大口径平面光学元件的全金属装夹方案设计

真空环境下大口径光学元件的装夹采用传统有机物无应力装夹方式会带来有机污染等各种问题。设计了一种大口径平面光学元件的夹具和装夹方案,利用金属结构直接装夹大口径平面光学元件,可在降低金属装夹框表面加工精度和光学元件处于任意倾斜角度等情况下,不产生光学元件装夹应力,同时避免了传统有机物无应力装夹而带来的有机污染。可广泛应用于大口径平面光学元件在光学工程、光学实验装置中的装夹。     

石英微机械陀螺抗高冲击能力的优化研究

石英微机械陀螺敏感芯片通常为一体式音叉结构,为实现特定的功能,常在芯片中设计开槽结构,开槽拐角处是应力集中的部位.在高冲击情况下,该部位的最大应力可能先达到石英晶体的屈服强度,导致芯片结构断裂损坏.通过在敏感芯片的开槽结构末端设计圆弧台阶结构,降低了该部位在高冲击环境下受到的最大应力,提高了敏感芯片的抗冲击性能.通过综合优化后,石英微机械陀螺的抗高冲击能力可达到10000g,并保持了较好的性能.     

光学载荷钢丝绳减震器的结构设计与分析

为了减小振动对大负载光学载荷在飞行过程中相机成像质量的影响，设计了一种新型向心结构的减震器。针对传统减振器的不足，提出了向心结构的设计方案，可以很好地将力进行解耦，通过在升降板上沿圆环均布的方式排列安装，有效避免了光学载荷内部发生碰撞。为了检验向心结构的减振效果，通过拉伸试验与有限元分析相结合的方式对光学载荷验证。结果表明，在120 kg负载下，整体结构最大变形为3 mm，最大应力为34.3 MPa，实际振型频率为9.81 Hz，均满足设计要求。     

瞬态温度变化对大口径光学元件的影响

温度瞬变是影响惯性约束聚变(ICF)驱动器中大口径光学元件结构稳定性的一个重要的激励因素.采用多通道高精度温度监测仪对原型装置中编组站大口径光学元件环境温度进行了24 h监测,得到了编组站光学元件环境温度24 h温度变化曲线;采用有限元分析软件建立了光学元件的有限元模型,把温度监测结果作为载荷,对光学元件进行了热结构耦合分析.分析得到了大口径光学元件面形在24 h内的变化曲线,光学元件环境温度24 h内最大变化范围为0.45 ℃,24 h光学元件最大转角变化为1.12 μrad.分析结果表明,光学元件转角最大变化已超过打靶对光学元件稳定性的要求,但通过调整打靶时间,缩短光路准直之后打靶的等待时间可有效提高打靶的成功率.     

加固液晶显示器高温环境下热应力探究

为了探究加固液晶屏高温下热应力影响,建立了基于ANSYS的液晶屏复合结构的有限元分析模型,模拟分析了二维模型等效应力和液晶层上边界Y方向应力的分布情况。仿真结果表明,当环境温度上升到70℃,胶层中气泡和裂纹附近会发生应力集中,液晶盒上边界也会发生相应位置Y方向应力集中。将三种光学胶实际测试的力学数据代入模型分析发现,光学胶的弹性模量和热膨胀系数越大,引起的应力集中也越明显。基于模拟分析,胶层中含有裂纹时液晶屏所受应力最大,因此加工中应避免胶层出现裂纹。在对液晶屏粘贴ITO玻璃时,应该选用弹性模量和线膨胀系数较小的光学胶。     

