基于像散面约束的镜片柔性支撑结构优化设计方法

为提高高精度光机系统中光学元件支撑后的面形精度,在考虑冲击、振动、压力及温度等因素的影响下,设计了一种整体式多弹片定位的光学镜片支撑结构。在静力学条件下,通过有限元分析法计算整体结构的固有频率及支撑结构对镜片面形的影响,一阶固有频率达到366.13 Hz,镜片面形峰谷值为13.923 nm,均方根值为2.499 nm。基于像散面约束的条件,分析了支撑结构的变形对镜片面形的劣化程度,镜片面形峰谷值劣化至119.62 nm,均方根值劣化至20.69 nm。提出了一种镜片支撑结构的优化方法,构建高阶响应面近似模型以描述输入参数与响应值之间的函数关系,采用遗传算法寻优的优化方式提高镜片面形精度,镜片面形峰谷值改善率约18%,均方根值改善率约19%。实验检测对比优化结果,镜片面形峰谷值相对检测结果的偏差率约9%,均方根值相对检测结果的偏差率约12%,验证了优化设计可行性。研究结果可为高精度光机系统中光学元件支撑结构的设计及优化提供理论依据。

空间相机滤光片组件设计与动力学分析

为了实现多种光路通道控制用于某探月工程项目中的空间相机,设计滤光片组件。为保证空间相机安装在整机后能承受运输与火箭升空中苛刻的力学环境,需要对滤光片组件进行详细设计并进行力学评估,使其既有足够的抗力学刚度又可释放自由度,对传递到安装基板的能量进行衰减,实现在受到振动载荷时滤光片不会失效。通过有限元分析,检验滤光片组件面对模拟运输与火箭发射时产生的随机振动的响应,评估其抗力学能力是否满足设计指标的要求。结果表明:整机1阶模态达到216.71 Hz,在输入的功率谱密度下,光轴方向产生的响应放大倍数为5.1,非光轴方向低于2倍,最大的放大峰值未对滤光片产生结构性破坏,验证了所设计的滤光片组件结构能够适应运输与火箭发射时的力学环境。

利用失调量向量选择投影物镜小比例模型系统补偿量

光刻投影物镜小比例模型光学系统镜片数量较多,用每个补偿量去补偿对应失调量的传统装调方法对其不适用。利用灵敏度矩阵,并对其进行奇异值分解,对分解后的失调量向量的数值与符号进行分析,确定各失调量之间的相关性,提出了系统补偿量的选择方法,该方法仅需要分析少量向量即能选择补偿量的最佳组合。编写宏模块进行大量仿真计算,验证了补偿量敏感度与相关性分析的正确性。物镜系统初装完成后,对系统进行了仿真预装调,以确保补偿方案的可行性。实验结果表明,补偿后系统波像差均方根(RMS)值由70nm降低到29.6nm,优于技术指标要求,证明了提出的补偿量选择方法的正确性和有效性。

载人月球车转向传动机构的优化设计及分析

针对登月舱承载所限及月表地形复杂,要求载人月球车不仅机构简单且具备较小转弯半径,设计了一种载人月球车的转向传动机构。推导了机构内外轮转角数学模型,基于阿克曼转向原理建立其优化模型,通过优化得出转向梯形参数最优解。利用机械系统动态仿真软件ADAMS建立仿真模型,进行运动学仿真,验证了之前解析推导合理性,利用有限元分析软件ANSYS对关键杆件进行应力与变形的校核。

基于机械敏感度的光机结构优化

传统的光机结构设计流程中光学设计和机械结构设计相对独立。光学系统的机械结构设计者很难确定哪种支撑结构比较适合,难以实现机械结构的优化设计。利用机械敏感度直接建立机械结构加工装配误差与光学系统成像质量之间的关系,可以直观地描述机械结构误差对镜片的偏心、倾斜和间隔误差的影响,从而反映了对光学系统的成像质量的影响。结构设计者依据不同机械支撑结构的机械敏感度表来选择适用于该光学系统的最佳支撑结构,从而实现对物镜光机结构的优化。

利用面形精修技术去除投影物镜中的三叶像差

极小像差投影物镜中的高阶像差很难通过调节机构消除,是约束像质进一步补偿优化的瓶颈。离子束溅射(IBF)设备广泛应用于光学加工中,能够较好地去除低频和中频误差,实现高精度面形精修。对现有投影物镜小比例验证模型的系统波像差成分进行条纹泽尼克分析,发现存在很大的三叶像差。利用面形精修技术对物镜中的一个表面进行定量精修去除以补偿三叶像差。仿真与实验结果表明,三叶像差得到很好的控制,系统波像差由原来的29.6nm(RMS)减小到12.7 nm(RMS),成像质量得到进一步提升,验证了这种三叶像差补偿方法的正确性和可行性。