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。     

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。     

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。     

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。     

基于有限单元法和计算流体动力学的光机热集成仿真分析研究

使用计算流体动力学、传热学、固体弹性力学和光学的多物理场耦合集成仿真分析技术完成了红外热像仪中光机的热特性与热设计研究.采用有限单元法(Finite Element Method,FEM)和计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)得到了光机内部的温度场、应力变形分布及光学件面形...     

光致热效应的光机热集成分析方法

在光机热集成分析过程中,引入非序列光线追迹,分析复杂光源条件下光学系统内光致热效应,利用有限元分析方法求解光学元件温度场分布及表面面型变化,构建基于Zernike多项式的基底函数对梯度折射率场进行精确拟合,进而分析得到系统的光学性能。拟合过程中通过使用对Zernike多项式赋权值的方法避免了结果的非对称性。最后以大功率激光准直扩束镜为例,进行了系统的光机热集成分析,并给出分析结果,说明了该分析方法的有效性与通用性。     

KrF深紫外光刻投影物镜光机热集成分析与优化

提出了一种融合新型支撑方式与灵敏度分析的光机热集成分析与优化方法,用于设计超高精度深紫外光刻投影物镜系统。首先,采用轴向多点与周向三点胶接支撑相结合的新型支撑方式,实现了212.51 mm口径光学元件的超高精度定位要求。其次,通过对光学元件进行热力耦合分析,验证了光机系统的合理性。然后,在光机热集成分析条件下,分析了单个光学元件的灵敏度,以及全部光学元件表面变形对整体光学系统波像差均方根值和校准F-tan θ(F为焦距,θ为物方视场角)畸变的影响。最后,通过调整部分光学元件的灵敏度进行局部优化,并对整体光学系统的像质进行优化。结果表明：在热力耦合条件（参考温度为22.5℃、极限工作温度为±2.5℃、重力）下,光学元件的最大表面面型均方根（RMS）值为9.86 nm,能够满足超高精度定位要求。在光机热集成分析条件下（参考温度为22.5℃、极限工作温度为±2℃、重力）,优化后光学系统的波像差RMS值小于10.50 nm,校准F-tan θ畸变小于6.00 nm,相较于优化前,波像差RMS提升了46.98%,校准F-tan θ畸变提升了77.69%,达到了设计要求。     

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。     

基于热光学技术的空间光学系统热设计

为了验证空间光学系统热设计的合理性,利用光-机-热集成的热光学分析技术论证了空间光学系统的热设计方案。首先,阐述了热光学技术的一般方法以及热光学技术与热设计的关系,同时根据空间光学遥感器所处的空间环境和结构特点,应用被动和主动热控技术对空间光学系统进行了热设计。然后,利用有限元方法对热控后的温度场和热弹性变形进行了分析,得出该温度载荷条件下光学元件表面的变形量及刚体位移量,利用Zemike多项式进行了波面拟合。最后,用CodeV光学设计软件计算了热载荷作用下光学系统的传递函数。结果表明,各种工况下全视场范围内光学系统分辨率为50lp时,传递函数均超过0．5,成像良好,能够满足光学设计指标,热设计方案合理可行。     

空间光学遥感器控制器机电热一体化设计

根据空间电子设备机电热一体化设计思想,设计了高分辨率空间光学遥感器的控制器,以验证一体化设计的优势和效果。概括了空间电子设备的一体化设计流程。针对空间光学遥感器控制器的研制提出了相应的一体化设计原则。说明了控制器的各电路板和大功率元器件的设计方案。通过热、力学仿真分析和试验手段对设计方案进行了验证。结果表明:控制器元器件的最高壳温在51℃以内,整机的前三阶模态均高于100Hz。设计方案完全满足热控、刚度等设计指标要求。     

空间光学遥感器大功率控制电箱的热设计

根据空间应用电子设备的热控要求,对空间光学遥感器的控制电箱进行了热控设计。首先,总结了空间电子设备的热设计原则。针对空间光学遥感器控制电箱介绍了相应的热设计流程,对典型的大功率器件进行了温差推算,并说明了电箱的各电路板和大功率元器件的热设计方案。最后,通过热分析和热试验手段对热控电箱的热控方案进行了验证。试验结果表明：控制电箱的整机稳态工况热平衡温度小于30℃,各元器件的最高壳温在54.2℃以内。结果验证了该设计方案完全满足设计指标要求。     

Thermal imager primary design and analysis using PC based scientific spreadsheet

Effective primary design can avoid over-specification that will cause waste on cost. In this work, we propose a relatively simple procedure to rapid and reasonably write specifications, design systems and analyze requirements. The IR imager primary system design and analysis concepts adopt here are described. By using the primary design and analysis concept to cope with system performance models and PC based scientific spreadsheet to construct a mathematical software package which provides a costefficient, compliant solution to a design problem and predict thermal imager performance to an analysis problem. An illustrative example is presented to express more detail specifically due to the uncooled IR imager.     

空间相机电控机箱的热设计及仿真分析

为了保证空间相机电控机箱在轨运行期间的工作温度满足使用要求,根据电控机箱的结构特点和导热路径,对电控机箱内部大功耗电子元器件进行了详细热控设计,解决了某些电子元器件发热量大、导热路径较长的问题。以某个典型元器件为例,进行了散热效果估算。最后应用有限元分析软件IDEAS-TMG建立了详细的电控机箱热分析有限元模型,根据电控机箱所处温度边界条件进行了稳态仿真分析,给出了电控机箱整体的热响应性能、印制线路板（PCB）及板上大功耗电子元器件的稳态温度分布云图,结果显示,PCB的温度为40.6～51.1℃,板上大功耗电子元器件的结温为46.3～62.5℃,均满足热控设计的指标要求。热分析结果表明电控机箱热设计合理可行,能够满足使用要求。     

某空间光学遥感器的热分析和热设计

对某空间光学遥感器进行了热分析和热设计。分析其外热流,并根据其工作模式与热控要求,遵循"被动热控为主,主动热控为辅"的热控制策略,阐述了空间光学遥感器的热设计方法。通过热分析软件进行了计算机仿真,验证了热设计的正确性,其研究方法及结果对各类空间光学遥感器的热分析和热设计有一定的指导和借鉴作用。     

超小自聚焦光纤探头研究用场追迹数值模拟技术

研究场追迹数值模拟技术在超小自聚焦光纤探头设计与分析中的应用方法.首先,论述场追迹的概念及其基本原理;其次,论述场追迹在VirtualLab软件中的实现方法;最后,研究超小自聚焦光纤探头在基于场追迹的物理光学软件VirtualLab中的建模与分析方法,并进行仿真结果与实验结果的比较分析.结果显示,如设无芯光纤的长度为0.36 mm,自聚焦光纤透镜的长度分别为0.10,0.11和0.12 mm,计算所得的工作距离分别为0.75,0.63和0.51 mm,光斑尺寸分别为32,24和19 μm.理论计算结果与实验结果符合,表明基于场追迹的数值模拟技术是研究超小自聚焦光纤探头设计与分析方法的一个有效手段.