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轻小型折反式光学系统结构特性研究

作　者: 龙波
导　师: 邢廷文
学　校: 中国科学院研究生院（光电技术研究所）
专　业: 光学工程
关键词: 轻小型折反式光学系统结构特性安装应力分析结构优化视轴稳定性
分类号: TH74
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着现代光学工程技术的发展，轻小型折反式光学系统因其结构紧凑、重量轻、视场大、像差小等优点得到广泛应用。轻小型化限制了系统结构刚度及稳定性，为保证力热环境下光学系统的成像质量及视轴稳定性，开展了结构特性的综合研究。针对超紧凑光学布局，如筒长与焦距比小于0.5且主镜顶点到像面距离受限的情况，采用次镜支架作为安装基板、主镜和校正镜筒同环交错前向安装的方法，成功实现狭窄空间内的结构布局。为评估主镜在安装状态的变形，建立了螺钉连接预紧力有限元分析模型，分析选定了柔性环板参数及支撑结构加强方案。对反射镜保持面形稳定的措施进行了阐述，设计了与装配状态一致的安装方法，实证可削弱螺钉安装应力的影响。为提高校正透镜组在压圈装配力及热环境下的适应性，开展了镜筒结构件接触面的形状优化，并针对温度环境，在径向开展光机间隙校核；在轴向根据高温匹配性计算了压圈预紧力，并分析了低温下透镜的应力和变形情况。基于ANSYS优化理论及流程，对体积、重量、遮拦受限的一体式次镜支架开展参数化建模，用结构基频作为目标函数完成优化设计。进一步设计应用了新型螺旋撑筋桁架式次镜支架，具有优良的结构刚度及抗弯性能，利用搭建的试验平台测试了冲击条件下的视轴漂移情况。根据次镜相对主镜转角实现波面匹配的方法，设计了新型次镜调整安装结构，实现次镜倾斜角度的单调连续调节，在已有面形状态下可提高光学系统像质，适应光学精细装调以及力学环境工况需求。针对系统结构特点提出了单点金刚石切削加工结合平面干涉检测辅助次镜装调对准的方法，以简化装调过程。光学系统传函及视轴晃动实测结果表明本文的研究工作取得较好的应用效果。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-11
1 绪论  11-21
  1.1 轻小型折反式光学系统结构特性研究的意义  11-13
  1.2 国内外研究现状及发展趋势  13-17
  1.3 本文的研究内容及技术途径  17-20
  1.4 小结  20-21
2 光机结构分析理论及过程  21-30
  2.1 弹性力学基本方程  21-22
  2.2 动力学分析基本理论  22-25
    2.2.1 动力学分析基本方程  22-23
    2.2.2 模态分析基本理论  23
    2.2.3 动力学响应时域分析  23-25
  2.3 有限元结构分析理论  25-26
  2.4 有限元分析软件及光机分析流程  26-29
  2.5 小结  29-30
3 轻小型化布局及反射镜结构特性分析  30-59
  3.1 反射镜材料的选择  30-33
  3.2 轻小型化结构布局及设计分析  33-37
  3.3 主镜的柔性环板模型分析  37-39
  3.4 反射镜面形变化的评估方法  39-41
  3.5 主镜安装变形分析及结构优化  41-51
    3.5.1 螺钉安装应力对面形影响分析  41-46
    3.5.2 安装面不平面度对面形影响分析  46-48
    3.5.3 主镜模态基频对比分析  48-49
    3.5.4 主镜镜体加固措施及对比分析  49-50
    3.5.5 考虑抗横向加速度影响的主镜结构优化  50-51
  3.6 反射镜保持面形稳定的措施  51-58
    3.6.1 材料及镜坯的制备及热处理  51-53
    3.6.2 镜面加工装卡方式分析与设计  53-58
  3.7 小结  58-59
4 校正镜组结构力热适应性设计  59-75
  4.1 透镜固定接触面优化设计  59-63
  4.2 镜筒温度适应性结构设计  63-74
    4.2.1 镜筒的结构形式  63-64
    4.2.2 径向温度下镜筒间隙设计  64-66
    4.2.3 轴向温度下镜筒预载分析  66-69
    4.2.4 校正镜组有限元热分析  69-74
  4.3 小结  74-75
5 次镜支架优化及视轴稳定性测试  75-92
  5.1 次镜支架优化  75-87
    5.1.1 ANSYS 优化方法及过程  75-77
    5.1.2 次镜支架模型及设计需求分析  77-79
    5.1.3 次镜支架参数化建模及优化设计  79-84
    5.1.4 新型螺旋环绕撑筋次镜支架  84-87
  5.2 视轴稳定性仿真分析及测试  87-90
  5.3 小结  90-92
6 装调适应性结构设计及系统像质检测  92-106
  6.1 次镜装调机构设计及分析  92-98
    6.1.1 次镜顶拉安装连接结构分析  93-95
    6.1.2 新型次镜旋转调整安装结构  95-98
  6.2 光机基准面 SPDT 加工辅助装调工艺结构设计  98-101
  6.3 光学系统像质检测  101-104
  6.4 小结  104-106
7 总结  106-109
  7.1 本文主要工作  106-107
  7.2 创新点  107-108
  7.3 进一步的工作  108-109
参考文献  109-111
作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果  111

轻小型折反式光学系统结构特性研究

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