Исследование влияния термомеханических нагрузок на качество изображения оптической системы с использованием связки Oofelie-Zemax
Исследование поведения оптического прибора в условиях воздействия окружающей среды. Оценка возможностей четырехлинзового объектива космического базирования для работы в инфракрасном диапазоне. Расчёт температурных деформаций компонентов объектива.
Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 07.12.2018 |
Размер файла | 539,6 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://allbest.ru
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»"
ОАО «Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова»
Исследование влияния термомеханических нагрузок на качество изображения оптической системы с использованием связки Oofelie-Zemax
А.Ю. Пименов, А.П. Смирнов
Введение
При проектировании нового оптического прибора важным моментом является исследование его поведения в условиях воздействия окружающей среды. Это особенно актуально для крупногабаритных систем, а также систем космического базирования, где происходят постоянные изменения температур.
В данной работе приводятся результаты анализа на примере линзового объектива космического базирования: исследуется возможность его работы при перепадах температур в рабочем диапазоне.
Описание оптической системы
Для исследования выбран четырехлинзовый объектив, предназначенный для работы в инфракрасном диапазоне оптического спектра.
Рис. 1. Конструктивные параметры объектива
Таблица 1. Параксиальные характеристики объектива
Фокусное расстояние f` |
561.63 мм |
|
Диаметр входного зрачка D |
250 мм |
|
Угловое поле 2щ |
21о |
|
Задний фокальный отрезок S'f' |
134.5 мм |
|
Рабочий спектральный диапазон |
(2.6 - 3.1) мкм |
Рис. 2. Конструкция исследуемого объектива
В качестве критерия качества изображения выбрана концентрация энергии в кружке рассеяния: она должна составлять не менее 0.7 для пятна радиусом 20 мкм. При этом допускается снижение концентрации энергии в осевой точке. Конструкция объектива представляет собой четыре закрепленные между собой винтами оправы с установленными в них линзами. При этом для обеспечения центрировки оптических компонентов производится обработка посадочных отверстий оправы под линзу с зазором не более 0.01 мм. оптический четырехлинзовый объектив
В техническом задании к объективу указан рабочий диапазон температур от - 50оС до + 50оС. Следовательно, необходимо решить следующие задачи:
- расчет температурных деформации оптических компонентов, возникающих при пережатии в оправе
- определение смещения линз в оправе вдоль оптической оси, изменение радиусов кривизны поверхностей, а также показателей преломления.
При расчете деформаций поверхностей оптических компонентов, их можно представить в виде коэффициентов разложения по базису полиномов Цернике (Zernike Standard или Zernike Fringe) или сетки прогибов (Grid Sag). В данном случае был применен метод Zernike Fringe. При использовании этого метода форма поверхности оптического компонента описывается следующим выражением [1]:
Данный метод положен в основу связки программ OOFELIE - ZEMAX, образующих единую интегрированную среду проектирования оптико-механических приборов. OOFELIE - это среда инженерного анализа (CAE), в основу которой положен метод конечных элементов.
Анализ объектива
Все дальнейшие исследования проводились для конструкции, находящейся при температуре - 50оС, относительно номинальной температуры +20оС.
При расчете были использованы следующие материалы оптических компонентов: кремний - для линз 1, 3, 4 и германий для линзы 2 (рис. 2). Материалы выбраны из каталога стекол ZEMAX «INFRARED». Материал оправ - ковар 29НК. Механические свойства материалов приведены в таблице 2.
Таблица 2. Механические свойства материалов, принятые при расчете
Ковар 29НК |
Германий |
Кремний |
||
Модуль упругости E (ГПа) |
196 |
102.7 |
131 |
|
Коэффициент Пуассона |
0.34 |
0.28 |
0.27 |
|
Плотность (кг/м3) |
8600 |
5330 |
2330 |
|
Предел прочности на сжатие (МПа) |
89.6 |
94.7 |
||
Коэффициент линейного расширения (1/K) |
5.5e-6 |
5.7e-6 |
2.62e-6 |
Как видно из таблицы 2 при больших перепадах температур возможны сильные пережатия линз 1,3 и 4, так как коэффициент линейного расширения кремния довольно сильно отличается от ковара 29 НК.
При расчете в Oofelie между линзой и оправой назначались типы связи «Mechanical Gluing» и «Thermal gluing», что означает жесткое закрепление между линзой и оправой в местах контакта.
Местами контакта в моделируемой конструкции являются: цилиндрическая посадочная поверхность линзы и оправы, рабочая поверхность линзы и кольцо образуемое буртиком оправы, фаска на линзе и контактирующая с ней поверхность резьбового кольца.
Результат расчета приведен на рисунке 5.
