大口径热不敏星敏感器光机设计与分析

为满足大口径长焦距星敏感器的需求,对一种大口径热不敏星敏感器进行光机设计,根据指标要求,对热不敏系统进行光机热集成分析。使用MSC.Patran软件对主次镜结构施加温度载荷,计算出主次镜结构的热弹性变形,先利用MSC.Nastran软件计算热变形后节点的刚体位移,再利用Sigft光机接口软件分析得到变形后主次镜表面的Zernike多项式系数。将结果导入Zemax中,预判镜片面型变化以及刚体位移对弥散斑、光轴漂移量及波像差的影响。最后通过在20℃±5℃的温度范围内装调测试验证了系统性能满足指标要求以及光机热集成分析的准确性,提供了一套准确快捷的光机热集成分析流程。

轴对准测试系统光机热集成分析

轴对准测试系统是一种应用大口径平行光管法来测量光轴平行性的重要仪器,系统焦距为4800mm,口径为600mm。在测试过程中,由于焦距长、口径大,环境温度的变化引起的各元件的微小变形都会影响系统的成像质量及测试精度。因此,需要对该系统进行光机热集成分析。建立了轴对准测试系统的有限元分析模型,分析了稳态温度场、温度梯度场下系统的热变形,利用Zernike多项式对热变形后的镜面进行面型拟合,将拟合系数导入光学设计软件,得到不同温度变化下对轴对准测试系统的影响,通过实验验证了仿真结果的准确性。结果表明:稳态温度场下,在设计参数要求的温度范围内,光学系统波像差均小于λ/10(λ=632.8 nm),光轴平行性检测精度满足0.02 mrad;温度梯度场对系统影响更大,需将系统内外温差控制在±3℃内。

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。

光机热集成分析中镜面刚体位移分离

环境载荷引起的光机系统变形会严重影响光学系统性能。光机热集成分析是评估这种影响的有效手段。在光机热集成分析中,为减小光学系统刚体位移对变形后镜面拟合的影响,采用齐次坐标变换及最小二乘算法来分离光学镜面变形所包含的刚体位移。该方法首先用齐次坐标变换表示出变形数据中的刚体位移;其次利用最小二乘法求解刚体位移参数。利用该方法对一个低温环境下离轴抛物面镜进行了分析,其刚体偏转量都小到μrad量级。同时,对该方法求解刚体位移的精度进行了分析。当刚体偏转量小于0.01 rad求解误差小于1%,结果表明该方法满足光学镜面变形中的刚体位移求解精度要求。

分块式空间望远镜的光机热集成分析

高分辨率空间望远镜目前通常采用分块可展开主镜。对主镜进行有限元热分析获得的镜面变形数据无法直接输入光学设计软件进行像质评价,需要进行数据转换。传统的以拟合圆域正交Zernike多项式作为光机热集成分析的数据转换接口的方法不适于分析非圆孔径的分块镜。提出了采用二维插值算法进行数据转换,该方法不受光瞳形状和镜面空间频率的限制。用Matlab编制了光机热接口分析软件,分析了不同温度变化对空间望远镜分块镜成像质量的影响。仿真结果表明:热浸泡和径向热梯度对像质影响较小,而轴向热梯度对像质影响较大。

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。

航空相机物镜动态光机热分析与设计

环境温度动态变化时,物镜系统内部出现的温度梯度会导致镜片的折射率、厚度、曲率半径等参数出现非均匀变化,从而造成像质的下降。通过采用合理的温控方案,可以有效地减小物镜温度梯度以改善像质。本文利用光机热集成分析方法,针对一套完整航空相机物镜系统给定的动态温度环境,仿真了航空相机在飞机升空过程中物镜的温度场分布,并据此设计了温度控制方案,提取了相应的物镜面形。利用物镜面形的Zernike系数,得到了物镜系统的MTF以实现动态温度条件下的像质评价。结果表明,设计的温控方案可以有效地减小物镜系统径向和轴向的温度梯度,从而改善物镜性能以满足高分辨成像的要求。

某空间望远镜光机热集成分析

光机热集成分析技术是光学分析和结构分析相结合的一种有效手段。根据空间望远镜所处的环境,用有限元法在Ansys软件中进行热应力分析,通过接口工具Zernike多项式实现各个软件的数据交互。在VC++平台下编写了基于Gram-Schmidt正交化法的接口程序,将拟合后的多项式导入到Zemax中进行了分析。实现了光机集成分析的完整过程。实践证明,这一方法正确可靠,简化了光机热集成分析的过程,为光学系统和光机结构热匹配设计提供了重要设计依据。

