董得義，李志來，薛棟林，陳長征，張學(xué)軍

(中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033)

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重力對空間相機系統(tǒng)波像差影響的光機集成分析與驗證

董得義*，李志來，薛棟林，陳長征，張學(xué)軍

(中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033)

對空間離軸相機在重力載荷作用下的系統(tǒng)波像差變化進行了集成仿真分析，同時研究了分析結(jié)果的精度。介紹了集成仿真分析技術(shù)的基本流程和關(guān)鍵技術(shù)，對比分析了ZERNIKE多項式擬合法與形函數(shù)插值法兩種面形畸變轉(zhuǎn)換接口算法的優(yōu)劣。介紹了常用的兩種形函數(shù)構(gòu)造方法的基本原理，基于面積法構(gòu)造形函數(shù)得到了光學(xué)元件面形畸變的接口文件。最后，在相機的光機結(jié)構(gòu)裝調(diào)完畢后，對系統(tǒng)波像差在重力載荷作用下的變化進行了測試。測試結(jié)果表明，該空間相機3個視場系統(tǒng)波像差的變化量分別為0.029 8λ(-1視場)、0.019 4λ(0視場)、0.052 3λ(+1視場)，與分析結(jié)果基本吻合。3個視場分析結(jié)果的誤差分別為0.002 4λ(-1視場)、-0.000 9λ(0視場)、0.007λ(+1視場，)均小于0.01λ，滿足工程設(shè)計的要求，驗證了集成仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，通過集成分析技術(shù)定量得到了不同影響因素對系統(tǒng)波像差的影響，基于此優(yōu)化設(shè)計光機結(jié)構(gòu)，改善了重力對空間相機3個視場系統(tǒng)波像差的影響。

空間相機；波像差；光機集成分析；重力變形

*Correspondingauthor,E-mail:s200201029@163.com

1　引　言

在空間相機的設(shè)計中，地面環(huán)境與空間環(huán)境(簡稱：地空環(huán)境)的差異對空間相機成像質(zhì)量的影響較大。地空環(huán)境差異主要有微重力環(huán)境、電磁輻射環(huán)境以及空間熱環(huán)境。對于結(jié)構(gòu)設(shè)計，微重力環(huán)境下的自重釋放對空間相機成像質(zhì)量的影響是需首要解決的問題[1]。

所謂自重釋放是指空間相機在地面1g的重力場內(nèi)完成了加工、裝配和制造；入軌后，由于重力場幾乎為0，導(dǎo)致空間相機結(jié)構(gòu)件在地面重力場內(nèi)的變形出現(xiàn)了反彈，引起光學(xué)元件的面形發(fā)生畸變以及不同光學(xué)元件之間的相對位置發(fā)生了變化，這些變化會影響相機的成像質(zhì)量。

在方案設(shè)計階段，自重釋放對相機結(jié)構(gòu)件的影響，一般通過仿真分析的方法獲得，當(dāng)前的設(shè)計思路為：首先，采用光學(xué)設(shè)計軟件給出光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性公差指標(biāo)，然后對相機進行自重變形分析，將各光學(xué)元件面形畸變及相對位置變化分析結(jié)果與穩(wěn)定性公差指標(biāo)進行對比，若分析結(jié)果小于穩(wěn)定性公差指標(biāo)要求，且具有一定的安全裕度，則認(rèn)為方案滿足設(shè)計要求；反之，則需要對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化直到分析結(jié)果滿足指標(biāo)要求為止，通常將這種方法稱為指標(biāo)分配法[2]。

常用的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計軟件如CODEV和ZEMAX，都具有強大的分析功能，能夠針對光學(xué)系統(tǒng)中每個光學(xué)元件的變形量(包括面形畸變及相對位置變化)對成像質(zhì)量(MTF、波像差等)的影響進行靈敏度分析，再結(jié)合分配給系統(tǒng)穩(wěn)定性對MTF產(chǎn)生的影響量的指標(biāo)，就可以制定出光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性公差[3]。

在穩(wěn)定性公差指標(biāo)的制定過程中，空間相機的結(jié)構(gòu)特性如同一個黑匣子，不清楚哪些因素變化大，哪些因素變化小，這就要求制定出的穩(wěn)定性公差要包絡(luò)可能出現(xiàn)的最惡劣的情況，即使光學(xué)系統(tǒng)中每個光學(xué)元件的每個變化量都取穩(wěn)定性公差的允許變化量的上限進行耦合，其對光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量的影響都要滿足設(shè)計要求，這會導(dǎo)致采用這種方法制定的穩(wěn)定性公差指標(biāo)過于嚴(yán)格。

現(xiàn)實中，空間相機的結(jié)構(gòu)形式選定以后，每個影響因素都同時變化很大的可能性較小，常見的情況是，在所有影響因素中，大部分的影響因素都滿足設(shè)計指標(biāo)要求，而且都比設(shè)計指標(biāo)小很多，但個別的因素略大于設(shè)計要求，則這個方案是否可行很難判斷；其次，所有影響因素都滿足設(shè)計要求，但有多個因素的變化量已經(jīng)非常接近設(shè)計指標(biāo)了，那么這個方案的是否可行，這些問題都是指標(biāo)分配法無法回答的。光機集成仿真分析技術(shù)可解決這樣的問題。

光機集成分析與指標(biāo)分配法的思路相反，在光機集成分析中，相機的結(jié)構(gòu)形式是選定的，其在重力作用下的變化量可通過結(jié)構(gòu)分析獲得，只要把各光學(xué)元件的變形結(jié)果直接代入到光學(xué)設(shè)計軟件中，通過對比代入前后的光學(xué)性能指標(biāo)變化，就可以直接評價當(dāng)前設(shè)計方案在重力載荷作用下的變形量是否滿足設(shè)計要求。這種評價方式繞開了與穩(wěn)定性公差指標(biāo)的對比，更加直接、準(zhǔn)確和全面。

Sigfit商用集成仿真分析軟件的出現(xiàn)，標(biāo)志著集成仿真分析技術(shù)在國外從算法到應(yīng)用上都已非常成熟[4-7]。在國內(nèi)關(guān)于集成仿真分析的論文較多，但國內(nèi)的論文主要集中在接口程序算法的討論上，關(guān)于其在工程項目中的運用[8-9]和其分析結(jié)果的精度進行分析討論的論文較少。

本文以某空間離軸相機為例，對其在自重載荷作用下系統(tǒng)波像差的變化量進行了集成仿真，并在相機裝配完畢后，對重力導(dǎo)致的影響進行了測試，測試結(jié)果表明集成仿真分析結(jié)果的精度能夠滿足工程要求。

2　集成仿真分析技術(shù)

2.1基本流程與關(guān)鍵技術(shù)

空間光學(xué)相機的集成仿真技術(shù)通常是指光、機、熱3個學(xué)科的集成仿真分析，是以光學(xué)分析、熱分析和結(jié)構(gòu)分析的單學(xué)科計算為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，此學(xué)科計算結(jié)果可以作為另一學(xué)科的邊界約束條件，達到各學(xué)科的集成分析計算，其關(guān)系如圖1所示[10]。

