光机热集成分析法在红外光学系统中的应用

论述了温度对红外光学系统成像质量的影响.论述了光机热集成分析方法的原理和技术方法,分析了红外光学系统在温度作用下的成像质量变化.首先建立光学系统的有限元模型,进行结构分析和热分析,将温度数据传递到结构分析模型进行热弹性分析.将镜间距离变化代入光学设计软件程序,分析光学系统在温度变化后的成像质量.通过光机热集成分析,对设计参数反复修改和优化,设计满足了系统的要求.     

离轴四反光学系统的多物理场耦合仿真

光机热仿真分析是预测光学系统光学性能及结构优化的有效手段，本文提出了一种基于有限元仿真分析软件COMSOL Multiphysics，耦合固体传热学、固体力学以及几何光学的多物理场耦合建模方法，实现了离轴四反光学系统的光机热一体化仿真，避免了传统的光机热仿真分析在不同软件间信息传递和转换的过程，提高了仿真的集成性。本文针对离轴四反光学系统构建其多物理场耦合仿真分析模型，分析了光学系统在不同温度条件下的结构变形和光学镜面变形，并通过光线追迹和点列图判断光学性能变化，为后续开展光学系统的优化提供了一种有效手段。     

透射式红外光学系统的光机热集成分析

利用有限元软件ANSYS建立了透射式红外光学系统的有限元模型,并对其进行热应力分析。以Zernike多项式为接口工具对变形后光学透镜的面形进行拟合,将得到的Zernike系数、透镜间隔的改变量和材料的折射率变化量代入光学设计软件ZEMAX中,分析变形后系统的光学性能。分析结果表明,温度改变使光学透镜的面形发生严重变化,并且使光学系统的像面产生漂移,导致系统的光学性能下降;光机热集成分析方法在红外光学系统中的应用,可以预测热环境对系统的光学性能的影响,为光机系统设计提供参考。     

红外镜头的热光学特性分析

考虑环境温度是红外光学系统成像质量的主要影响,需要对红外镜头进行热光学特性分析。阐述了利用齐次坐标变换去除镜面刚体位移的方法,以某红外镜头为例,用有限元软件ANSYS对红外镜头进行热应力分析,并去除镜面产生的刚体位移;对处理后的面形数据进行Zernike多项式拟合,将拟合后的结果代入ZEMAX进行光学性能分析。分析结果表明,热光学分析的方法可以模拟红外光学系统的实际使用条件,预测光机系统的光学性能,对进行光机系统设计具有重要的指导意义。     

红外窗口热变形对零位检测成像质量影响分析

针对一个双层红外窗口进行了完整地光机热集成分析,包括结构设计、结构有限元分析以及热光学特性分析。利用MSC Nastran和Hypermesh对光机结构系统在轴向温度梯度场下进行热弹性分析。分析可知双层红外窗口的最大位移形变量为1.01×10-1 mm,将有限元节点位移信息代入Zemax中,光学系统在9.0 lp/mm处最终的MTF依然在0.2左右,符合设计需求,验证了所设计使用的双层红外窗口的热光学适应性。     

基于小物镜系统的热像差影响因素分析

光机热集成分析是光机结构设计中的重要环节,对光学系统像质的预测与补偿有着重要的参考价值。针对小物镜系统,进行光机热集成分析,结果表明该系统产生的热像差较大,影响系统光学性能,其中温度升高导致折射率变化引入的系统热像差较大;结构热变形引入的系统热像差较小,可以忽略;镜片与支撑结构之间的导热、上下窗口的空气扰动、机械结构外表面的环境对流也会存在一定影响,但影响较小。由此可知系统热像差的主要影响因素是热载的大小,设计过程中减少透镜厚度及材料吸收率,降低系统热载,是减小光学系统热像差最为有效的途径。     

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。     

热像仪光机热集成分析综述

光机热集成分析不仅能够对红外成像系统在复杂环境下像质进行评价,而且能够在设计阶段对热像仪模型进行优化设计,从而节省研发时间,提高研究效率。本文介绍了光机热集成分析的基本原理,对该领域近年出现的光机热集成方法进行归纳总结与分析对比,指出目前光机热集成分析存在的缺点与不足,重点介绍了折射率梯度和光学胶对热像仪像质的影响,并对热像仪集成分析发展趋势做出展望。     

长焦距航空遥感器过载载荷下的光机集成分析

环境载荷引起的航空遥感器光机系统变形对遥感器的光学系统性能会产生严重的影响。为了评估这种影响,需要一种将结构分析和光学分析相结合的有效手段。利用光机集成分析方法,首先建立了长焦距航空遥感器的有限元模型并进行了静力学分析,针对整个航空遥感器系统分别给定航向、展向和法向的加速度载荷,仿真分析了航空遥感器在机载飞行中的变形情况,重点分析由环境载荷、支撑结构所导致的各光学元件的表面节点位移变化,并以Zernike多项式为接口拟合各光学元件的镜面变形,将计算出的拟合系数代入光学分析软件对遥感器系统进行光机集成分析,评估指定环境载荷对该遥感器结构的光学系统性能的影响。分析结果表明,该航空遥感器在过载情况下,遥感器整体系统工作状态的光学调制传递函数在空间频率为0~62.5 cycle/mm范围内不低于0.16,经光学核算满足成像要求。     