装夹方式及预紧力对透镜像差特性的影响规律

高精度光刻物镜中的光学透镜在自身重力以及装夹预紧力的作用下,面形会发生变化,从而会对光学系统各种像差造成影响。在考虑透镜自重的情况下,研究了镜片夹紧方式及夹紧力对其像差的影响规律。分别在镜片顶面和侧面施加2～6点均布、均匀载荷,且每种加载情况下夹紧力线性增大,通过有限元仿真计算出各种受力情况下的镜面变形;将变形量数据用66项标准Zernike多项式进行拟合,分析载荷均布点数以及载荷力大小对透镜像差的影响。分析结果表明:各种加载工况下透镜像差中的重要影响项皆为平移、离焦、球差和n-foil(n为均布载荷点数);重要影响项所对应Zernike多项式的系数变化与夹紧力变化呈线性关系。分析结果为补偿透镜像差提供了依据,并能指导像差校正的透镜设计。     

基于多特征组合的光学元件表面疵病检测

采用目前方法对光学元件表面疵病检测时,由于没有利用光谱原理技术来获取光学元件的表面图像,导致检测方法的检测精度低、图像清晰度低、准确率低和判别正确率低,因此,提出基于多特征组合的光学元件表面疵病检测方法.首先利用光谱原理获取光学元件表面的图像,再结合高斯平滑曲线进行去噪预处理,采用Plessey算法进行角点的提取和匹配完成图像的拼接融合,之后再进行疵病的特征提取,计算疵病所占面积,从而完成光学元件表面疵病检测.实验结果表明,所提方法的检测精度高、图像清晰度高、准确率高和判别正确率高.     

基于光学干涉法的光学元件表面粗糙度检测技术

为实现光学元件表面微小粗糙度的精准、详细检测,研究基于光学干涉法的光学元件表面粗糙度检测技术。该技术采用基于集成光学干涉成像技术对光学元件表面干涉成像,通过改进的Niblack二值化算法提取元件表面干涉图像条纹信息,并基于节点迭代的去毛刺方法细化处理干涉条纹,利用最小二乘方法拟合干涉条纹,获取最小二乘拟合直线得出评定基准,建立评定表面粗糙度的高度参数和间距参数的数学模型,完成粗糙度检测。测试结果显示:该技术干涉成像能力较强,生成的光学透镜元件干涉图像弧度与边缘较为清晰,可有效去除干涉条纹毛刺,检测光学元件表面粗糙度时的真正类率最大数值已达到1.0。     

某高过载干扰弹头结构强度仿真分析方法研究

针对某干扰弹头在高过载下结构易断裂问题,研究惯性释放和限制约束条件两种方法对弹头结构在高载荷下强度分析的差异性。本文基于ANSYS静力学模块,建立力学模型,根据某干扰弹头从发射到出炮口的运动状态,分别采用惯性释放和限制约束条件方法,对结构进行力学分析。研究结果表明:采用约束条件方法得到最大应力值为1160.7MPa,最大位移为1.156mm。采用惯性释放法得到的最大应力值为2617.2MPa,最大位移为0.632mm。且应力集中处的位置和大小有较大区别,越靠近约束面应力越集中。试验结果表明,惯性释放方法针对刚体运动的弹壳体承受高过载问题仿真结果更准确,分析方法更合理,符合实际情况。     

激光回馈双折射测量系统稳频技术研究

波片、晶体等自然双折射元件广泛应用于各种光学系统中。普通光学元件在加工、镀膜等过程中会引入残余的内应力,形成双折射。双折射会对整个光学系统的性能产生影响,需要对其进行精确测量。基于激光回馈效应,利用偏振跳变中光强调制曲线与双折射的线性关系,构建了光学元件双折射测量系统。通过引入稳频技术,使激光器长期稳定单纵模运转,增强了激光器的抗干扰能力,提高了系统的稳定性。实验结果表明,构建的激光回馈双折射测量系统测量精度优于0.24,重复测量最大偏差0.13,标准差0.06,稳定性好,可靠性高,可实现在线测量。该系统有潜力应用于微小应力的在线测量,如飞机座舱盖、汽车玻璃等。     

