类型。传统型荧光灯也被称为低压汞灯, 这种等是利用低气压的汞蒸气通过放电过程, 辐射紫外线进而实现, 让荧光粉发射出可见光源。无极荧光灯与传统荧光灯极为不同, 灯泡中不存在灯丝和电极, 灯极存在于灯管的两端。其放电原理是运用灯泡中使用低气压汞蒸气与少量的惰性气体来实现的。无极荧光灯管的内侧表面涂抹有荧光粉层, 充分利用灯泡内的低气压汞蒸气, 通过放电的形式将约计60%的输入电能波长, 然后再转化为紫外辐射, 波长为253.7nm。紫外辐射是通过照射灯管内壁上的荧光粉涂层, 使荧光材料吸收到紫外线的能量, 这样有一些部分就可以转化为可见光被释放出来。荧光灯表现出线状的融合光线, 不适合在立体展品区域使用。在“中国光学科学技术馆”的照明体系中, 每个展厅的入口处灯光均为T5型荧光灯管, 在入口处设置T5灯管与展厅的基础色调相配合给人以明亮、舒适的观感。
2) LED
LED (Light Emitting Diode) 被称之为发光二极管, 它的主要结构为支架、晶片、金线、环氧树脂和银胶五种物质共同组成。LED灯利用电场和某种适当物质互相作用达到发光, 将电能快速而直接的转化为可见光的新型光源, 这种LED是一种新型的半导体光源, 发光时间长达100000小时, 寿命较长;能耗小, 发光效能高, 是一种节能光源;启动时间短, 反应时间为几十纳秒;LED是一种实心全固体结构, 结构牢固, 能够经受较强的冲击与震荡。
在当前绿色节能建筑不断发展的大背景下, LED光源具有光色饱满、无限混色、迅速切换、耐震、耐潮、冷温、超长寿、少维修、低功耗、体积小等优势, 在现代建筑化照明中发挥了不小的作用, 尤其是以对照明质量的非量化指标要求高为特征的场所。LED光源不仅能够满足常规照明质量量化指标所规定的照度等要求, 而且LED光源更是把建筑美学体现的淋漓尽致。在“中国光学科学技术馆”的照明体系中大量的使用了各种形式的LED光源。例如, 在光的时代展厅中, 为了配合整个展厅的基础色调——橙色, 墙面灯带及墙面固定灯盒所使用的都是暖色调的LED光源, 这种LED光源色调饱和度高, 使用寿命长, 可控性强, 发光效果符合展示空间的设计要求, 可以很好配合其他展示光源渲染出展示空间的意境, 能与展示空间很好的融合。而在千年光辉展厅中“光之名家”展项也使用了LED光源, 与光的时代展厅不同的是, “光之名家”展项所使用的是LED点光源, 在玻璃夹层中嵌入了蓝色的LED光点, 展项灯光开启后, LED光点有频率的闪烁, 使整个空间的氛围看起来更加的深邃, 这种LED光源对烘托展示空间氛围起到了重要的点睛之笔。
3) 光纤
光纤即光导纤维, 其工作原理是利用光在玻璃或塑料制成的纤维中全反射而达成的光传导工具, 是一种远程照明装置。优点是频带宽, 低损耗, 重量轻, 抗干扰的性能强, 且保真度高。光导纤维分为端面发光和侧面发光两种。在“中国光学科学技术馆”奇妙之光展厅中“天象剧场”展项的轮廓塑造用的就是侧面发光, 这种光纤点的发光对穹顶展项的点缀起到了重要的作用。但是光导纤维也有其不可避免的缺点, 光导纤维的缺点是价格昂贵, 不能广泛用于照明设计中, 并且比较脆弱, 不易弯曲, 易损坏。
2、照明方式
1) 顶棚照明:这是空间照明中最为基本的照明方式, 一般采用节能灯的形式。顶棚照明的光线柔和, 照明光源照度高。
2) 吸顶和嵌入式照明:该照明方式是将灯具参照相应的安装格式装置在展览展示空间的棚顶之上, 也可以镶嵌于带有吊顶的顶棚内, 这种照明方式要求空间的举架比较高或者具有一定的高度, 这样不会带给人一种压抑的心理感受。
