热像仪的光轴热稳定性仿真及拓扑优化研究

热成像仪由于工作环境较为恶劣,且自身发热量较大,容易导致热像仪光轴发生热偏移,严重影响其瞄准性能。为了提高红外热像仪的光轴热稳定性,以某型热像仪光轴敏感部件——折转镜为主要研究对象,研究其在不同环境温度条件下的光轴变化情况,并通过构建折转镜的有限元仿真模型以及试验测试系统,获得与试验数据一致性较好的有限元模型;以此为基础,采用基于变密度法的拓扑优化仿真技术,以刚度最大化为设计目标,以体积分数为约束,对折转镜座进行了拓扑优化设计。通过试验测试得出,优化设计的折转镜座的光轴高温偏移量由46.1″减小到25.5″,减小了44.7%,折转镜座的光轴低温偏移量由92.9″减小到51.0″,减小了45.1%,极大地提高了折转镜的光轴热稳定性。最后,将优化后的折转镜安装到某型热像仪中进行整机试验测试,热像仪整机的高温光轴偏移量由0.461 mrad减小到0.340 mrad,下降了26.2%,低温光轴偏移量由0.485 mrad减小到0.296 mrad,下降了39.0%,证明了仿真与拓扑优化模型的可行性与有效性,为后续红外热像仪整机的轻量化设计与性能提升奠定了基础。

光机热集成仿真在光学系统无热化设计中的应用研究

温度变化时,光学镜片参数的变化使得光学系统产生离焦,无热化设计就是为了补偿温度变化的影响,使得像面与探测器位置相匹配。常规的无热化设计主要考虑了温度对折射率的影响,而对于光机结构变形对光学元件位置、角偏、面型造成的影响考虑不足。完整分析了温度对光学系统的影响,较为全面地考虑了光学、结构的热效应,研究了基于光机热集成仿真技术的光学系统无热化设计方法,以一个卡式光学系统的被动无热化设计为例说明了该方法的有效性。

弹载光学系统复合材料支撑结构低热膨胀优化

为了减小弹载光学系统支撑结构在服役温度下的热膨胀变形,选用纤维方向热膨胀系数小、可设计性强、比重小的碳纤维复合材料代替钛合金作为支撑结构主体材料。首先测定复合材料沿纤维方向和垂直纤维方向的线热膨胀系数,并在此基础上建立复合材料层合结构热膨胀仿真分析方法,然后以轴向前端热膨胀变形量最小为目标、质量与基频为约束进行复合材料支撑结构优化设计,通过有限元数值仿真验证设计方法的有效性。结果表明:碳纤维复合材料支撑结构相较于钛合金支撑结构在50℃的均匀温升区间内轴向前端热膨胀变形减小87.8%,质量减小63.2%,基频提升了24.4%,满足了支撑结构对超低热膨胀、轻量化和动态特性的要求。

含酰胺单元聚酰亚胺薄膜的结构设计与制备

设计合成了一种含酰胺-酰亚胺结构和三氟甲基侧基的二酸,将其与4种含不同取代基的二胺单体通过一步缩聚法制备成一系列聚酰胺-酰亚胺(PAI)薄膜,研究分子链结构对PAI薄膜光学性能、尺寸稳定性、热稳定性、力学性能等的影响。结果表明:随着PAI结构中氟和酰胺单元含量的增加,PAI薄膜的透光率和尺寸稳定性得到提高,波长450 nm处的透光率均在79%以上,测试温度为50~300℃内的热膨胀系数为(22.99~33.79)×10^(-6)K^(-1);同时,分子链的刚性特征及酰胺单元的存在使PAI薄膜具有优异的力学性能,经过上万次弯折后,薄膜的拉伸强度平均值仍保持在77.1~93.6 MPa,弹性模量平均值为2.83~3.31 GPa,保持较高的力学性能。因此,通过引入三氟甲基和酰胺单元可制备出光学性能、尺寸稳定性、耐热稳定性及力学性能优异的PAI薄膜,该薄膜在柔性有机发光二极管、挠性覆铜板等领域具有广泛的应用潜力。

轻量化双目头戴夜视系统壳体结构可靠性设计

针对固态成像型头戴夜视系统大视场、轻量化需求,对双目头戴夜视系统进行了物镜和目镜光学系统及机械装配结构设计,选用高强型碳纤维环氧树脂作为夜视系统壳体材料,利用Solid Works仿真软件优化设计了一款夜视系统壳体结构,并对壳体在极寒和高热条件下的热稳定性进行了有限元分析。仿真实验结果表明,在-40和50℃两种极端温度情况下夜视系统壳体的热应力均小于材料的屈服强度,最大应变对光学系统成像质量、显示性能和机械结构造成的影响极为有限,从而验证了壳体结构良好的耐温性和可靠性。