气密性陶瓷封装内热应力的ANSYS分析

采用有限元方法,运用ANSYS软件,分析计算了气密性陶瓷封装管壳内温度及热应力分布,比较了4种粘接剂对芯片温度及热应力分布的影响。热分析表明,芯片中心处温度最高,边角处最低;不同粘接剂都因为厚度较薄,对芯片温度的分布无较大影响。热应力分析表明,由于热分布不均匀,使芯片与粘接剂的接触处有较大的热应力,主要集中在粘接剂与芯片的下底面,此处也是最容易导致芯片脱落失效的部分。对比4种粘接剂的结果发现:采用H35作粘接剂时,应力峰值为17.0MPa,但芯片与粘接剂和底座之间的热应力较大;采用PbSnAg焊料作粘接剂时,应力峰值为41.9MPa,但芯片与粘接剂和底座之间的热应力较小。     

激光冲击强化AZ31镁合金表面残余应力分析

为了优选激光冲击工艺参量以获得最大的表面残余压应力,利用激光冲击和塑性变形理论推导出了激光冲击AZ31镁合金表面最大残余压应力公式,并采用ABAQUS有限元软件分析了其激光冲击后的残余应力场。结果表明,获得较大残余压应力场的激光冲击波载荷范围为1.2GPa~1.7GPa,随着载荷的增加,残余应力增加,当载荷在1.4GPa~1.6GPa时,最大残余压应力为125MPa左右;冲击载荷在1.8GPa时,出现轻微的残余应力洞现象;而在大于1.9GPa时,均出现明显的残余应力洞现象;载荷p=1.474GPa时最大残余应力为-128.5MPa。理论推导和有限元分析结果基本一致。     

以均匀设计法对SCSP器件工艺参数的优化

利用有限元法研究了堆叠芯片封装(SCSP)器件在封装工艺过程中的热应力分布。将工艺过程中的固化温度、升温速率等工艺参数作为优化变量,采用均匀设计方法对其进行了优化组合,并为后续的回归分析产生样本点。通过回归分析得出工艺参数与最大等效应力之间的回归方程,并将回归方程作为优化算法近似的数学模型。结果表明:最大等效应力出现在EMC固化工艺中,所以在固化阶段SCSP器件容易产生可靠性问题。通过优化,最大等效应力由222.4MPa下降到了169.0MPa。     

大口径精密光学元件低应力支撑结构研究

为了实现倾斜安装放置状态的大口径精密光学元件低应力支撑结构分析设计,采用有限元分析方法,对45°倾斜角安装放置的精密光学透镜在自重作用下的镜面面形进行了研究。首先,建立了光学透镜不同胶结结构的有限元模型,从镜面对角线横截面自重变形及镜面面形的波面误差两方面,分析了两种胶结分布方式及不同胶点大小对镜面面形的影响。然后,在胶结结构基础上,建立了不同镜框支撑结构有限元模型,从镜面面形的波面误差方面,分析了支撑力分布方式对镜面面形的影响。最后,设计了胶结及镜框支撑的低应力支撑结构。分析结果表明,采用胶点直径为30 mm,矩形分布形式胶结,侧面均匀方式支撑镜框时,镜面面形的波面误差PV值为16.608 nm,RMS值为7.9385 nm,满足瑞利判据的要求,验证了支撑结构的合理性。     

挠性光电印制电路板工艺光纤特性仿真与测试

挠性光电印制电路板(Flexible Electro-Optical Printed Circuit Board, FEOPCB)在高温层压制作过程中,埋入光纤会产生热应力,造成光纤损坏等缺陷,影响其可靠性和高速信号传输性能。为了降低FEOPCB弯曲半径并提升其可靠性,将在双面覆铜聚酰亚胺(PI)基板上设计制作高精度矩形光纤定位槽。首先建立有/无涂覆层光纤埋入挠性基板有限元仿真模型,对FEOPCB制造工艺进行模拟仿真,并对埋入光纤应力及影响因素进行分析。结果表明,有涂覆层光纤所受应力远小于无涂覆层光纤。针对有涂覆层光纤,采用激光刻蚀技术在双面覆铜PI基板上制作了高精度矩形定位槽,通过高温层压工艺完成了FEOPCB制作。FEOPCB完成了温度冲击、低温、高温、湿热和10万次弯曲疲劳可靠性试验,利用光学显微镜观察分析,埋入光纤无高温降解和破裂等缺陷。FEOPCB最小弯曲半径小至2 mm,弯曲损耗分别为0.57 dB (90°)和1.12 dB (180°),且相邻光纤之间无串扰,在850 nm波长条件下通信速率可达10 Gbps,误码率小于10^-16。     

