CN115828653A - 一种光机系统设计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光机系统设计方法及系统，光机系统设计方法包括：根据光机系统的设计指标，构建光机系统数字模型；将光机系统数字模型导入有限元分析模型，并在有限元分析模型中对光机系统数字模型进行边界条件设置，运行有限元分析模型，以获得反映光机系统中待分析反射镜面变化情况的结果文件；将结果文件输入光学分析软件，并设置入射波长，运行光学分析软件，以获得反映待分析反射镜面光轴变化情况的RMS值和PV云图；根据RMS值和PV云图，调整设计指标，以根据调整后的设计指标，设计光机系统。本发明可以缩短光机系统设计周期和设计成本。

Description

一种光机系统设计方法及系统

技术领域

本发明涉及光机系统技术领域，尤其涉及一种光机系统设计方法及系统。

背景技术

光机系统是将多种学科技术紧密结合在一起，利用几何光学对目标物体进行成像以便观察目标的系统。光机系统应用广泛，涉及航空航天，陆地、海域边防，民用设备等领域。传统光机系统设计必要流程为接收技术要求、系统设计、实验验证。实验验证结果与设计目标不符时，首先需要排查机械结构对系统的影响，调整机械结构设计，重复上述流程，直至实验验证结果与设计目标相符。这种调整方式在时间成本和经济成本都将增加。

发明内容

本发明实施例提供一种光机系统设计方法及系统，用以解决现有技术中光机系统设计费时费力的问题。

根据本发明实施例的光机系统设计方法，包括：

根据光机系统的设计指标，构建光机系统数字模型；

将所述光机系统数字模型导入有限元分析模型，并在所述有限元分析模型中对所述光机系统数字模型进行边界条件设置，运行所述有限元分析模型，以获得反映光机系统中待分析反射镜面变化情况的结果文件；

将所述结果文件输入光学分析软件，并设置入射波长，运行所述光学分析软件，以获得反映待分析反射镜面光轴变化情况的RMS值和PV云图；

根据所述RMS值和PV云图，调整所述设计指标，以根据调整后的设计指标，设计光机系统。

根据本发明的一些实施例，所述方法还包括：

在将所述光机系统数字模型导入有限元分析模型之前，根据光机系统的应用环境，选择有限元分析模型。

根据本发明的一些实施例，所述根据光机系统的应用环境，选择有限元分析模型，包括：

当光机系统受的力是静力时，选择Static Structural有限元分析模型；

当光机系统受的力是动力时，选择Transient Structural有限元分析模型。

根据本发明的一些实施例，所述对所述光机系统数字模型进行边界条件设置，包括：

设置所述光机系统数字模型中结构模型的固定形式、材料性能、连接方式；

对所述光机系统数字模型施加作用力。

根据本发明的一些实施例，所述材料性能包括密度、弹性模量、泊松比。

根据本发明的一些实施例，所述对所述光机系统数字模型进行边界条件设置，还包括：

对所述光机系统数字模型中待分析反射镜模型施加面压力，所述面压力的取值为1*e^-6Mpa。

根据本发明的一些实施例，所述待分析反射镜面变化情况包括：平移、变形以及翻转。

根据本发明的一些实施例，所述入射波长为6.378e^-4。

根据本发明的一些实施例，所述根据调整后的设计指标，设计光机系统，包括：

根据调整后的设计指标，调整所述光机系统数字模型；

基于调整后的光机系统数字模型，联合所述有限元分析模型和所述光学分析软件，判断待分析反射镜面光轴变化是否满足要求，若是，则基于该调整后的设计指标设计光机系统，否则重复调整设计指标，直至待分析反射镜面光轴变化满足要求。

根据本发明实施例的光机系统设计系统，包括：

构建单元，根据光机系统的设计指标，构建光机系统数字模型；

分析单元，用于将所述光机系统数字模型导入有限元分析模型，并在所述有限元分析模型中对所述光机系统数字模型进行边界条件设置，运行所述有限元分析模型，以获得反映光机系统中待分析反射镜面变化情况的结果文件；还用于将所述结果文件输入光学分析软件，并设置入射波长，运行所述光学分析软件，以获得反映待分析反射镜面光轴变化情况的RMS值和PV云图；

调整单元，用于根据所述RMS值和PV云图，调整所述设计指标。

采用本发明实施例，通过有限元分析模型和光学分析软件联合仿真的方式对光机系统光轴和反射镜面形分析，根据分析结果调整设计指标，再根据调整后的指标设计光机系统，可以缩短设计周期和设计成本。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施例中光机系统设计方法流程图；