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。     

航空相机光学镜头被动消热一体化设计与验证分析

航空相机的使用环境温度变化范围较大,温度的变化会在相机光学镜头中产生温度梯度,影响相机成像质量。为保证相机光学系统的成像质量,需要对镜头在一定温度范围内进行消热设计。运用ZEMAX光学设计软件对某航空相机光学系统进行了热分析,并根据分析结果运用ANSYS软件实现了多片式、大视场角光学镜头被动式消热光机一体化设计,通过镜头内部补偿环节沿轴向的微位移改变镜间距,实现对光学系统不同温度下像质的补偿。同时,研制消热补偿试验件,采用一种高精度光学非接触式在线直接检测微位移的方法,精度达到±1 μm,完成了消热补偿试验件微位移测试。结果表明:不同温度下的微位移量与分析数据一致,最后通过对采用该消热一体化设计的实际航空镜头在不同温度下的像质检测,验证了该设计的有效性,镜头在各温况下性能良好。     

低轨道遥感相机光机热一体化分析及优化设计

低轨道卫星热环境复杂恶劣,对遥感相机光机结构的热性能提出了严格要求。本文提出了一种基于在轨温度场的光、机、热一体化仿真分析方法,以某低轨道卫星相机为例,分别采用Thermal Desktop、MSC Patran/Nastran、Code V构建热分析模型、结构有限元分析模型、光学分析模型,分析得出了相机单次成像时间内最极端工况下各反射镜的平移、倾斜及镜间距变化量等结构变形特性,计算了光学系统MTF的变化,并剖析了系统传函的主要影响因素。然后从主承力结构的结构参数出发进行了优化设计,优化结果表明主承力结构线胀系数在(5~5.5)×10－6时系统热特性最优,系统传函满足指标要求。     

LD端面泵浦的高重频Nd:YAG激光器的热效应研究

在LD端面泵浦的高重频Nd：YAG激光器的光泵浦过程中产生的热效应是影响激光输出特性和系统综合性能的重要因素。从热传导方程入手,利用有限元法求得激光晶体中温度稳态分布的数值解,同时对其热透镜效应进行了计算分析,在此基础上运用传播圆一变换圆的图解分析法进行热稳腔的分离参数设计以补偿热透镜效应。该研究为进一步优化激光器设计,提高激光输出的稳定性奠定了基础。     

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。     

90°离轴角红外滚仰式导引头光学系统

介绍了一种光机一体化结构的滚仰式红外导引头光学系统。光学系统的部分组件通过四块反射镜嵌入万向节支架,万向节支架由N360运动的滚转框架和90运动的俯仰框架组成,双框架结构进行滚仰式运动,使光学系统具有前半球的观察视场。光学系统为二次成像结构,由前组一次成像物镜、中继镜和后组倒像物镜三部分构成。由于导引头内部存在大的热梯度,前组需要单独消热差,而中继和后组共同消热差。利用热差互补原理的消热差设计方法获得各个透镜初始的光焦度,再由ZEMAX光学设计软件进行像差校正。分析结果表明,当环境热沉浸温度或热梯度温度从-40~80 ℃变化时,成像质量保持稳定,调制传递函数（MTF）接近衍射极限。光学系统满足光、机、热一体化设计要求。     

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.     

红外两档变倍光学系统设计

与连续变焦光学系统相比,红外两档变倍光学系统具有结构简单、成像质量好、装调容易等点,介绍了红外两档变倍光学系统的设计方法,并举例设计了一种方案合理、成像质量好的红外两档变倍光学系统,对光学系统的0视场、0.5视场、0.71视场、0.866视场和1视场成像质量进行了分析,给出了各个视场的分析结果,同时分析了温度变化对光学系统的影响,分析表明设计结果能够较好地满足实际工程需要.     

大型军用仓库通风机集成智能控制系统设计研究

通过大型军用仓库通风机集成智能控制系统的软件开发设计,提高离心通风机的集成智能控制能力,传统的控制系统采用X86架构的GNU开发工具进行控制系统集成设计,系统的多线程处理性能和控制精度不好。在嵌入式Linux内核驱动环境下进行系统的软件开发,进行大型军用仓库通风机集成智能控制系统软件模块的总体设计及功能指标分析,大型军用仓库通风机集成智能控制系统主要由进程管理、内存管理、文件系统、设备管理、网络系统等子系统组成。实现控制信息的采集、控制数据处理、控制输出和人机交互。以Linux2．6．32内核为平台,进行控制算法程序加载,采用Qt／Embedded 4．6创建控制系统在嵌入式设备上的图形用户接口,实现可视化控制,完成离心通风机集成智能控制程序的编译、安装,实现软件集成设计。系统调试和测试结果表明,采用该大型军用仓库通风机集成智能控制系统进行智能控制,输出误差较低,控制稳定性较好,面向对象性较优,并具有较好的控制品质。     

五棱镜扫描技术检测大口径平面镜的误差分析

五棱镜扫描检测具有结构简单、检测周期短等优点,可以实现大口径平面镜低阶像差的高精度检测,是指导大口径平面镜光学加工过程的一种有效途径。为使大口径平面镜检测系统中的五棱镜扫描技术更加完善,通过理论分析和计算模拟,对五棱镜检测系统中的主要误差源,包括五棱镜制造误差、温度梯度的影响、元件位置误差、光束定位误差、自准直仪测量误差等进行研究,形成了比较完善的误差分析的数理结果。计算结果表明,在当前实验室技术条件下,五棱镜扫描检测系统在单个测量点处的测量不确定度达到230 nrad,其中影响五棱镜检测系统测量精度的主要因素为自准直仪的测量精度与温度的影响。研究结果给出了工程实际中提高五棱镜扫描系统检测精度与减小测量误差的注意事项,并可用于指导系统设计时的误差分析及精度分配。