光机系统集成分析中光机接口的实现

　　随着光机系统的日趋大型化和复杂化,对光机系统的设计提出了更高的要求,这些都对传统的设计方法提出了挑战,因此,为了保证系统的成功研制,在概念设计阶段就要根据光学系统的技术要求及影响因素进行分析和综合考虑,对光机系统进行整机建模和仿真,找到各因素对整个光学系统精度定量的作用结果,提出改进方案,就显得尤为重要[1]。1981年,美国Honeywell公司的JacobMiller等人首先提出了光机系统集成分析的概念并进行了一些卓有成效的工作[2],之后集成建模和仿真领域吸引了越来越多的关注,集成分析方法已成为目前国际上解决跨学科问题普遍采用的方法。最近几年,在相应项目的资助下集成仿真技术飞速发展[3-6]。有代表性的工作有加拿大等国VLOT(VeryLargeOpticalTelescope)项目资助下开发的ITM(In-tegrated Tele-scopeModel)[7]和美国TMT(ThirtyMe-terTelescope)项目资助下开发的IMT( IntegratedModelingToolbox)[8]等。

　　光机系统集成分析中的一个重要环节是要实现光学设计软件和有限元分析软件间数据的高效传输,该技术的核心之一是建立有效的结构分析与光学分析程序间数据的转换算法。作者通过对有限元分析和光学分析程序间数据转换算法的研究,编制了比较通用的光机接口程序,并借助该程序对一望远镜主镜进行了光机集成分析。

　　1　变形数据前处理

　　一般光学设计软件表面变形的坐标系统是基于矢高(sag based)和基于表面法向(surface normalbased)。如图1所示,ZEMAX变形坐标系统是基于矢高方向,而CODE V变形坐标系统则是基于表面法向。而通过有限元分析软件获得的光学表面变形数据是基于笛卡尔坐标系、柱坐标系或球坐标系的。因此,需要通过一定的算法把有限元分析得到的变形数据转化为光学设计软件可以接收的基于矢高或基于表面法向的变形数据[9]。

　　1. 1　基于矢高的数据处理算法(Ⅰ)

　　这个算法是将有限元分析得到的节点位移量转换为基于矢高的位移量,镜面的变形量是以变形后节点的位置为起始点,如图2所示。

　　图中初始节点P0受载荷作用移动到P1,产生径向位移△R和光轴方向位移△Z,图中P1T就是所要求的基于矢高方向的变形量,P1T由式1和式2求得:

其中, sagequation表示矢高方程。在实际运算中,该种算法有比较高的转换精度。文中采用该种算法进行了镜面变形量的转换。

　　1. 2　基于矢高的数据处理算法(Ⅱ)

　　该算法也是将有限元分析得到的节点位移量转换为基于矢高的位移量,但它的变形量是以初始表面上节点的位置为起始点,如图3所示。图中的P0Q就是所要计算的矢高方向的变形量,这时,变形后的表面是未知的,但可通过有限元分析得到变形后节点相对于初始节点的旋转量△θ来计算P0S,而P0S又可看成P0Q的近似值: