Somap案例|卡塞格林望远镜的光机耦合分析

引言随着空间技术的不断发展，对空间光学系统成像质量要求的不断提高，高精度光学系统容易受到空间环境的影响，在温度、结构载荷等作用下光学镜面发生变形，进而引起光学成像质量下降，且由于光学、结构、热学仿真等学科的独立发展，导致数据不能有效地耦合和传递，光机热耦合问题一度成为光学系统的技术痛点。为了解决上述问题，打通光学软件和结构分析软件、热学分析软件之间的壁垒，索辰科技采用集成分析思想，开发了光学仿真软件Somap。Somap能够综合考虑光学部件和结构部件之间的相互作用和影响，内置多种拟合算法，可将结构分析结果拟合为变形（由重力、应力、温度等引起的）后的光学镜面数据，评估光机设备工作于复杂环境条件下（包括环境温度变化、受力条件变化、应力双折射效应等）的光机性能，并实现了流程化、自动化仿真，降低了设计仿真门槛。光机热系统集成设计分析流程如图所示。Somap可以实现耦合计算功能，可导入有限元分析得到的网格及结果数据文件，包括热分析与结构分析的温度、应力和应变等信息，通过多项式拟合（如Zernike多项式）或插值算法进行耦合计算，获得变形后连续的面型数据，输出为光学软件可接收的宏文件，从而实现光学、结构及热的耦合分析。多项式拟合流程步骤如图。Somap获取有限元等结构分析的结果数据和网格数据，包含分析镜面的节点集信息、局部坐标信息等。选择拟合面形的方法，例如选择Zernike多项式拟合。局部坐标系可以选择从光学设计软件中读取，也可以在有限元分析软件中读取。分析面参数设置主要包括：镜面的ID、厚度、孔径，以及曲率半径和二次曲面系数等光学面形参数。拟合参数设置包括：归一化半径、m值、n值等。在结果输出阶段，产生光学分析工具的宏文件和文本文件，包括最佳拟合刚体位移结果、曲率修正结果、多项式系数结果以及各阶段的拟合RMS、PV、MAX、Mean 值。工况本文以卡塞格林系统为例，使用索辰光学仿真软件Somap计算重力载荷下的拟合结果与拟合残差。卡塞格林系统参数焦距1123mm口径266mm波长486.1nm视场半角0.6°主镜曲率半径-502.905mm主次镜的距离193.249mm主镜曲率常数-1次镜曲率半径-149.981mm次镜与像距离260mm次镜曲率常数-2.486由于模型受自身重力作用，主镜底面贴合于主镜镜座表面，且主镜镜座固定，可以通过调节轴向距离和角度的镜筒对次镜进行固定。根据标准Zernike多项式拟合计算方法进行求解。拟合结果展示如下。结果主镜拟合结果次镜拟合结果主镜（左）次镜（右）拟合残差结果表明，光学系统受重力影响产生了镜面变形，Somap将有限元分析软件获得的离散数据拟合成了连续的光学面型数据，可供后续光学设计软件使用，进行光学性能分析，进一步优化光机结构的设计与开发。