空间光仪光机热集成分析方法

本文重点阐述了结构、热响应及光学的集成分析方法和过程，应用Ｚｅｒｎｉｋｅ多项式光机热各分析模块间数据接口的工具，进行各分析模块间数据的转换。以某空间相机为例进行了系统的集成分析。

空间遥感器的热/结构/光学分析研究

作为一个空间遥感器整机热光学 (热 /结构 /光学 )集成分析过程 ,对空间遥感器主要光机结构简化 ,进行导热特性分析和等效热阻计算 ;利用软件计算在轨道上典型工况的空间外热流和内热源分布 ;建立有限元温度场分析模型和结构热弹性分析模型 ,计算全机稳、瞬态温度场分布 ,均匀温变和特定温度场下的位移场 ,得到各光学元件的位移 ;利用光学分析程序计算的公差计算结果插值计算遥感器光学系统由于光学元件的热致刚体位移 (离轴、轴向位移和倾斜 )而产生的光学性能变化。

空间光学遥感器光机热集成分析技术综述

介绍了光机热集成分析技术的基本原理及其关键技术———数据传输技术的研究现状和最新进展。通过接口工具Zernike多项式进行数据传输的基本过程是:数据处理,即将有限元分析中得到的变形结果转换成基于弧矢坐标系或基于波前坐标系的数据形式;多项式拟合,即利用最小二乘法或Gram_Schmidt正交化方法进行拟合。提出了自动数据转换接口程序,它能够简化光机热集成分析的过程,可提高工作效率。

光机热集成分析中数据转换接口的研究

光机热集成分析中的数据转换接口是实现光、机、热各分析软件间数据有效传递的重要手段。Zernike多项式的优点决定了它作为各分析软件间的数据接口工具是非常方便和成熟的。以一种数据处理算法和最小二乘法为Zernike多项式拟合的基础,编制了数据转换接口,实现了分析模块间数据的转换,并在某空间遥感器主镜系统的光机热集成分析中得到应用。

基于集成分析法的光机热一体化设计

光机热一体化设计是改进空间光学仪器设计,优化系统总体设计参数的重要方法。集成分析法对设计方案综合性能的动态评估是一体化设计的核心,通过分析系统热光学性能,指导修改设计参数,实现系统光/机/热同步设计。以某空间光学仪器主镜系统的热控设计为例,介绍了这种方法在实际工程中的应用。

激光器光学系统光机热集成分析方法

论述了光机热集成分析方法原理及接口多项式,并将其应用于某激光器光学系统进行光机热集成分析。该分析方法首先对光学系统进行热分析、结构有限元分析计算,获取激光辐照下光学元件表面的结构变形;其次,对有限元计算的光学元件变形结果数据进行Zernike面形拟合处理;最后将变形后的光学表面导入到通用光学设计分析软件,分析激光器光学系统变形后产生的各类光学像差。结果表明:利用集成分析方法能够分析光学元件产生热变形对激光系统成像质量造成的影响,为光学系统设计提供参考。

空间光学遥感器光-机-热集成分析方法研究

首先对论文的工程背景空间太阳望远镜进行了介绍;然后介绍了空间光学遥感器光 机 热集成分析的技术路径和技术实现,技术实现主要探讨如何将透镜的折射率温度系数效应和反射镜面的热变形效应数据变成光学分析软件可以接受的数据;最后以光 机 热集成分析为基础,对空间太阳望远镜主镜的热设计方案进行了论证。全文说明了光 机 热集成分析的可实现性以及其对热设计的指导、评价和优化。

空间相机光机热集成设计分析及关键技术研究综述

指出空间相机应进行光机热集成设计分析的必要性,介绍了光机热集成设计分析典型流程。结合空间相机的研制特点,建立了具有针对性的光机热集成设计分析流程,阐明了集成分析的内容及优化设计的对象及具体内容,总结了集成设计分析需进行的相关验证试验。指出空间相机集成分析的两个关键技术是温度场插值技术或边界单元技术和Zernike多项式拟合技术,前者是热弹性分析中温度场作为边界条件向有限元模型加载的解决方法,后者是光机热数据接口的主要解决方法。最后总结了集成分析过程中需要注意和考虑的问题。

