亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        大口徑熱不敏星敏感器光機設(shè)計與分析

        2024-02-02 08:12:56劉永清高天元
        紅外技術(shù) 2024年1期
        關(guān)鍵詞:光機主鏡光軸

        劉永清,高天元,韓 旭

        大口徑熱不敏星敏感器光機設(shè)計與分析

        劉永清,高天元,韓 旭

        (長春理工大學 光電工程學院,吉林 長春 130022)

        為滿足大口徑長焦距星敏感器的需求,對一種大口徑熱不敏星敏感器進行光機設(shè)計,根據(jù)指標要求,對熱不敏系統(tǒng)進行光機熱集成分析。使用MSC.Patran軟件對主次鏡結(jié)構(gòu)施加溫度載荷,計算出主次鏡結(jié)構(gòu)的熱彈性變形,先利用MSC.Nastran軟件計算熱變形后節(jié)點的剛體位移,再利用Sigft光機接口軟件分析得到變形后主次鏡表面的Zernike多項式系數(shù)。將結(jié)果導(dǎo)入Zemax中,預(yù)判鏡片面型變化以及剛體位移對彌散斑、光軸漂移量及波像差的影響。最后通過在20℃±5℃的溫度范圍內(nèi)裝調(diào)測試驗證了系統(tǒng)性能滿足指標要求以及光機熱集成分析的準確性,提供了一套準確快捷的光機熱集成分析流程。

        星敏感器;光機設(shè)計;彌散斑;光機熱集成分析

        0 引言

        星敏感器是當前廣泛應(yīng)用的天體敏感器[1-2],其工作環(huán)境必然會受到安裝面溫度變化等影響,光機結(jié)構(gòu)的熱變形會導(dǎo)致鏡片面型變化,從而影響光學系統(tǒng)成像質(zhì)量下降[3-4],會對彌散斑產(chǎn)生較大的影響,為了保證系統(tǒng)的成像質(zhì)量,需要對結(jié)構(gòu)完成光機熱集成分析,分析環(huán)境溫度對鏡頭的影響[5]。

        隨著航天事業(yè)的發(fā)展,星敏感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多種場合[6],由于我國星敏感器研究起步較晚,國內(nèi)對長焦距大口徑星敏感器的研究相對較少,孟祥月[7]等研制了焦距50mm,入瞳直徑40mm的星敏感器。孫東起[8]等人研制了一種焦距200mm,入瞳直徑125mm的雙高斯光學系統(tǒng)的長焦距星敏感器。伍雁雄[9]等研制了焦距200mm,入瞳直徑100mm的高精度星敏感器。

        本文設(shè)計了一種大口徑熱不敏星敏感器,光學系統(tǒng)焦距900mm,入瞳直徑200mm,光譜范圍450~750nm,通過光機熱集成分析方法對系統(tǒng)進行熱分析,通過將Nastran計算的主次鏡表面節(jié)點剛體位移代入Sigfit光機熱耦合軟件進行Zernike多項式擬合,再將主次鏡表面Zernike系數(shù)導(dǎo)入Zemax光學設(shè)計軟件中,分析了由于溫度變化導(dǎo)致的光機結(jié)構(gòu)剛體位移等變化。

        1 光機設(shè)計

        1.1 熱不敏光學系統(tǒng)

        光學系統(tǒng)參數(shù):焦距范圍為900mm,入瞳直徑≥200mm,光譜范圍為470~900nm,在熱不敏光學系統(tǒng)安裝面溫度為20℃±5℃時,其光軸偏角優(yōu)于12,0.8視場下80%能量集中在9.2~18.4mm之間。光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,0.8視場下各波段圈入能量曲線如圖2所示,可以看出滿足80%能量集中時,彌散斑直徑滿足指標要求。

        1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

        本系統(tǒng)采用改進型卡式系統(tǒng),為保證主鏡和后接透鏡組的同軸度,選用中心固定形式,主鏡材料選用微晶玻璃,為達到熱不敏效果,減少溫度變化對結(jié)構(gòu)的影響,主鏡軸材料應(yīng)選用與主鏡材料熱膨脹系數(shù)相近的殷鋼,主鏡通過膠層與主鏡軸固定連接,主鏡軸作為整個系統(tǒng)的連接構(gòu)件,具有一定的剛性,而膠層的柔性能夠很好的減少重力、溫度等對主鏡產(chǎn)生的變形影響,主鏡結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        次鏡是非常敏感的光學構(gòu)件,微小的變化都會帶來很大影響,并且支架的大小直接影響光學系統(tǒng)的中心遮擋大小,為保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、中心遮擋小以及減小加工難度等原因采用三片殷鋼片連接主次鏡,能夠有效減少溫度等因素引起的主次鏡間距的變化,支撐結(jié)構(gòu)如圖4所示。