圖1　集成分析流程Fig.1　Optomechnical analysis interaction

通過結(jié)構(gòu)分析軟件能夠得到空間相機在外載作用下，各光學(xué)元件的相對位置變化及面形畸變。相對位置變化移包括相對傾角變化和相對線量變化，這兩種變化屬于剛體位移變化，在光學(xué)分析軟件中可以直接將相對位置的變化量代入到光學(xué)設(shè)計模型中，從而評價相對位置變化量對光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響；光、機集成分析技術(shù)的主要難點是把光學(xué)元件面形畸變轉(zhuǎn)化成光學(xué)分析軟件可接受的數(shù)據(jù)文件。一種是采用ZERNIKE多項式擬合的方式獲得前37項ZERNIKE多項式的系數(shù)，并將該37項系數(shù)耦合到原始系統(tǒng)中，修正原始系統(tǒng)，得到變形后的系統(tǒng)，進而評估光學(xué)系統(tǒng)在外載荷作用下的性能[11-13]；另一種是采用形函數(shù)插值的方法[14]，獲得面形變形后的插值文件(.INT文件)，同理，可將該.INT文件代入原光學(xué)系統(tǒng)中，同樣可以對該面形的變化對光學(xué)系統(tǒng)的影響進行評價。

由于Zernike多項式在單位圓且連續(xù)的空間域上是正交的，在滿足正交性的條件下，Zernike多項式是有效的光機數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具；但在實際應(yīng)用中，TMA系統(tǒng)的反射鏡通常為長條形，而且通過有限元法得到的光學(xué)表面的變形數(shù)據(jù)都是離散的，研究表明，離散點的數(shù)量越大正交性越好，離散點數(shù)目越少，正交性越差[15-16]；這就導(dǎo)致了Zernike多項式的正交性非常差，而使擬合結(jié)果精度降低。

干涉圖插值法成功解決了上述問題，尤其是針對離軸三反系統(tǒng)的光機集成分析，已經(jīng)基本取代Zernike多項式擬合的方法，成為最主要的接口轉(zhuǎn)換工具。

2.2干涉圖插值法的基本原理

干涉圖插值法流程為：首先讀取有限元法計算得到的鏡面節(jié)點變形數(shù)據(jù)，進行坐標(biāo)變換，計算剛體位移，再根據(jù)公式對變形數(shù)據(jù)進行處理，將鏡面節(jié)點的變形結(jié)果由笛卡爾坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為基于表面法向坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)形式，然后根據(jù)不同的算法，通過柵格點附近的鏡面節(jié)點的變形數(shù)據(jù)對該柵格點進行插值，這樣就得到了類似于干涉圖數(shù)據(jù)的采用均勻柵格點描述的面形變化數(shù)據(jù)(.INT文件)。

形函數(shù)法[17]是目前實體插值領(lǐng)域最重要的一種算法，是有限元分析的重要基礎(chǔ)，具有以下性質(zhì)：

(1) Kronecker delta性質(zhì)：在結(jié)點上插值函數(shù)的值有：

(1)

(2) 歸一性：在單元中任一點各插值函數(shù)之和應(yīng)該等于1；

(3) 連續(xù)性：相鄰單元在公共邊界上的位移要具有連續(xù)性。

形函數(shù)的構(gòu)造方法通常有面積法和等參單元法。

a) 面積法構(gòu)造形函數(shù)

首先，采用Delaunay算法對鏡面節(jié)點進行三角剖分(Delaunay三角剖分(DT)是目前最為通用的全自動網(wǎng)格生成算法之一，它可以將平面內(nèi)離散點劃分為有限個三角形，并且保證運算收斂，然后對每一個三角形構(gòu)成一個線性插值單元(如圖2所示)，利用三個頂點的變形量采用形函數(shù)法，即可求出每個三角形區(qū)域內(nèi)每個柵格點的變形。

圖2　均勻網(wǎng)格點位于三角形單元內(nèi)部Fig.2　Uniform grid lies in triangle element

采用面積法構(gòu)造形函數(shù)的基本過程為：任取如圖3所示的平面三角形，節(jié)點逆時針分別為A(XA,YA)、B(XB,YB)、C(XC,YC)，任意待求點為P(XP,YP)，A、B、C點樣本值分別為UA、UB、UC，待求P點的值為UP，如圖3所示。