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。

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。

光机热集成分析在高光谱成像仪紫外镜头中的应用

温度变化会影响紫外镜头各镜面面形和镜片间隔的变化,采用了光机热集成分析方法研究温度对紫外镜头成像质量的影响。论述光机热集成分析的基本流程和关键技术,采用Zernike多项式作为结构分析与光学分析之间的接口工具,在紫外镜头光学系统设计和机械结构设计的基础上,建立了紫外镜头的热-结构分析模型,得到各镜面面形和镜片间隔的变化结果,并将结果耦合到光学设计软件中进行像质分析。分析结果表明,在镜头的工作范围内,镜头的调制传递函数在12lp/mm处均在0.7左右,能满足高光谱成像光谱仪的使用要求,同时也为光谱仪最后整机分析提供了参考。

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。

Hα与白光望远镜的光机热一体化分析

为了实现对空间光机系统在复杂环境下光学性能的快速评估,介绍了光机热一体化分析方法的原理和流程,以及在该原理基础上研发的光机热分析软件的主要算法和功能,阐述了作为其关键部分的光机热数据接口问题。以Hα和白光望远镜(HWT)为例,计算出该望远镜在不同系统温度下的光机热一体化分析结果。给出的光学传递函数和波像差变化结果表明:在不同系统温度下,HWT望远镜光学性能将发生相应变化。当系统温度约为20℃时,系统性能最佳,其波像差约为λ/10。当系统温度在15～25℃之间时,系统波像差约优于λ/6。基于光机热一体化分析方法的原理,给出了适用于空间光机系统的一套可行的技术途径。

光机热综合分析在现代光学仪器设计中的应用

在现代光学系统的设计中,需要对系统的性能做出精确地预测.为了完成这一目标,必须站在系统的高度上进行热、结构响应对光学系统的影响分析.每一学科都有发展完善的软件解决本领域内出现的问题,各学科分析模块在形式、模型及分析机理上的一致性,使综合分析成为了可能.通过选定彼此间能实现数据交换的各学科分析软件,避免了人为地接口编程,解决了分析程序间的数据交换问题,实现了从结构设计到热环境分析、结构分析、光学分析,再到优化设计最后再把结果导入到结构设计中加以改进的光学系统的循环设计过程.

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。

一种用于光机热集成分析的新方法——干涉图插值法

Zernike多项式是光机热集成分析中实现光、机、热各分析软件之间数据传递的重要工具。许多光学元件表面形状并不满足Zernike多项式的正交性条件,使有限元分析不能精确拟合光学元件表面变形及变形产生的各项像差。讨论影响Zernike正交性的几个因素,详细介绍将有限元分析得到的光学表面变形数据导入光学分析软件的一种新方法——干涉图插值法。该方法避开Zernike多项式拟合,在去除镜面刚体位移后将镜面畸变精确地表示成干涉图数据,直接生成数据接口。

基于光机热集成分析法的红外成像系统热设计

由于红外成像光学的特殊性,温度是影响其成像质量的主要因素之一。针对一款红外成像系统,应用光机热集成分析法,就其在夏季室外工作环境下的成像质量展开综合分析,发现光机元件温度的梯度分布对系统引入无法校正的像差,降低系统成像质量。建立在仿真分析的基础上,本文有针对性地设计一种分布式散热系统,在降低系统整体温度的同时,使得光机元件的温度分布均匀化,提高其成像质量。

基于刚体运动完备方程的光机热集成分析方法

对于环境载荷恶劣、光学面变形复杂的光机系统,传统光机热集成分析方法的计算误差较大。提出了基于刚体运动完备方程的光机热集成分析方法,利用双立方样条插值法对光学面进行修正,然后建立光学面刚体运动完备方程,采用优化的求解方式分离光学镜面刚体运动,最后采用最小二乘方法求解Zernike多项式系数,实现对光学镜面弹性变形的表征。采用数值案例和工程案例验证了所提方法的有效性和正确性,定量分析了刚体运动方程、镜面修正方法、镜面点阵分布以及面形等关键因素对光机热分析结果的影响,结果表明,所提方法比传统方法更为精确地分离出光学面刚体运动和弹性变形量,且不依赖于光学面的解析方程,镜面变形的复杂程度对分析结果的影响较大。

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。

光功率热分析仪的温度校准方法研究

薄膜材料相变温度的准确测量是相变材料的应用关键。光功率热分析仪是基于薄膜材料相变前后光反射率发生突变的原理测量相变温度的新型仪器,采用真空红外加热方式达到相变温度。为了测量得到准确可靠的相变温度,通过对光功率热分析仪测量相变温度方式、标准热电偶原位校准仪器测温热电偶方法的研究,实现将相变温度溯源至SI单位,并且对在测温区间100~1 000℃内的温度进行了不确定度评定,得到校准拟合公式,相关系数为0.999 7。