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光学系统仿真设计技术专题：认识光机热协同仿

返回列表 来源：admin 浏览：发布日期：2019-02-22

千百年来，人类对宇宙的探索从未停止。地球以外的宇宙是什么？无垠的时空、绝美的星系还是神秘的外来生物……

作为人类观察宇宙的眼睛，太空望远镜，以其高分辨率的成像功能带我们进一步揭开了宇宙神秘的面纱。然而，服役于复杂太空环境中的太空望远镜，除了光学镜头、传感器等光学设计影响因素，外太空复杂的温度场变化、在轨运行的载荷影响、复杂磁场等都会对最终的成像设计造成巨大的影响。

虽然光学本身充满了神秘梦幻和不确定性，光学系统的设计却需要专业的算法和确定的定制工具。在本系列专题中，小编将重点介绍光机设计领域关心的工程问题以及索辰在这些领域的专业解决方案。今天，我们就从光机热协同仿真入手，分享索辰光机热协同仿真系统STOP软件的功能及应用。

图1 哈勃太空望远镜

图2 M16众生之柱-哈勃望远镜拍摄

无处不在的光

生活工作中，光学成像设计和应用无处不在。小到日常生活中的手机、相机、眼镜等，大到装备中的激光武器、光量子计算机、太空望远镜等。光学已然成为人们生活和科技中不可或缺的一部分。为了更好地应用光学，首先需要了解一下什么是光学。

维基百科认为：光学是物理学的一个分支，涉及光的行为和性质，包括它与物质的相互作用以及使用或检测它的仪器的构造。其中，检测光学的仪器构造是我们成像设计的研究热点。理想的成像设计希望物点和像点之间各光线的光程都相等。但在实际成像设计中，由于温度变化、装配偏差等因素，会引起镜面几何变形和光学材料性能变化，使得成像设计过程中的精度降低。因此，光机系统设计需要综合考虑机械载荷和周围环境温度影响的相互作用，才能得到最优的光学系统设计。

图3 理想成像光路图

索辰光机热协同仿真系统STOP

1.光机热集成分析的背景

由于光学系统的高精密性需求，光学系统（如夜视镜、望远镜、空间相机、航空相机、经纬仪等）的研制，涵盖了光学、结构、热力学、电子等多学科的内容，各个学科之间紧密联系，相互影响。因此，在光学系统设计时，需综合考虑光、机、热等对系统成像性能所造成的影响。

在传统的光机结构设计中，光学分析、结构分析和热分析是相互分离的。设计光学系统时，首先由光学设计人员对光机系统提出结构上的要求，然后结构设计人员对外界的温度环境提出要求，有限的温控措施又最终会影响光学分析的结果，由此可见，设计一个合理的光机系统是非常耗时耗力的。针对上述情况，国外于1981年提出了光机热集成分析的概念，希望将各类影响因素加以综合考虑，最终提高整个光机系统的成像质量。随后的30年内，光机热集成分析得到大量应用，美国国家宇航局以及我国几大光机所在设计大型光机系统时，都用到了光机热集成分析技术。

随着仿真技术的广泛应用，针对光学系统设计过程中光机热集成分析问题，索辰自主研发了光机热协同仿真系统STOP（Structure/Thermal/Optics Performance）。该款软件利用索辰独有的多维度模型技术、标签技术，实现了光机热多学科协同仿真，并基于流程模板技术，实现了快速多方案参数化设计，满足光学设计人员高效率和高精度的设计需求。

图4 STOP系统框架

2.STOP系统功能

STOP系统将光学、结构、热等多种学科的分析工具，集成在一个统一的仿真环境下运行，是一款综合了光学、结构力学和热力学等多种学科方法的分析系统。从信息化管理角度，STOP支持用户统一管理方案设计过程中算法、工具、知识及流程，实现设计、试验流程和过程数据的集中管理；从专业业务角度，STOP通过成熟的数据接口和流程模板，可以实现多学科专业数据耦合。例如，结构分析位移和应力数据、热分析位移和应力数据以及光学设计面型数据之间的耦合等。各个学科的分析数据可以通过任务流程节点进行自动流转，减少数据传递误差，设计人员可以通过流程模板和参数化技术实现光机多方案的快速设计。最终，利用该系统，可以将流程和方法固化，实现了研发知识的有效积累、研发经验的高效重用和研发过程的规范化；设计人员可以在统一的环境下设计、共享，协同开展光机设计工作，提高了工作效率。

图5 STOP功能概览

3.STOP在成像设计中的应用

STOP作为国产自主可控的光机热协同仿真平台，可以应用于各类光学仪器的成像设计，包括红外镜头、导引头、太空相机等典型光学成像仪器的设计。STOP支持光机耦合、热机耦合、光机热耦合集成分析，通过多维度模型和标签技术，将CAD设计和CAE分析并行，实现分析驱动设计；通过参数化引擎和流程模板技术，实现光机多方案快速设计，满足快速设计需求；通过光机拟合接口，分析镜面刚体位移、应力、温度等因素造成的镜面折射率的变化，从而实现同轴光学系统、离轴光学系统等多类型成像设计要求。

图6 某光学相机目镜光机热耦合分析

图7 双高斯镜头成像性能评价

光学系统仿真设计技术专题：认识光机热协同仿

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