图2是本发明实施例中力学环境下的反射式光机系统仿真方法流程图；

图3是本发明实施例中卡塞格林式反射镜光学系统架构图；

图4是本发明实施例中有限元分析流程图；

图5是本发明实施例中主次镜反射面命名示意图；

图6是本发明实施例中主次镜坐标系建立示意图；

图7是本发明实施例中反射镜变形后光学pv值示意图；

图8是本发明实施例中作用力下光学系统光轴偏移示意图；

图9是本发明实施例中模型改进前后对比图；

图10是本发明实施例中光机系统光学参数前后对比图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。另外，在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

光机系统中存在大量机械结构和光学结构，光学结构和机械结构互相耦合，且光轴的精度容易受到光学结构和机械结构变形的影响。力学环境对于光学结构和机械结构变形是最为突出的影响因素，通常出现的情况是由于机械结构强度不够、光学结构和机械结构的结合形式不当导致在力学环境的作用下，光学结构变形严重，导致光轴变形超出设计标准。本发明所要解决的技术问题为力学环境下机械结构与光学结构变形导致的反射式光学系统光轴变化分析。

基于此，本发明实施例提出一种光机系统设计方法，参照图1所示，所述方法包括如下步骤：

S1，根据光机系统的设计指标，构建光机系统数字模型；光机系统包括多个反射镜以及用于支撑反射镜的机械结构。例如光机系统包含主反射镜，次反射镜，离轴反射镜，平面反射镜，机械结构等。

S2，将所述光机系统数字模型导入有限元分析模型，并在所述有限元分析模型中对所述光机系统数字模型进行边界条件设置，运行所述有限元分析模型，以获得反映光机系统中待分析反射镜面变化情况的结果文件；

S3，将所述结果文件输入光学分析软件，并设置入射波长，运行所述光学分析软件，以获得反映待分析反射镜面光轴变化情况的RMS值和PV云图；

在实际操作过程中，需要设置光学参数，包括入射波长、离轴量。选择结果文件求解的有限元软件，指定光学分析软件输出文件名称。根据有限元分析时反射镜表面的命名搜索光学表面，并选择反射镜表面的坐标系为求解坐标系。其余保持光学软件默认设置，求解反射镜面形RMS和PV变化，系统光轴变化。

S4，根据所述RMS值和PV云图，调整所述设计指标，以根据调整后的设计指标，设计光机系统。

采用本发明实施例，通过有限元分析模型和光学分析软件联合仿真的方式对光机系统光轴和反射镜面形分析，根据分析结果调整设计指标，再根据调整后的指标设计光机系统，可以缩短设计周期和设计成本。

在上述实施例的基础上，进一步提出各变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在各变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。

根据本发明的一些实施例，所述方法还包括：

在将所述光机系统数字模型导入有限元分析模型之前，根据光机系统的应用环境，选择有限元分析模型。

例如，当光机系统受的力是静力时，选择Static Structural有限元分析模型；

当光机系统受的力是动力时，选择Transient Structural有限元分析模型。

根据本发明的一些实施例，所述对所述光机系统数字模型进行边界条件设置，包括：

设置所述光机系统数字模型中结构模型的固定形式、材料性能、连接方式；

对所述光机系统数字模型施加作用力。如果光机系统在应用环境中受的力是静力，则对光机系统数字模型施加静力。如果光机系统在应用环境中受的力是动力，则对光机系统数字模型施加动力。

对需进行分析的反射镜，在镜面中心处设置坐标系。对反射镜平面设置NameSelection，即命名。

若反射镜为非离轴镜，坐标Z轴应与反射镜面法向相同，Z轴原点与反射镜平面相交。同时对坐标系的命名数值应高于数字12，以区分光学分析软件中固有的坐标系。

若反射镜为离轴反射镜，应建立两个坐标系，分别为直角坐标系和极坐标系，直角坐标系位于离轴镜半球面球心位置，极坐标系位于离轴镜中心位置，Z轴与直角坐标系Z轴相同，同时对两个坐标系命名，命名数值同样要高于数字12且数值不相同。所述反射镜平面应在有限元软件中被定义名称，名称不能相同。

结果文件包含坐标系名称、位置信息和反射镜镜面名称、镜面节点位移信息。

进一步的，所述材料性能包括密度、弹性模量、泊松比。

根据本发明的一些实施例，所述对所述光机系统数字模型进行边界条件设置，还包括：

对所述光机系统数字模型中待分析反射镜模型施加面压力，所述面压力的取值为1*e^-6Mpa。由此，便于光学分析软件识别待分析反射镜。

根据本发明的一些实施例，所述待分析反射镜面变化情况包括：平移、变形以及翻转。

根据本发明的一些实施例，所述入射波长为6.378e^-4。

根据本发明的一些实施例，所述根据调整后的设计指标，设计光机系统，包括：

根据调整后的设计指标，调整所述光机系统数字模型；

基于调整后的光机系统数字模型，联合所述有限元分析模型和所述光学分析软件，判断待分析反射镜面光轴变化是否满足要求，若是，则基于该调整后的设计指标设计光机系统，否则重复调整设计指标，直至待分析反射镜面光轴变化满足要求。