Рис. 3. Напряжения в линзах при пережатии
Как видно из эпюры, напряжения в линзах из-за пережатия оправой присутствуют, однако значение максимального напряжения значительно ниже предела прочности материала линз. Следовательно, такой вариант закрепления может считаться приемлемым. Вторая задача, как говорилось выше - определение смещения линз в оправе вдоль оптической оси, изменение радиусов кривизны поверхностей, а также показателей преломления. Данную проблему можно решить, как используя лишь Zemax, так и связку Oofelie-Zemax. При этом в первом случае не учитывается форма конструкции, а также плоскость крепления прибора (рис.2), расчет производится посредством моделирования «трубок» нулевой толщины с заданным коэффициентом линейного расширения, которые устанавливаются между линзами. Результаты расчетов приведены на рисунках 4-6.
Рис.4 Перемещение линз вдоль оси Z (оптической оси) при расчете в Oofelie.
Рис. 5. Расчет оптической системы при - 50оС в Zemax
Рис. 6. Расчет оптической системы при - 50оС в Oofelie-Zemax
Таблица 3. Графики концентрации энергии в кружке рассеяния
Исходная система при +20 |
Расчет при -50 (Zemax) |
|
Расчет при -50 (Oofelie) |
||
После каждого расчета проводилась коррекция заднего отрезка по критерию среднего-квадратического отклонения пятна рассеяния, для поиска плоскости наилучшей установки. Расчет изменения коэффициентов преломления стекла из-за изменения температуры производился непосредственно в Zemax.
Качество изображения системы осталось достаточно близким к первоначальному, однако для одной из точек поля произошло заметное снижение концентрации энергии. Как видно из представленных выше рисунков, при расчете возникают некоторые различия в значении расстояний между линзами, которые объясняются более точным моделированием, при анализе с использованием реальной конструкции прибора. Это момент является важным при расчете подвижек приемника. Так из рисунков 5 и 6 видно, что значения заднего отрезка системы различаются почти на 0.1 мм.
Таким образом, был выполнен расчет оптической системы объектива с использованием связки Oofelie-Zemax, проведено сравнение с классическим методом расчета термических нагрузок в Zemax.
В дальнейшем, работа на стыке нескольких дисциплин - расчёта и моделирования оптических систем, конструирования и инженерного анализа позволит создать комплексный подход для всестороннего исследования разрабатываемого изделия. Это в свою очередь ускорит процесс разработки и повысит надёжность конечного продукта, а также существенно сократит расходы при производстве, уменьшив количество конструкторских ошибок.
Литература
1. Официальное руководство OOFELIE
2. Официальное руководство ZEMAX
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Обзор оптических свойств преобразователей оптического излучения при разных температурах. Изучение возможностей прибора для нагревания кристаллов, собранного на базе ПИД-регулятора ОВЕН ТРМ101. Настройка прибора, разработка инструкции по пользованию им.
дипломная работа [1,8 M], добавлен 30.06.2014Типы конструкций объективов оптических приборов. Общие требования к сборке объективов. Основные типы объективов в зависимости от точности центрирования линз. Этапы сборки объектива. Сборка объектива без последующей юстировки. Реальный объектив, искажения.
реферат [1,4 M], добавлен 17.11.2008Технологический процесс сборки объектива, механическая обработка . Сборка двухлинзовых крупногабаритных объективов. Контроль качества и юстировка объективов телескопических систем. Предел разрешения и качество изображения точечного источника света.
реферат [2,7 M], добавлен 17.11.2008Основные характеристики структуры изображения. Свойство линейности. Свойство инвариантности к сдвигу (условие изопланатизма). Функция рассеяния точки. Оптическая передаточная функция. Схема формирования оптического изображения. Зрачковая функция.
реферат [259,5 K], добавлен 15.01.2009Механические, электромагнитные, радиационные и температурные воздействия на передаточные параметры оптического волокна и поляризационно-модовую дисперсию. Электротермическая деградация оптического кабеля. Затухание и поляризационно-модовая дисперсия.
дипломная работа [1,3 M], добавлен 07.09.2016Расчёт нагрузки междугородной магистрали с использованием оптического кабеля. Выбор системы передачи, типа кабеля и трассы линии связи между заданными пунктами. Расчёт затухания и дисперсии волн, механических усилий при прокладке кабелеукладчиком.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 12.01.2013Расчёт и исследование контура регулирования положения заслонки. Исследование устойчивости контура положения с использованием логарифмических частотных характеристик. Расчёт и исследование системы автоматического управления с цифровым регулятором.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 18.06.2015Математическая модель тетрады чувствительных элементов прибора БИУС-ВО. Принцип действия чувствительного элемента прибора БИУС-ВО – волоконно–оптического гироскопа. Разработка методики оценки шумовых составляющих канала измерения угловой скорости.
дипломная работа [1,7 M], добавлен 24.09.2012Исследование работы тепловизора "Скат", применяемого для обнаружения чрезвычайных ситуаций в условиях городской застройки. Пространственное и температурное разрешение как основные характеристики прибора. Измерение характеристик инфракрасных систем.
реферат [5,4 M], добавлен 24.03.2012Характеристика основных функций и возможностей спутниковых радионавигационных систем - всепогодных систем космического базирования, которые позволяют определять текущие местоположения подвижных объектов. Система спутникового мониторинга автотранспорта.
реферат [2,9 M], добавлен 15.11.2010