圖3　三角形單元的面積坐標(biāo)Fig.3　Area coordinates of triangle element

根據(jù)上圖ΔABP、ΔBCP、ΔCAP的面積分別為T1、T2、T3，有：

SΔABC=T1+T2+T3,

(2)

兩邊分別除以SΔABC，則：

(3)

可定義A點的相對面積變量SA為：

(4)

當(dāng)P點與A點重合，此時SA=1，當(dāng)P點與B、C點重合時，SA=0。同樣可以B、C點。因此三角形的形函數(shù)可以表示為：

UP=UASA+UBSB+UCSC,

(5)

式中:SB、SC分別為：

(6)

(7)

三角形的面積可以根據(jù)3個頂點的坐標(biāo)求出，以SΔABC的面積求解為例：

(8)

b)等參單元法構(gòu)造形函數(shù)

在等參單元法中通常要用到笛卡爾坐標(biāo)系和自然坐標(biāo)系。笛卡爾坐標(biāo)系用x,y,z表示，自然坐標(biāo)系用一組不超過1的無量綱參數(shù)r,s,t表示，邊界點分別對應(yīng)自然坐標(biāo)等于1或-1的點。等參單元法的基本思想是將笛卡爾坐標(biāo)系中不規(guī)矩的線段、平面多邊形、空間多面體轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的自然坐標(biāo)系上線段、平面多邊形、空間多面體，在自然坐標(biāo)系建立插值方程，實現(xiàn)在笛卡爾坐標(biāo)系中的插值方程。

c)兩種形函數(shù)構(gòu)造法的對比

采用面積法構(gòu)造形函數(shù)是針對三角形單元進行插值運算，而等參單元構(gòu)造形函數(shù)是針對四邊形單元進行插值運算。由于采用Delaunay算法可以由離散點生成三角形單元，因此在面積法構(gòu)造形函數(shù)進行的插值運算中，只需要結(jié)構(gòu)分析提供節(jié)點編號及每個節(jié)點的變形量；若采用等參元法構(gòu)造形函數(shù)，除提供節(jié)點編號及每個節(jié)點的變形量外，還要提供鏡面的單元信息；而且，在實際工作中，鏡面的單元類型一般都是三角形單元與四邊形單元混合出現(xiàn)的，因此，即使采用等參元法構(gòu)造形函數(shù)，在遇到三角形單元的局部區(qū)域，也要采用面積法構(gòu)造形函數(shù)，因此在實際應(yīng)用中，面積法構(gòu)造形函數(shù)更為方便。

2.3干涉圖插值法的誤差分析

與Zernike多項式擬合相比，干涉圖插值法避免了由于數(shù)據(jù)離散和光學(xué)表面形狀等因素導(dǎo)致的擬合誤差，適用于各種形狀的鏡面的面形分析，影響其精度的主要因素為[14]：

a) 計算剛體位移時的擬合誤差；

b) 數(shù)據(jù)處理引入的誤差；

c) 由有限元網(wǎng)格點插值到均勻干涉點處的插值誤差；

d) 干涉圖數(shù)據(jù)導(dǎo)入到光學(xué)軟件后，光線追跡時入射光線的入射點位置不能剛好為均勻柵格點位置，需再次插值，從而引入另一個插值誤差。

當(dāng)均勻柵格點的密度較高時，插值引入的誤差很小，能夠滿足大多數(shù)光學(xué)系統(tǒng)的集成分析要求。

3　光機集成分析

3.1空間相機設(shè)計方案介紹

某空間相機采用離軸三反TMA[18]、無中心遮攔、無中間像的光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)包括主鏡、次鏡和三鏡等，為了使光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計更為緊湊，在像面和三鏡之間加入平面反射鏡，起到折疊光路作用。