        透鏡組通過壓圈固定方式保證鏡片間間距,鏡筒材料采用A704能夠減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量,并且在后端機械結(jié)構(gòu)上留有兩個接口方便后續(xù)探測器接入,系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

        圖1 光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        圖2 0.8視場各波段彌散斑包圍能量曲線

        圖3 主鏡結(jié)構(gòu)

        圖4 主次鏡支撐結(jié)構(gòu)

        圖5 整體結(jié)構(gòu)模型圖

        2 光機熱集成分析

        在本系統(tǒng)中,主次鏡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性對成像質(zhì)量的影響最大,本次分析只對主次鏡結(jié)構(gòu)進行仿真,分析目的是驗證主次鏡結(jié)構(gòu)在20±5℃范圍內(nèi)是否滿足光學系統(tǒng)設(shè)計指標要求。

        2.1 建立有限元模型

        通過MSC.Patran建立模型如圖6所示,整個模型采用手工劃分網(wǎng)格的方法,控制網(wǎng)格疏密,使得計算結(jié)果更加精確,模型主要六面體單元及少量的五面體建模,共有單元數(shù)12172個,節(jié)點數(shù)18707個,結(jié)構(gòu)有限元建模計算中主次鏡及支撐結(jié)構(gòu)的材料及其屬性參數(shù)如表1所示。

        按照指標要求的環(huán)境溫度25℃,對主次鏡模型施加溫度載荷,利用Nastran軟件計算得到剛體位移結(jié)果,主次鏡剛體位移云圖如圖7所示,可以看出主鏡最大軸向位移為0.228mm,次鏡最大軸向位移為0.986mm,目前來看熱變形結(jié)果還在可控范圍內(nèi)。

        利用光機熱耦合工具Sigfit輸入系統(tǒng)主次鏡的曲率半徑、主次鏡表面節(jié)點位置數(shù)據(jù)、熱變形后主次鏡表面節(jié)點變化數(shù)據(jù)等進行擬合。溫度為25℃時,Sigfit擬合得到的Zernike多項式系數(shù)[10]如表2所示。

        圖6 有限元模型圖

        表1 選用材料屬性參數(shù)

        圖7 整體位移分布

        表2 Zernike系數(shù)

        將主次鏡的Zernike多項式系數(shù)導(dǎo)入Zemax光學設(shè)計軟件中,即可得到系統(tǒng)彌散斑直徑以及光軸的變化,圖8給出了在環(huán)境溫度25℃,0.8°視場下各波段的圈入能量曲線圖,由圖中信息可知,各波段80%能量彌散斑直徑集中在9.2~18.4mm之間,與圖2對比可知在溫度的影響下,各波段的彌散斑直徑也會增大。同時由圖9得到波前RMS(Root-Mean-Square)值為0.035<1/12,成像質(zhì)量良好,調(diào)用評價函數(shù)RAID指令,在0°視場入射光線與像面法線夾角可以近似為光軸偏角約為0.0332優(yōu)先于12。

        圖8 0.8視場圈入能量曲線

        圖9 波前圖

        2.2 裝調(diào)測試

        為檢驗光機熱集成分析的準確性以及光機設(shè)計的合理性,設(shè)置實驗室20±5℃的溫度條件下,進行光學系統(tǒng)主鏡、次鏡以及透鏡組系統(tǒng)裝調(diào),主鏡及透鏡組利用三坐標進行檢測裝調(diào),保證其位置精度,然后利用干涉儀進行次鏡的裝調(diào)工作,系統(tǒng)整體裝調(diào)結(jié)構(gòu)如圖10所示。

        在實驗室室溫25℃下,系統(tǒng)裝調(diào)后的軸上視場波像差如圖11所示,RMS值為0.08,所測得RMS值與有限元分析結(jié)果相差很小,分析實例驗證了本系統(tǒng)分析方法的有效性。