3) 导轨投光式:这种照明方式可以安置在移动的轨道之上, 可以任意调整在轨道的安置位置, 非常方便, 这种照明方式可随时随地的更换所需要的光源, 是设计师们最为喜爱的一种照明方式。
4) 反射式照明:该照明方式通常采用白炽灯和荧光灯作为主要光源, 通常使用灯具或者建筑物将照明的光线隐藏掉, 利用光线的反射面透射到展览展示空间之中, 或者直接将光反射到展品上。运用这种方式反射出来的光不会出现炫目的情况, 光线十分柔和。
5) 展柜集成:这是陈列柜里的照明装置, 有时候在外部使用, 通常使用射灯作为主要光源。在具体安置时, 要注意将光源隐藏起来, 不能在展柜之中暴露出灯具, 影响整体的美观效果。
三、人工光环境的技术方法
展示空间中的光环境可以更好的辅助展示主题渲染空间氛围, 给予观众理想中的意向空间, 满足观众对展示空间所表达的需求以及美化视觉效果。这正是光环境设计在展示空间设计中的价值所在。运用科技并加以艺术加工, 再结合环境的各种其它元素, 从而设计出满足观众心理及展示主题的光环境环境空间。同时, 也要考虑到空间中光环境的照度、光的色彩及所使用的照明灯具方面的设计。
1、整体照明
整体照明是指整个展示场地的空间照明, 目的是为了照亮整个空间。通常, 采光性较好的建筑靠自然采光, 在自然采光较差的展示空间一般采用反光照明或者间接照明的方式。整体照明具有照度均匀, 光线的排布统一的特点, 可以为空间提供良好的整体照明效果, 使空间的氛围和谐、统一。在“中国光学科学技术馆”各展厅中无自然光的照明, 整体照明的光线柔和, 与展项照明无冲突, 一般展项亮度应为整体照明亮度的三倍, 它们直接的比例应3∶1为宜。在公共区域, 如走廊, 大部分采用玻璃幕墙式的自然采光, 采光效果好。
2、重点照明
通常情况下, 射灯作为重点照明所使用的照明灯具, 它比较灵活, 方便于位置和角度的移动、调动等处理, 可以根据设计或安装的实际情况需要变更其照射光束的亮度、光源位置和光源扩散度。此照明方式更加容易引起观众的注意力, 增加展品的品位塑造, 增加观众对于展品的欣赏和识记。这种重点照明方式可以与基础照明配合使用, 能够更加凸显展品所要表现的色彩色泽、材质和肌理等等。由于重点照明为一般基础照明的3至5倍, 所以在具体使用时, 要注意亮度的调节, 在不影响效果的前提下, 使光线对展品的损害值降为最低。
根据不同的展示对象和展品类型, 选择相互适应的重点照明方式:
1) 展柜照明
该照明方式是为了防止出现炫目现象, 增加观众的观看舒适度, 通常使用展柜顶部照明的方式, 在展品与光源之间设置模糊处理, 例如增加磨砂玻璃, 使得光源能够均匀的分布在其中。在展示过程中, 也存在一些展品对光源较为敏感, 这样可考虑在该光源装置上安装滤光片, 使光照的辐射调整在合适的范围。如果在展柜内安装的照明光源为白炽灯, 就会在展柜内聚集大量的热量, 这样会对展品造成损伤, 此时可考虑安装通风散热装置。
2) 展台照明
一般情况下, 工艺品、雕塑与造型丰富的展品都采用展台展柜等展示方式, 这样可突出展品的立体效果和光影效应。因为展品是一个立体形态, 在光源的照射下, 能够呈现出亮光区域、高光区域、背光区域赫尔投影区域。在光源角度不一样时, 会在展品上产生不一样的亮光、背光区域和阴影, 使得展品的立体形态也表现出不同的特色效果。
3) 墙体和展板照明