光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，除次鏡的鏡面為圓形外，主、三鏡都為長條形。

圖5　離軸三反光學(xué)系統(tǒng)Fig.5　Configuration of off-axial TMA optical system

圖6　結(jié)構(gòu)設(shè)計方案Fig.6　Layout of structure design

相機的光機結(jié)構(gòu)如圖6所示。有限元模型如圖7所示。

圖7　有限元模型Fig.7　Finite element model of camera

坐標(biāo)系定義：X向為相機在裝調(diào)過程中的重力方向，Z向為光軸方向，Y向由右手定則確定；坐標(biāo)原點為次鏡鏡面中心，如圖8所示。

圖8　坐標(biāo)變換后兩套模型的空間關(guān)系Fig.8　Space relation between the two model after coordinate transformation

相機狀態(tài)定義，相機在自重變形測試試驗中，主要有0°狀態(tài)和180°狀態(tài)。在0°狀態(tài)下相機受+x向重力；在180°狀態(tài)下相機受-x向重力，由于兩個狀態(tài)中，相機結(jié)構(gòu)受到的重力大小相等，方向相反，因此，相機在地面翻轉(zhuǎn)180°試驗中，要考慮各光學(xué)元件之間2倍地面重力引入的變形[12]。

3.2集成分析

1)坐標(biāo)變換

將Patran有限元模型的坐標(biāo)系調(diào)整成與CODEV光學(xué)模型的坐標(biāo)系一致(包括：坐標(biāo)軸方向的定義及坐標(biāo)原點位置的定義)，經(jīng)坐標(biāo)變換后，有限元模型與光學(xué)系統(tǒng)模型在同一坐標(biāo)系內(nèi)能完全重合，如圖8所示。

2)結(jié)構(gòu)仿真分析計算

采用結(jié)構(gòu)仿真分析軟件MSC.Patran/Nastran計算結(jié)構(gòu)在-x向2倍自重載荷作用下的變形，分析結(jié)果如表1所示，空間相機位移變形云如圖9所示。

表1　自重變形分析結(jié)果

圖9　自重載荷位移變形云圖Fig.9　Displacement plot of gravity deformation

3)集成分析

集成仿真分析應(yīng)分步進行，這樣可以得到每一個影響因素的變化量對系統(tǒng)波像差的定量的影響，分析結(jié)果如表2所示。

表2　分步集成分析結(jié)果

4)分析結(jié)果總結(jié)

通過分步集成的分析結(jié)果，對每個光學(xué)元件的每個變形量對系統(tǒng)波像差的影響進行了定量的分析。

a) 主鏡鏡面的面形變化對2個邊緣視場系統(tǒng)波像差的影響最大都超過了0.02λ，對中心視場的影響較小；

b) 次鏡相對于主鏡相對位置的變化對+1視場與中心視場系統(tǒng)波像差的影響都超過了0.01λ，對-1視場的影響較??；

c) 次鏡面形變化對系統(tǒng)波像差影響較小，可忽略不計；

d) 三鏡面形及相對位置變化都對系統(tǒng)波像差的影響都接遠(yuǎn)小于0.01λ，可忽略不計；

e) 主鏡鏡面的面形變化對系統(tǒng)波像差的影響最大，次鏡相對于主鏡的剛體位移次之，三鏡的影響可忽略。

4　試驗測試與對比分析

4.1試驗測試

在空間相機光學(xué)鏡頭與框架集成完畢后，為了檢測重力對相機成像質(zhì)量的影響，對相機鏡頭進行了翻轉(zhuǎn)試驗[19]，翻轉(zhuǎn)試驗的過程為：1)測試相機在0°狀態(tài)下3個視場的系統(tǒng)波像差；2)將相機繞光軸旋轉(zhuǎn)180°，測試相機在180°狀態(tài)下3個視場系統(tǒng)的波像差。