        圖10 系統(tǒng)整體裝調(diào)結(jié)構(gòu)圖

        圖11 0視場波像差

        2.3 系統(tǒng)性能測試

        本次測試溫度環(huán)境分別設(shè)為15℃、20℃、25℃,采用平行光管照射,鏡頭放置在精密旋轉(zhuǎn)的調(diào)整臺上,通過對鏡頭的成像光斑與能量分布進行分析獲得彌散斑,檢測圖如圖12所示,記錄3組數(shù)據(jù)取平均值最終結(jié)果如圖13所示,由此可見各波段均符合在0.8視場下集中80%能量時,彌散斑直徑在9.2~18.4mm區(qū)間的指標要求。

        在20±5℃溫度范圍內(nèi),通過對0°視場像點觀測,由公式(1)可知:

        式中:像元大小a為4.6mm,焦距f為900mm,經(jīng)過計算只要像點偏移小于一個像元即可認為光軸偏角優(yōu)于12。經(jīng)過觀察,像點最大位移小于一個像元,故可以判斷光軸偏角優(yōu)于12,滿足指標要求。通過對彌散斑直徑以及光軸漂移量的檢測結(jié)果與仿真分析結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)光機熱集成分析具有可靠性,所以有必要對系統(tǒng)進行光機熱集成分析以快速檢驗設(shè)計的系統(tǒng)是否滿足指標。

        圖13 彌散斑直徑圖

        3 結(jié)論

        本文通過對熱不敏光學系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計,并對結(jié)構(gòu)進行有限元分析,結(jié)合光機熱集成分析方法,通過sigfit計算出在20±5℃下主次鏡RMS值為0.13,將擬合得到的Zernike系數(shù)代入光學設(shè)計軟件Zemax中進行仿真模擬,設(shè)計結(jié)果表明光軸偏角為0.0232優(yōu)于12,波前RMS值為0.035,圈入能量80%集中度彌散斑直徑在9.2~18.4mm之間,最終進行裝調(diào)檢測,結(jié)果顯示系統(tǒng)軸上視場波像差RMS值為0.08,實現(xiàn)彌散斑能量80%集中度的直徑在9.2~18.4mm內(nèi),像點最大位移小于一個像元,光軸偏角優(yōu)先于12,滿足項目設(shè)計指標要求。該分析方法能夠準確地驗證系統(tǒng)是否滿足指標要求,極大地縮短了研制周期,能夠?qū)ο到y(tǒng)性能進行有效的評估,同時可以將該方法運用到其他光學系統(tǒng)光機熱集成分析中。

        [1] Aurélia Secroun, Michael Lampton, Michael Levi. A high-accuracy, small field of view star guider with application to SNAP[J]., 2001, 12(2): 69-85.

        [2] ZHANG S, XING F. Attitude measurement for spacecraft with high update rate based on the rolling shutter mode of a star tracker[C]//(CGNCC), 2018: 1-6.

        [3] Leung H, Dubash N, Xie N. Transactions on Aerospace and Electronic Systems[J]., 2002, 38: 98.

        [4] LIU H, TAN J, YANG J K, et al. Method for thermo-optic analysis in a star sensor[J]., 2010, 60(3): 276-281.

        [5] LU S, HUANG Y. Thermal/Optical analysis of optical system of star tracker[C]//,, 2011, 8196: 125-134.

        [6] Zacharov A I, Krusanova N L, Moskatiniev I V, et al. On increasing the accuracy of star trackers to subsecond levels[J]., 2018, 52: 636-643.

        [7] 孟祥月, 王洋, 張磊, 等. 大相對孔徑寬光譜星敏感器光學鏡頭設(shè)計[J].紅外與激光工程, 2019, 48(7): 718005-0718005(8).MENG Xiangyue, WANG Yang, ZHANG Lei, et al. Lens design of star sensor with large relative aperture and wide spectral range [J]., 2019, 48(7): 718005-0718005 (8).

        [8] 孫東起, 胡明勇, 劉晨凱, 等. 大口徑長焦距星敏感器光學鏡頭的設(shè)計[J]. 激光與光電子學進展, 2021, 58(11): 1112001. SUN Dongqi, HU Mingyong, LIU Chenkai, et al.. Design of star sensor optical lens with large aperture andlong focal length[J]., 2021, 58(11): 1112001.