对应的，本发明实施例还提出一种光机系统设计系统，包括：

构建单元，根据光机系统的设计指标，构建光机系统数字模型；

分析单元，用于将所述光机系统数字模型导入有限元分析模型，并在所述有限元分析模型中对所述光机系统数字模型进行边界条件设置，运行所述有限元分析模型，以获得反映光机系统中待分析反射镜面变化情况的结果文件；还用于将所述结果文件输入光学分析软件，并设置入射波长，运行所述光学分析软件，以获得反映待分析反射镜面光轴变化情况的RMS值和PV云图；

调整单元，用于根据所述RMS值和PV云图，调整所述设计指标。

下面参照图2-图10以一个具体的实施例详细描述根据本发明实施例的光机系统设计方法。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对本发明的具体限制。凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

针对光机系统设计中由于力学环境导致的结构变形从而影响反射镜面形和光轴变化的情况，本发明提供了一种流程化的快速、精确、可靠的光机系统设计方法，此方法能够将光学结构和机械结构进行耦合分析，实现在力学环境下反射式光机系统仿真分析。

参考图2，本发明实施例的方法包括构建光机系统数字模型、有限元分析模块分析、光学仿真、结果分析、优化，循环等流程。

在光机系统数字模型流程中，对光机系统仿真模型进行建立，并将数据导出至有限元分析软件。对光学结构材料、机械结构材料性能进行确定，材料性能包含但不限于密度、弹性模量、泊松比等。反射镜若为离轴镜，需明确离轴量。

图3为本发明实施案例涉及的光机系统有限元仿真数字模型示意图。如图3所示，该光机系统数字模型包括主镜1、主镜支架2、连接件3、次镜4。主镜、次镜使用si材料进行制作，主镜支架和连接件使用铝基碳化硅进行制作。主镜与主镜支架通过硅橡胶进行胶粘，次镜和连接件进行胶粘，连接件与主镜支架通过螺钉进行连接，系统处于随机振动作用力环境中。通过PROE软件进行建模和装配，并将组件数字模型导出stp等中间格式。利用有限元仿真软件ANSYS workbench读取光机系统数字模型。

在有限元分析模块分析流程中，光机系统处于随机振动作用力环境下，选择Transient Structural作为有限元分析模块。

参考图4，有限元分析模块工作流程图包括：

步骤S11，对光机系统数字模型赋值材料性能，主镜1和次镜4材料为硅材料，主镜支架2和连接架3为铝基碳化硅材料，材料性能包括密度，弹性模量，泊松比等。使用自动四面体网格划分模型，网格质量在0.78以上便为优质网格，网格质量对计算结构影响较小。设定各部件间的连接，主镜1和主镜支架2间的连接形式为硅橡胶胶结，主镜支架2和连接架件3使用螺钉进行连接，连接架3和次镜件4使用硅橡胶胶结。

步骤S12，参考图5，对主镜1和次镜4反射镜镜面进行命名，主镜1反射面为sur1，次镜4反射面为sur2。参考图6，对主镜1和次镜4反射镜镜面建立坐标系，主镜1反射面坐标系为102，Z轴与反射镜面法向相同；次镜4反射面坐标系为103，Z轴与反射镜面法向相同。

步骤S13，对光机系统数字模型施加随机振动，使用重力加速度谱施加。除必要的力学边界条件施加外，对反射镜面施加大小为1*e^-8PA的法向压力press，便于光学分析软件SIGFIT捕捉要分析的反射面，同时结构能够不受压力的影响。再对主镜支架2使用FixedSupport进行固定约束。

步骤S14，设置完成，对模型进行求解。对变形结果插入命令流，内容为*ulib,sigfit_library,lib*use,sigout,'displacements',1,1,0。输出节点位移结果信息shili.asig文件。

光学仿真流程中，接收节点结果结果信息，设置光学参数，软件求解光学镜片反射面面形信息。

在sigfit软件中进行光学仿真流程中，包括：

选择有限元分析的工具软件为ANSYS，同时，定义在ANSYS中模型使用的单位标尺，本实例为mm，同时选择光学分析结果后处理软件ZEMAX,同时定义所使用的单位表标尺mm，两者前后需保持统一。选择有限元的节点位移输出结果shili.asig文件，进行读入，并命名输出文件名称