兩種狀態(tài)下，空間相機3個視場系統(tǒng)波像差檢測結(jié)果對比如圖10～12所示。

(a)0°　　　　　　　　　(b)180°圖10　0視場檢測結(jié)果Fig.10　Test result of 0 field of view

(a)0°　　　　　　　　　(b)180°圖11　-1視場檢測結(jié)果Fig.11　Test result of -1 field of view

(a)0°　　　　　　　　　(b)180°圖12　+1視場檢測結(jié)果Fig.12　Test results of +1 field of view

3個視場系統(tǒng)波像差在翻轉(zhuǎn)180°前后檢測結(jié)果如表3所示。

表3　檢測結(jié)果統(tǒng)計

由表3可知，+1視場系統(tǒng)波像差變化最大，達到了0.052 3λ，遠(yuǎn)超過設(shè)計指標(biāo)小于0.01λ的要求；-1視場系統(tǒng)波像差變化量也遠(yuǎn)大于設(shè)計指標(biāo)的要求，接近0.03λ；中心視場變化量最小，但也不滿足設(shè)計指標(biāo)的要求；對比+1視場與-1視場的檢測結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的變化具有明顯的不對稱性，+1視場的變化量遠(yuǎn)大于-1視場的變化量。

4.2對比分析

3個視場系統(tǒng)波像差在翻轉(zhuǎn)前后變化量的分析結(jié)果與測試結(jié)果對比如表4所示。

表4　分析結(jié)果與測試結(jié)果的對比

3個視場變化量分析結(jié)果與測試結(jié)果的最大誤差為0.007λ，小于0.01λ，能夠滿足工程設(shè)計對分析精度的要求；

3個視場變化量的分析結(jié)果也體現(xiàn)除了+1視場變化量最大，中心視場變化量最小的特征，在分布趨勢上也與實測結(jié)果吻合；

5　優(yōu)化設(shè)計與驗證

分步集成的分析結(jié)果表明，導(dǎo)致空間相機在重力載荷作用下，系統(tǒng)波像差變差的主要因素為主鏡鏡面的面形變化和次鏡相對于主鏡的剛體位移變化，這為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計明確了方向。首先，對主鏡組件的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，主要調(diào)整了鏡體的結(jié)構(gòu)參數(shù)、優(yōu)化了鏡體輕量化孔的形狀以及支撐點的數(shù)量和位置，優(yōu)化后，主鏡組件自身在重力載荷作用下的面形變化從22 nm減小到12 nm；其次，對相機的主支撐結(jié)構(gòu)也進行了優(yōu)化設(shè)計，針對相機裝調(diào)方向重力的加載方向，主要調(diào)整了支撐框架結(jié)構(gòu)橫向的抗彎剛度，經(jīng)過對主框架的優(yōu)化設(shè)計，次鏡相對于主鏡的傾角變化從12.6″減小到8.3″；優(yōu)化設(shè)計后，主鏡以及次鏡對系統(tǒng)波像差的影響的到了明顯的改善，與優(yōu)化前影響量的分析結(jié)果對比如表5所示。

表5　優(yōu)化前后分析結(jié)果的對比

經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后，主鏡與次鏡對系統(tǒng)波像差的影響得到了明顯的改善，整個系統(tǒng)在重力載荷作用下，3個視場系統(tǒng)波像差的變化量也都小于0.01λ，能夠滿足設(shè)計指標(biāo)的要求。

新的光機結(jié)構(gòu)裝調(diào)完畢后，也進行了翻轉(zhuǎn)180°的試驗，試驗結(jié)果如表6所示。

表6　優(yōu)化設(shè)計后測試結(jié)果

試驗結(jié)果表明：經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，空間相機在重力載荷作用下，系統(tǒng)波像差變化量測試結(jié)果的變化量都小于0.01λ，與分析結(jié)果基本吻合。證明了通過光機集成分析方法對問題原因的定位準(zhǔn)確，制定的改進措施有效，從而進一步驗證了集成分析方法的準(zhǔn)確性。

6　結(jié)　論

本文首先對光機集成仿真分析中的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，針對反射鏡為長條形以及有限元模型中鏡面結(jié)點離散性較強的特點，提出了干涉圖插值法是TMA空間相機進行光機集成分析中接口轉(zhuǎn)換工具的首選。