Fabrication of low-stress low-stiffness leveraged cantilever beam for bistable mechanism

This paper presents the fabrication and application of a leveraged cantilever beam with low-stress and low-stiffness. This cantilever beam is overhanged with two free ends and suspended in air by the supporting torsion flexures fixed at its middle. The teeterboard-typed cantilever features a low-stiffness with 1.63 N/m, and a low-stress with ±6.27 MPa. The cantilever beam was prepared by a laminated photoresist sacrificial layer process (LPSLP), that is, a multilayered photoresist film for supporting the suspended cantilever beams. In this work, two main problems related to microfabrication process were discussed. One is the control of residual stress in permalloy cantilever with varying the contents of additive saccharin to minimize the deformation of the free end of the beams. The other is an improved wet release method to avoid the adhesion or stiction of the all metal microstructures. The proposed leveraged cantilever beam has a potential application on the bistable switching mechanism in single-pole-double-through (SPDT) latching relay fields. Switching between two stable states of the microbeam mechanism was successfully validated with WYKO NT1100 optical profiling system.     

某机载光电系统主镜的轻量化设计与分析

为了达到某新型机载光电系统的轻小型化要求,对共孔径组件中ΦΦ445 mm的主镜开展了轻量化设计。首先,对比分析了多种轻量化形式特点,确定了主镜材料和结构形式。然后,以主镜轻量化率和面形精度为目标,综合理论计算与有限元分析手段,对相关参数进行迭代优化,确定出镜厚为68 mm,面板厚度为6 mm,筋板厚度为4 mm,优化后轻量化率达62 %。接着,对主镜开展工程分析,在1 g重力作用下,单一主镜光轴竖直时RMS达1.13 nm,光轴水平时RMS达0.23 nm,冲击振动下最大局部应力为0.19 MPa,组件状态下主镜RMS达11.67 nm,各项指标均满足设计要求。最后,借助干涉仪对实物主镜进行光学检测,面形精度RMS实测值为15.19 nm,进而验证了轻量化设计分析的准确性。     

脉冲激光辐照金属板温度场应力场数值分析

为了研究脉冲激光加热金属板的温度场和应力场的特点,基于弹塑性力学理论,采用有限元分析方法,对脉冲激光扫描过程中金属板的温度场和应力场进行了3维数值模拟,得到了温度场与应力场在时间和空间上的分布和变化规律。结果表明,在脉冲激光扫描加热作用下,金属表面发生多次熔化和凝固,温度时间曲线呈锯齿形;重熔区域应力场变化剧烈,随间歇的激光脉冲发生强烈的拉-压应力波动;金属基体冷却后在重熔区域留有高值残余拉应力,纵向应力达799MPa,横向应力达700MPa。     

星载光谱仪光路切换组件振动特性仿真分析

为研究星载设备在复杂力学环境下的振动响应特性, 利用有限元分析软件对光谱仪光路切换组件进行仿真分 析。首先根据星上载荷的力学环境试验条件, 通过谱形参数计算方法建立星上载荷输入谱密度激励曲线图。随后, 对 光路切换组件进行模态分析和随机振动分析, 得到激励谱条件下组件的振动响应结果和最大等效应力。强度校核计 算结果显示组件安全裕度为 1.57, 满足刚度和强度要求。最后, 对整机振动进行试验验证, 验证结果显示组件结构完 好, 且光学性能比照试验结果显示振动前后, 三个通道的卤素灯图像的成像范围、光谱强度特性等基本一致, 光路切 换组件无异常变化, 验证了仿真分析的可靠性。