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.     

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。     

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。     

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。     

光机结构的轴向一致性可控方法研究

针对轴向预载随结构的热变形改变而导致光机系统特性失效的设计难点,提出了一种光机结构轴向一致性可控方法。建立光机结构的热效应模型,分析热变形与轴向预载的关系,通过与传统轴向压紧结构的热分析比较,设计了一种轴向预载与温度变形一致可控的挠性构件;对不同结构参数挠性构件的变形分析表明,所设计的挠性构件在温度变化时具有很高的轴向变形可控性;建立了轴向变形量Δδ与挠性构件参数的数学模型,给出具体结构参数的设计方法。将所研究的挠性构件引入星模拟器的结构设计中,实际测试结果表明光机系统具有很好的常温特性,验证了所提光机结构轴向一致性可控方法的有效性。     

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。     

空间相机波像差灵敏度及集成仿真方法

针对一种空间相机新型单杆主承力结构,采用波像差灵敏度模型和集成仿真分析两种方法,实现光机结构轻量化设计过程中的系统波像差评价,以保证在力学条件下的成像质量。所提出的波像差灵敏度方法能够基于波像差与失调量的线性关系进行构建,对于以相机成像质量为约束条件指导光机结构的优化设计具有重要意义。首先,基于光学系统的失调原理,推导了光学元件失调量与系统波像差的灵敏度模型。然后,采用有限元方法获取力学工况下的节点位移量,并基于最佳拟合（best-fit）方法计算主、次镜的失调量,对失调后的系统进行光学分析得到系统的波像差。最后,针对5 kg级空间光学相机,采用所提出的两种方法进行了建模与分析,并开展了相应的重力工况分析与试验。灵敏度分析方法相对于光机集成软件仿真方法误差为16.8%,所提出的方法能够应用于设计阶段对系统成像性能的快速评估。     

光机热集成方法的红外系统应用

红外光学系统在军事、航空航天、民用等领域应用越来越广,系统面临的外界环境复杂多变。只用光学分析软件来评估系统性能的传统方法不仅无法综合考虑不同材料间耦合影响,也不能较为准确地描述热物理梯度场,因此对结果的精确性分析略显不足,而光机热集成分析是综合多物理场作用的有效方法,涵盖了光学、机械、热学三个方向对系统性能的影响因素。通过研究Zernike多项式拟合算法,编制了学科间的数据转换程序,实现了分析模块间的数据传输,并在热不敏红外系统的设计过程中采用光机热集成分析方法得到高低温工况下的光学系统传递函数,为指导系统设计改进、提高系统性能提供了有力的理论依据。     

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Zemike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.     

Study on the thermal properties of doped PMMA systems

The thermal optical coefficient (TOC) and volume thermal expansion coefficient (TEC or β) of poly(methyl methacrylate) (PMMA) polymers doped with azobenzene dyes were investigated. A novel approach for determining the TEC has been suggested and a non‐linear variation in the TOC with increasing wt% of the dopant has been observed and tentatively explained. In addition, the refractive index (RI) contrast necessary for forming a waveguide was demonstrated to be easily achievable by adding a higher‐refractive‐index material to the blank polymer. Copyright © 2000 John Wiley & Sons, Ltd.     

利用热自散焦实现的激光限幅

本文详细研究了利用热自散焦效应实现的对连续激光的光限幅。给出了一个描述限幅器输出功率特性的解析表达式,实验和理论计算较好地符合。     

热氧化方法改善硅干法刻蚀波导的表面粗糙度

提出了一种热氧化的方法来改善干法刻蚀硅波导的表面质量.通过Suprem二维工艺模拟程序对氧化过程的物理模型进行了分析.用实验证实了该方法的可行性并与模拟结果进行了比较.实验中将硅波导的表面粗糙度由65.4nm降低到了8.8nm.另外讨论了分次氧化方法的利弊     

消热差红外镜头热光学特性分析

机械被动式消热差红外镜头的诞生解决了传统红外镜头在高低温下,由于温差原因产生不同的离焦量导致镜头成像质量下降的问题。本文以某款机械被动式消热差红外镜头为研究对象,对其进行了热光学特性分析。首先,在ANSYS中建立有限元模型,通过齐次坐标变化运用最小二乘法得出刚体位移。然后,通过Fringe Zernike多项式拟合得到面形变化。最后,在MATLAB平台下编写了基于施密特正交化法的接口程序,将37项Fringe Zernike系数导入到Zemax中进行分析。分析结果表明：在高低温时,由于补偿组的作用,镜头的轴向离焦量得到良好的补偿。高低温时镜片面形会发生变化,在低温时,镜头的成像质量略差于高温。镜头总体成像质量符合使用要求。     

光马达

介绍新型微型器件－光马达，重点介绍光热效应型光马达和光辐射压型光马达的各种类型和工作原理。     

电场辅助离子交换制备玻璃光波导

使用电场辅助离子交换和热离子交换技术在玻璃基片上制作了平板波导。实验结果表明,这两种方法制作的波导的有效折射率分布不同,电场辅助离子交换技术制作的波导有效折射率呈近似阶跃型分布,而热离子交换制作的波导有效折射率分布为渐变型。经数值计算发现,近似阶跃型折射率分布的波导对光场限制得更好,更适用于制作有源光器件和集成光器件。     

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。     

折反式远红外光学系统设计

针对红外搜索与跟踪系统在现代战争中体现出的优势和重要性,提出了一种折反式红外光学系统设计方法.在折反系统中,用同一种红外材料实现了像差特别是二级光谱的校正.该设计结果满足设定要求,可用于机载红外搜索与跟踪系统,并适用于像元尺寸为25μm的非致冷焦平面阵列探测器.     

用于大相对孔径红外镜头的衍射光学元件

将衍射光学元件应用于非制冷热像仪的大相对孔径红外镜头与传统设计相比,衍射光 学元件的引入,增强了此类镜头的色差校正能力,提高了镜头的成像质量,提高了镜头的透过率,减少了光学零件的数量,减轻了系统重量,为提高非制冷热像仪的性能奠定了坚实基础。本文在色差、成像质量、系统透过率与MRTD 方面比较了不同结构镜头的性能。     

光存储偶氮染料的热稳定性研究

利用热重分析 (TG)和示差量热扫描法 (DSC)研究了两种光存储偶氮染料的热稳定性 ,分析了材料的记录机理。偶氮染料的热分析研究结果表明 ,染料的热失重均发生在较窄的温度范围内 ,热重分析曲线陡斜 ,残渣少 ,有利于光记录信号的调制。研究结果表明 ,TG和 DSC是研究光存储记录介质的有力工具。