择求解器为泽妮可多项式求解器，定义光学波长为6.34e^-4。设置在sigfit中使用名称表示，选择已定义的被分析表面sur1，sur2，同时相对应的输入已定义的坐标系102和103。

拟合设置，定义去除面形的刚体位移相差。定义Zernike多项式最大R多项式数量为8，最大θ多项式数量为6。

选择可输出项目，包括后处理软件ZEMAX宏文件，可视化节点结果，反射镜镜面RMS值和PV云图。

在结果分析中，通过RMS和PV值反射镜变形结果，通过ZEMAX计算光轴偏移，完善设计。

对设计模型进行更新流程包括：

得出初版光学系统模型在随机振动的作用力下，反射镜变形RMS值和PV云图。图7中，左图为主镜PV值图，右图为次镜PV值图。

将ZEMAX宏文件导入软件，通过设置footprintplot对其仿真光轴偏差，得到光学系统在随机振动作用力下的光轴偏移示意图。如图8所示。

本实例光学系统的设计指标为：rms值不高于1λ(λ为632nm波长)，pv值不高于10λ，系统光轴偏于不大于1个像素(像元大小为0.01)。根据仿真结果，发现光学系统2主镜支架模型刚度不足，采取加厚支撑筋的方法进行修改。修改模型前后对比如图9所示。对改进后的光机系统数字模型进行重新进行分析，获得反射镜改进前后的RMS值，PV值和光轴偏移对比如图10所示。改进光机系统数字模型能够满足设计要求。

本方法是一种通用的仿真流程，能够准确预测力学环境下的反射式光机系统光轴偏移变化，反射镜面形信息。

本发明并不限于上文讨论的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在于为了描述和说明本发明涉及的技术方案。基于本发明启示的显而易见的变换或替代也应当被认为落入本发明的保护范围。以上的具体实施方式用来揭示本发明的最佳实施方法，以使得本领域的普通技术人员能够应用本发明的多种实施方式以及多种替代方式来达到本发明的目的。

Claims (10)

1.一种光机系统设计方法，其特征在于，包括：

根据光机系统的设计指标，构建光机系统数字模型；

将所述光机系统数字模型导入有限元分析模型，并在所述有限元分析模型中对所述光机系统数字模型进行边界条件设置，运行所述有限元分析模型，以获得反映光机系统中待分析反射镜面变化情况的结果文件；

将所述结果文件输入光学分析软件，并设置入射波长，运行所述光学分析软件，以获得反映待分析反射镜面光轴变化情况的RMS值和PV云图；

根据所述RMS值和PV云图，调整所述设计指标，以根据调整后的设计指标，设计光机系统。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在将所述光机系统数字模型导入有限元分析模型之前，根据光机系统的应用环境，选择有限元分析模型。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据光机系统的应用环境，选择有限元分析模型，包括：

当光机系统受的力是静力时，选择Static Structural有限元分析模型；

当光机系统受的力是动力时，选择Transient Structural有限元分析模型。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述光机系统数字模型进行边界条件设置，包括：

设置所述光机系统数字模型中结构模型的固定形式、材料性能、连接方式；

对所述光机系统数字模型施加作用力。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述材料性能包括密度、弹性模量、泊松比。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对所述光机系统数字模型进行边界条件设置，还包括：

对所述光机系统数字模型中待分析反射镜模型施加面压力，所述面压力的取值为1*e^{- 6}Mpa。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待分析反射镜面变化情况包括：平移、变形以及翻转。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述入射波长为6.378e^-4。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据调整后的设计指标，设计光机系统，包括：

根据调整后的设计指标，调整所述光机系统数字模型；

基于调整后的光机系统数字模型，联合所述有限元分析模型和所述光学分析软件，判断待分析反射镜面光轴变化是否满足要求，若是，则基于该调整后的设计指标设计光机系统，否则重复调整设计指标，直至待分析反射镜面光轴变化满足要求。

10.一种光机系统设计系统，其特征在于，包括：

构建单元，根据光机系统的设计指标，构建光机系统数字模型；

分析单元，用于将所述光机系统数字模型导入有限元分析模型，并在所述有限元分析模型中对所述光机系统数字模型进行边界条件设置，运行所述有限元分析模型，以获得反映光机系统中待分析反射镜面变化情况的结果文件；还用于将所述结果文件输入光学分析软件，并设置入射波长，运行所述光学分析软件，以获得反映待分析反射镜面光轴变化情况的RMS值和PV云图；

调整单元，用于根据所述RMS值和PV云图，调整所述设计指标。

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