其次，采用光機集成仿真分析技術(shù)對某空間TMA相機在重力載荷作用下，系統(tǒng)波像差的變化量進行了仿真分析，通過分步集成，得到了每個影響因素對系統(tǒng)波像差的定量的影響。并在相機裝調(diào)完畢后，對重力導(dǎo)致系統(tǒng)波像差的變化進行了試驗測試，測試結(jié)果表明：3個視場系統(tǒng)波像差變化量的誤差分別為0.002 4λ(-1視場)、-0.000 9λ(0視場)、0.007λ(+1視場)都小于0.01λ，能夠滿足工程設(shè)計的要求，驗證了集成仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

最后，根據(jù)分步集成分析中確定的主要因素，對主鏡組件的結(jié)構(gòu)以及支撐框架的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計后的試驗結(jié)果表明：集成仿真分析技術(shù)對問題的定位準(zhǔn)確，提出的優(yōu)化措施有效，很好的解決了原始結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的問題。

本文通過工程實例驗證了光機集成仿真分析技術(shù)的準(zhǔn)確性，以及與指標(biāo)分配法相比在實際應(yīng)用中的優(yōu)越性，尤其是針對未來指標(biāo)更嚴(yán)、公差較小的長焦距、大口徑的光學(xué)系統(tǒng)，集成仿真分析將會取代指標(biāo)分配法成為工程分析中的主流。

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董得義(1979-)，男，天津人，博士，副研究員，2002年、2005年于北京工業(yè)大學(xué)分別獲學(xué)士、碩士學(xué)位，2012年于中科院長春光學(xué)精密機械與物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事空間光學(xué)遙感器有限元分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、力學(xué)試驗等方面的研究工作。E-mail: s200201029@163.com

李志來(1965-)，男，漢族，吉林鎮(zhèn)賚人，研究員，1986年于吉林工學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事空間光學(xué)遙感器結(jié)構(gòu)技術(shù)及精密機械方面的研究。Email: lizl2004@sohu.com

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Integrated optomechanical analysis and experiments for influence of gravity on wavefront aberration of space camera

DONG De-yi，LI Zhi-lai，Xue Dong-lin，CHEN Chang-zheng，ZHANG Xue-jun

(ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China)

The variation of the wavefront aberrations of a Three-mirror Anastigmat(TMA) space camera under gravity was analyzed by integrated analysis method and the analytical accuracy was discussed. The basic process and key technology of the integrated analysis method were introduced, two kinds of surface distortion conversion interface algorithm (ZERNIKE polynomial fitting method and shape function interpolation method) were compared. Then, the principles of two kinds of shape functions were introduced, and the interface file of the optical element surface distortion was obtained by the area coordinate method. Finally, the variations of wavefront aberrations in gravity load were tested after the camera alignment was completed. Test results show that the variations of the wavefront aberrations of the three fields of view are respectively: 0.029 8λ(-1), 0.019 4λ(0), and 0.052 3λ(+1), which are agreement with that of the analysis results. The errors of the analysis results of the three fields of view are respectively 0.002 4λ(-1), -0.000 9λ(0), 0.007λ(+1), all less than 0.01λ, meet the requirements of engineering and verify the correction of the integrated analysis method. Meanwhile, the quantitative effects of each factor on the system wavefront aberrations were obtained by the integrated analysis method. On the basis of the optimization design with the integrated analysis method, the influences of gravity on wavefront aberrations of the three fields of view of the space camera is significantly improved.

space camera; wavefront aberrations; integrated optomechnical analysis; gravity deformation

2015-12-11；

2016-01-20.

國家863高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目(No.2009AA7020107)；

1004-924X(2016)08-1917-10

V447.3；TP391.9

A

10.3788/OPE.20162408.1917