版面型展示是展馆类展示空间常见的展示方式。一般采用的照明光源为展品上方的射灯。当设置聚光效果为强时, 就会表现出较好的照明效果, 会大大降低了眩光问题的发生, 这种射灯一般会安置在吊顶的滑轨装置之上, 一般设置角度是30度左右, 保证理想的灯光照明效果。
3、装饰照明
“装饰照明也称氛围照明, 主要的作用是丰富室内空间的内容, 光有丰富的表现力, 可以增加室内空间的色彩和立体感。”[《安藤忠雄论建筑》【日】安藤忠雄.中国建筑工业出版社, 2003年]光线是可以产生亮度对比的, 对比越强烈, 越会产生明亮的效果;当灯光漫射时, 亮度则会变得很低, 就会获得较为平淡的气氛效果。通过这种明暗对比的照明设计, 可以增加视觉上的刺激, 提高观赏者的兴奋度。在展示空间光环境的设计中, 运用光影效果, 可以起到气氛照明的作用, 增加环境的装饰气氛。
在展示空间的设计中, 要十分注重装饰照明的应用, 只能渲染出艺术氛围和相应效果, 不可以在照明空间使用, 也不能在展柜中使用。光线在展示空间布置上, 要求体现出层次感, 要呈现出阴暗变化, 灯光渲染出材料色彩与表面质地等效果。同时, 光线具有流动的装饰性。一般在特定的展览展示空间之中, 还有在一些公共空间的墙面之上, 要塑造出丰富的色彩与动感, 让光营造出更加完美的动态艺术效果。
四、光赋予环境的心理寄托性及心理环境的塑造性
很多时候, 光可以理解作为一种文化, 是一种精神寄托, 光环境的变化牵引着人们心理情愫的变化, 这种对人的心理影响更甚于视觉对人产生的影响。情感是一种对客观事物的特殊表达, 是用以判断客观事物是否符合主观意识的复杂心理活动, 通过情感的载体, 可以达到主观的审美要求。人的感情是随着客观事物的存在而产生的, 这就是所谓的触“景”生“情”, 所以除了表现空间的力度和张力, 光在空间中也可以给人一种心理的暗示, 与展示空间进行着连接和对比, 所以设计师们利用光影、空间以及情感之间的联系传达感情、渲染空间氛围。
对于光环境的理解, 可以分为物质的和心理的两方面, 物质的可以是一个具体的物质形态, 比如商业展示、会展展示等实实在在存在的光空间都可以称作物质的光环境, 心理空间则是指光影环境对人的心理的影响, 是人的意识层面的东西。人与周围环境在不断地交流着, 作为人的创造性活动的展示空间, 空间的光环境要创造一种能激起、容纳观众情感的东西。在展示形式的各要素中, 光是最富有刺激性的视觉感官语言, 它善于表达强烈的个人情感和主观愿望。展示空间是一个真实存在的有限空间, 正是通过对展示场景内的光环境的勾画, 使得空间有了生动的情感、强烈的氛围和生命的延续。
五、结语
展示空间中的光环境设计是一个非常值得研究的课题, 光对于展示空间形态的塑造是现代环境艺术中极为重要的环节, 其在设计中虽然看似无形、最易被忽视, 但却是最不可忽视的重要元素之一。现在的展示空间除了要研究物质装饰之外还要研究整个空间的环境, 这些环境的因素对人的生理和心理感受都有很大的影响。本文通过对中国光学科学技术馆中光环境的分析, 阐述了光环境设计在展示空间设计中的重要性, 又简单阐述了在光环境的渲染下人的心理变化, 从而表明了光对人和环境的影响, 进而讲述光对空间的影响, 把光、空间、人三者串成一个互相联系的整体, 即光与人、光与空间、人与空间, 利用三者之间的联系来支撑整个理论框架, 体现设计中的可持续发展和以人为本的设计理念。
参考文献
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