空间光学遥感器遮光罩结构方案选择

利用有限元工程分析技术对空间光学遥感器的遮光罩结构方案进行了选择。应用MSC.Patran/Nastran软件对遮光罩进行了模态分析,应用TMG软件对遮光罩进行了热分析。根据模态分析和热分析的结果对遮光罩材料的铺层方式、遮光罩的结构形式和遮光罩的长度进行了优选。结果表明,[-45°/90°/45°/0°]s交叉对称铺层方式、一条轴向筋和1mm厚度、200mm长度的四棱台式遮光罩的结构方案是合理可行的。其结果为遮光罩的结构设计提供了必要的指导。

非制冷焦平面红外热像仪光机热分析

非制冷红外热像仪在军事和民用领域具有广阔的应用前景。在空间或军事应用中,环境温度变化对系统成像质量影响很大。红外光学系统对温度变化非常敏感,温度的变化引起镜片间距的改变等,使系统产生离焦等热像差,从而使系统成像质量下降。利用光学设计软件Zemax的多重结构功能分析了红外光学系统在-20-60℃温度范围内的光学传递函数变化情况,结果表明系统的传递函数下降很小,满足设计指标的要求。

基于折/衍混合的机载红外光学系统设计

为实现机载红外光学系统大口径、长焦距、轻量化、高像质、非热敏化的技术要求,通过对反射式光学系统设计模型及其理论参数的研究分析,选取卡赛格林光学结构型式,提出一种基于折/衍混合的机载大口径长焦距非球面红外光学系统。经过初始结构计算,并利用ZEMAX软件进行优化,设计出一款焦距1200 mm、口径260 mm的折/衍混合红外光学系统,遮拦比18%,在空间频率10 lp/mm处,调制传递函数(MTF)达到0.45,接近衍射极限,全视场弥散斑控制在20μm以内,在-50^+70℃温度范围内实现非热敏化。该系统结构简单,由两个反射镜和一组透镜组成,设计结果满足各项任务指标,对机载红外光学系统的进一步研制具有重要意义。

再议军用热像瞄准具结构设计

介绍了军用热瞄具光学系统各光学元件,包括窗口、反射镜、透镜和总体机械结构设计、加工和装配要点;基于美国《红外与光电手册》设计中提出的原理和准则,给出了作者10余年的工程实践和经验。

一种长焦大变倍连续变焦光机组件结构设计及装调

介绍了一种基于长焦大变倍比连续变焦红外热像仪的结构设计及装调方法。可用于各类红外热像仪的变焦结构设计中,在保证图像清晰的前提下,能够明显改善连续变焦过程中的光轴晃动,提高红外热像仪的光轴一致性和光轴稳定性,控制焦距精度,降低红外热像仪装调难度。该结构采用双导轨配合步进电机组件化设计,相对于其他变焦结构的设计,该结构变焦过程中光轴一致性好,光轴晃动量小,通用性强。

空间外差拉曼光谱仪成像镜头光机热集成分析

便携式空间外差拉曼光谱仪集成了光学功能镜头、干涉仪组件,以及探测器和激光器等热辐射器件,因此仪器在使用过程中存在着较为复杂的热环境,环境温度变化导致光学系统性能下降。采用光机热集成分析方法,重点研究了环境温度及热辐射器件对关键器件成像镜头的性能影响。在便携式空间外差拉曼光谱仪光学和结构方案设计的基础上,建立热-结构耦合模型;仿真得到成像功能镜头内镜片的间距和面形的变化,并利用Zernike多项式拟合其变化;将拟合结果代入光学设计软件中进行成像质量评估和分析。结果表明,在使用环境温度(-10℃~40℃)范围内,调制传递函数在光谱仪截止频率76.9lp/mm处对比度均优于0.38,满足便携式空间外差拉曼光谱仪的使用要求。

耐高温无色透明聚酰亚胺的研究进展

聚酰亚胺(PI)以其优异的耐热稳定性、化学稳定性及介电性能,在航空航天、微电子、光电工程、液晶显示、分离膜等领域得到广泛应用。传统PI显示棕色或棕黄色,限制了其在光电工程领域的应用。因此,近年来发展耐高温无色透明PI备受关注。针对近年来国内外耐高温无色透明PI的研究现状,从分子结构设计出发,总结了耐高温无色透明PI的制备策略,包括引入强电负性基团、脂环结构、大取代基团、不对称和刚性非共平面结构,以及可聚合的无机纳米粒子等;并讨论了分子结构对PI的热稳定性、尺寸稳定性、光学性能、溶解性等的影响;最后对耐高温无色透明PI的发展趋势和应用前景进行了展望。