全金属反射光学系统主镜的集成分析

　　引 言

　　现代光学系统的发展，要求光学系统本身有着优良的光学品质，如孔径大、视场宽、像面平、体积小、质量轻等等，而其成像质量可以达到理论衍射极 限。与此同时，很多光学系统还需承受环境条件的变化，因而要求在力学和热学的负载条件下，保持其光学品质产生尽可能小的变化。因此，需要对光学系统在力学 和热学负载下的成像质量做出定量的分析和计算。国际上从20 世纪 80 年代开始，就开展了这方面的研究工作，并且直到最近，还在不断地发展和改进[1-3]。这种对光学系统在受到外界力学和热学条件作用下光学性能的分析，称 为光学集成分析。光学集成分析减少了设计和分析的建模工作量，使各类分析间的数据传输更为方便和准确，综合评价了系统的结构、热及光学性能，代表现今工程 分析的最高水平。我们利用成熟的商品化软件，在 AutoCAD 中进行结构设计，于Pro/E 中建立模型，于 Ansys 中进行有限元分析，在 Zemax 中进行光学分析，完成了受加速度冲击作用下全金属反射光学系统主镜的光学集成分析[4]，校核了主镜的强度，得出了加速度冲击对系统光学性能的影响，有效 地解决了对光机系统的结构、热、光学性能进行分析的瓶颈问题。

　　1 模型的建立及输入

　　作为全金属反射光学系统[5]的关键部件，主镜的变形对系统的成像质量影响巨大，因此分析时将主镜作为主要对象，其镜面口径183mm，曲率半径 249.105mm，边缘厚度 3mm，所用材料及主要机械性能见表1。

　　图1 为Pro/E 中低温光学系统主镜三维立体模型的轴侧投影图，利用 Ansys 与 Pro/E 的接口将其输入到Ansys 中的模型，如图2 所示。对比可见，模型的大小、尺寸与形状都没有发生改变，能够正确反应模型的几何特征与性能，从而保证了分析输入的正确性。利用 Ansys 的智能网格划分功能对主镜进行网格划分获得分析所需的有限元模型。网格划分后，软件会自动给节点进行编号，给出节点的坐标，节点间连接关等。以上数据均可 从 Ansys的 .db 数据库文件中得到。

　　2 加载与求解

　　划分网格后，对主镜在轴向、横向方向受到1g , 5g , 10g , 20g 大小的加速度作用时其应力分布及所发生的变形进行了分析。结果表明，在 20g 加速度的冲击下主镜产生的应力及所发生的变形最大，横向加速度对主镜的变形影响较大。在横向 20g 加速度的作用下，主镜轴向变形的最大绝对值为0.869E-6m;轴向加速度对主镜的应力影响较大，在轴向20g 加速度的作用下，主镜的最大应力为 1.19E+6Pa，在此条件下，主镜不会产生永久变形，其刚度符合要求。要分析主镜变形对系统光学性能的影响，需要将主镜的镜面变形数据提取出来。比较 通用的方法是在有限元分析软件中输出整个模型的数据点的集合，然后利用模型的几何拓扑关系或镜面方程提取出变形镜面上的数据点[6]。