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。     

球面反射镜镜面热变形的数值分析

对热环境下球面反射镜的镜面热变形进行了数值模拟分析,应用光机热(TSO)集成分析方法,在对光机结构进行有限元分析的基础上,以Zernike多项式为接口工具拟合镜面变形,评估了环境载荷对光机系统光学性能的影响,最后还分析了硅橡胶层对光机系统结构应变能的吸收效用。     

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。     

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。     

光机系统分析方法

为了使光学仪器能在恶劣的环境下正常工作，需要对其进行详尽的工程分析。对光机系统的分析方法，包括传统分析方法、集成分析方法和统一分析方法进行了研究，说明了它们的工作原理及实现的具体步骤，分别列举了它们的优缺点。进一步指出在集成分析中热弹性分析需要解决的问题及Zernike多项式拟合中需要注意的问题，归纳了使用统一分析方法时需要特别注意的问题。在比较了3种方法优缺点的基础上，对光机分析方法进行了展望，得出集成分析方法在很长一段时间内将是光机系统分析的主要方法的结论。     

光学仪器 遥感、空间光学仪器

TP732006010780空间光学遥感器光机热集成分析技术综述=Review ofthermal-structural-optical integrated analysis of space re-mote sensor[刊,中]/杨怿(哈尔滨工业大学空间光学工程研究中心.黑龙江,哈尔滨(150001)),陈时锦…∥光学技术.—2005,31(6).—913-917,920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-…     

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76.9 lp/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12 lp/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。     

机载相机非球面光学系统热光学特性分析

环境温度是影响非球面光学系统成像质量的主要因素之一,采用热光学特性分析方法,对某机载相机非球面光学系统进行热光学特性分析,通过有限元法分析相机光学系统结构热变形,并去除镜面表面刚体位移,将面型数据输入光学软件程序进行Zernike多项式拟合,将拟合结果导入光学设计软件中,对非球面光学系统成像进行性能评价。分析结果表明:热光学特性分析方法可以有效地对非球面光学系统的实际工作环境进行仿真,预测环境温度对光学系统成像质量的影响,对光学系统设计具有指导意义。     

用Zernike多项式实现光机分析的技术方法

由于光学软件不能直接利用有限元分析的结果，而Zernike多项式的各项与光学像差有对应关系，因此常用Zernike多项式作为光机接口。针对目前常用轴向位移作为拟合量描述拟合面形的不足，给出了几种常用的表面位移校正方法并说明了其优缺点。用具体实例比较各校正位移，并对其进行Zernike多项式拟合，从拟合系数的差异可以看出,曲率比较大的表面必须采用校正位移进行拟合。最后指出：在不知道初始表面方程的情况下，轴向和法向校正位移均采用从初始表面出发的方法，如果已知初始表面方程，则轴向校正位移采用从变形表面出发的方法，法向校正位移仍采用从初始表面点出发进行计算。     

热环境下的R-C系统自动光机优化与补偿技术

为了模拟和评估热环境下光机系统的成像质量,已开发出了接口软件,可以将有限元软件热分析的结果拟合成Zernike多项式或以干涉图方式导入光学软件中进行像质分析。但上述接口软件不能满足高低温下光学成像的要求。为了解决以上问题,对R-C系统采用了自动光机优化的方法。首先以Isight为软件平台,将Solidworks,Ansys,Matlab和CodeⅤ集成起来,形成一套软件框架;然后提出不同条件下的优化策略;最后对R-C系统进行光学、材料和结构尺寸的优化。结果表明,在-40～60℃温度范围内获得了优良的像质。     

中波红外镜头光机热集成设计分析研究

基于光机热集成设计分析,设计了一种扩展中波红外定焦镜头光机系统(焦距f=60mm,工作波段2.5~5.3μm),在设计光学系统和光机结构时就充分的考虑了环境温度、系统热变形对光学性能的影响,建立了镜头组的有限元模型,并基于-40^+60℃的实际温度载荷展开了热力学分析,对热分析后各镜片的节点位移和面型变化通过Zernike多项式作为数据接口导入光学设计软件,给出了各典型温度值下镜头组的传递函数图。分析结果表明,在-40^+60℃区间红外镜头的各个视场成像质量良好,所设计的红外镜头结构可靠、简洁,能够满足设计和使用要求。     

光学窗口形变对平行光管光学性能影响分析

由于环境工况的多变性,光学窗口设计交叉了光、机、热等多种学科。在压差、轴向温差及径向温差工况下,分析光学窗口形变对某大口径、长焦距平行光管光学性能的影响,建立了光学窗口的有限元模型,与理论结果进行对比,验证了该有限元模型的有效性。以有限元分析得出的光学窗口变形数据为输入数据,带入改进了的Zernike多项式光机分析接口程序,获得了与像差对应的Zernike系数。用得到的Zernike系数表示光学窗口面型,以波像差作为光学系统成像质量评价指标,分析光学窗口变形对大口径、长焦距平行光管系统光学性能的影响。结果表明:光学窗口变形对平行光管系统光学性能的影响可以忽略不计。     

深空太阳天文台磁场望远镜主反射镜热分析

基于空间太阳望远镜已有的光机热集成研究,结合其运载轨道修改、观测视场扩大等因素的调整,获取了深空太阳天文台磁场望远镜主反射镜温度分布的定量结果.采用光机热集成分析法,结合主反射镜前期的支承方案,获取了主反射镜在装夹状态下的热变形定量描述.采用抛物面多项式和Zernike多项式拟合,获取了主反射镜表面热变均方差值大于λ/40(λ=533nm)的热控准确度,无法确保系统获取0.1″的高分辨率成像目标,验证了预研阶段热控方案的局限性.提出修改主反射镜正三角的机框式支撑为六点支撑的建议,为深空太阳天文台磁场望远镜热控准确度的提高、热控方案的优化提供技术参考.     

热环境下红外镜头面形变化对成像质量的影响

由于红外镜片材料的温度特性,环境温度的变化会对红外镜头的成像质量造成影响。为了研究不同温度场下镜片的应力状态以及镜面面形变化情况,利用光机热集成分析方法,运用有限元分析软件ANSYS WORKBENCH对设计的红外镜头进行了热结构耦合分析,从分析结果中得到了镜片等效压应力的大小。利用Zernike多项式拟合了变形后的镜面面形,将得到的Zernike系数导入到ZEMAX中建立了多重温度结构,分析了不同温度下镜面变形前与变形后的光学系统离焦量的变化量。结果表明,镜片在低温-40℃时受到较大的等效压应力,最大等效应力81.118MPa,小于材料的断裂强度345MPa;不同温度下由于镜片面形发生变化,导致红外光学系统成像质量以及离焦量发生改变。     

光电平台变焦镜头光机结构设计及热光学分析

针对光电对抗稳定平台中的变焦镜头进行了光机结构设计及热光学特性分析。根据30~120mm变焦要求采用凸轮机构进行结构设计。为确保工作在高低温环境下的光学系统获得高分辨率的目标图像,利用有限元方法分析了高低温环境下整机热变形与轴向温度场下变形位移,采用Zernike多项式对形变后的镜面进行拟合,带入Zemax软件分析出调制传递函数(MTF)、峰谷值(PV)、均方根(RMs)等评价函数随温度变化曲线,验证了光机设计的合理性。经过高低温可靠性实验对分析结果与变焦光学系统的温度适应性进行了验证。     

光学测试 光学测试理论

TB922006010672基于Zernike多项式进行波面拟合研究=Study on wave-front fitting using Zernike polynomials[刊,中]/张伟(哈尔滨工业大学空间光学工程研究中心.黑龙江,哈尔滨(150001)),刘剑峰…∥光学技术.—2005,31(5).—675-678基于Zernike多项式利用Householder变换法对不同空间频率径向误差和不同口径局部误差进行了拟合,得到了拟合误差的均方根(RMS)值,分析了Zernike多项式的局限性。结果表明,Zernike在拟合径向误差时,受到最大空间频率的限制;在拟合局部误差时要受到局部误差口径大小的限制,并且会引起额外的波动。图7参8(于晓…     

变焦红外双波段投影镜头的光机热分析

为了避免环境温度变化影响红外双波段目标模拟器的投影图像质量,对其变焦投影镜头进行了光机热分析。建立了变焦投影镜头的有限元分析模型,通过对非定常的热应力问题进行准静态处理,完成了有限元模型的热分析和静力学分析,并求解出整机随温度变化的位移云图。通过有限元数据转换算法将离散节点的坐标数据转化为矢高变形数据,利用Householder算法完成了基于Zernike多项式的镜面热变形拟合,并将拟合系数导入光学设计软件,得到了不同温度下变焦投影镜头的热分析结果。结果表明,当温度在10~30℃区间时,投影图像质量对整机的热变形不敏感。     

红外镜头的光机热集成分析研究

 为了使红外镜头能够在宽的温度范围内工作,在红外光学系统的设计时就要充分考虑热对光学性能的影响,并要进行光机热集成分析。论述了光机热集成分析方法及流程,并设计了一个焦距f=200 mm的冷光栏匹配的宽工作温度的红外镜头。建立了红外镜头的有限元模型并进行了热力学分析,对分析的镜面变形结果数据进行了处理,得到各镜片间隔和面形变化,代入光学软件得到了热环境对光学成像质量的影响。分析结果表明,对于-40℃~+60℃红外镜头的各个视场,16线对的调制传递函数都大于0.5,具有良好像质。所设计的红外镜头结构简单可行,能够满足设计要求。     

环扇形分块主镜的波面拟合及重构方法研究

用有限元分析获得了环扇形分块主镜的镜面热变形数据,分别用圆域Zernike多项式和环扇域Zernike多项式对其进行了波面拟合,比较了用两种多项式的拟合精度。基于哈特曼-夏克波前传感器对由环扇形镜面热变形引起的畸变波前进行了模式法重构,分析了用上述两种多项式重构时矩阵条件数和测量误差对重构精度的影响。