        [9] 伍雁雄, 吳洪波, 張繼真, 等. 亞秒級甚高精度星相機光學系統(tǒng)設(shè)計[J]. 中國激光, 2015, 42(7): 312-321.WU Yanxiong, WU Hongbo, ZHANG Jizhen, et al. Optical system design of star camera with high precision better second level[J]., 2015, 42(7): 312-321.

        [10] Lakshminarayanan V, Fleck A. Zernike polynomials: a guide[J]., 2011, 58(7): 545-561.

        Optomechanical Design and Analysis of Large Aperture Thermal Insensitive Star Sensor

        LIU Yongqing,GAO Tianyuan,HAN Xu

        (College of Optoelectronic Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China)

        To meet the requirements of large-aperture and long-focal-length star sensors, an optomechanical design of a large-aperture thermally insensitive star sensor was created. According to the index requirements, an optomechanical thermal integration analysis of the thermally insensitive system was conducted. The MSC Patran software applied temperature loads to the primary and secondary mirror structures to calculate their thermoelastic deformations. The rigid body displacement of the node after thermal deformation was calculated using the Nastran software, and the Zernike polynomial coefficients of the primary and secondary mirror surfaces after deformation were analyzed using Sigft optical mechanical interface software. The results were imported to Zemax to predict the influence of lens shape change and rigid body displacement on speckle, optical axis drift, and wave aberration. The system performance meets the index requirements and the accuracy of the optical mechanical thermal integration analysis is verified through an installation and debugging test in the temperature range of 20℃±5℃, providing an accurate and fast optical mechanical thermal integration analysis process.

        star sensor, optical and mechanical design, diffuse plaque, optical mechanical thermal integration analysis

        TH74

        A

        1001-8891(2024)01-0031-05

        2022-11-21;

        2022-11-30.

        劉永清(1998-)男,碩士研究生,研究方向:光學儀器設(shè)計。E-mail: 2221515370@qq.com。

        高天元(1970-)男,博士,研究員,研究方向:光學儀器設(shè)計。E-mail: gty@cust.edu.cn。

        猜你喜歡
        光機主鏡光軸
        鄧為:童趣幻想曲
        智族GQ(2023年10期)2023-11-02 08:34:16
        主鏡組件熱光學特性分析與熱控技術(shù)研究
        非平行光軸三維立體檢測技術(shù)在毫山峪隧道中的應(yīng)用
        光軸的形態(tài)和應(yīng)用
        攝影之友(2020年12期)2020-12-23 09:39:39
        假如我有時光機
        “六一”時光機
        大口徑主鏡位置的實時檢測
        多視場電視觀瞄具的光軸調(diào)校技術(shù)
        壓制觀瞄系統(tǒng)多光譜光軸平行性調(diào)校技術(shù)研究
        地基大口徑望遠鏡主鏡熱控的設(shè)計原則及方式
        激光與紅外(2014年8期)2014-03-20 08:50:22
        亚洲熟妇色自偷自拍另类| 国产AV高清精品久久| 手机在线免费av网址| av免费在线播放视频| 中国老熟女重囗味hdxx| 久久AV老司机精品网站导航| 久久亚洲精品成人综合| 国产一区二区三区的区| 亚洲欧美国产精品久久| 男女性高爱潮免费观看| 在线a人片免费观看国产| 国产一区二区三区四区在线视频| 大陆国产乱人伦| 无码精品国产va在线观看| 久久亚洲国产欧洲精品一| 按摩少妇高潮在线一区| 国产成人av一区二区三区在线观看 | 一区二区三区美女免费视频 | 无码孕妇孕交在线观看| 美丽人妻被按摩中出中文字幕 | 国产精品久久久精品三级18| 日韩av毛片在线观看| 久久精品国产色蜜蜜麻豆| 911香蕉视频| 久久亚洲精品中文字幕蜜潮| 色欲av永久无码精品无码蜜桃| 国产精品久久久久久久免费看| 国产成人一区二区三区视频免费蜜| 日本免费精品一区二区三区视频 | 日本公与熄乱理在线播放| 久久久久久国产精品免费网站| 国产精品成年人毛片毛片| 国产精品高清一区二区三区不卡| 亚洲精品国产第一区二区尤物| 亚洲 国产 韩国 欧美 在线| 国产成人综合精品一区二区| 国产成人精品一区二区三区视频| 色综合另类小说图片区| 国产精品一区二区蜜臀av| 在线亚洲高清揄拍自拍一品区| 日本www一道久久久免费榴莲|