Статья: Исследование влияния термомеханических нагрузок на качество изображения оптической системы с использованием связки Oofelie-Zemax

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»"

ОАО «Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова»

Исследование влияния термомеханических нагрузок на качество изображения оптической системы с использованием связки Oofelie-Zemax

А.Ю. Пименов, А.П. Смирнов

Введение

При проектировании нового оптического прибора важным моментом является исследование его поведения в условиях воздействия окружающей среды. Это особенно актуально для крупногабаритных систем, а также систем космического базирования, где происходят постоянные изменения температур.

В данной работе приводятся результаты анализа на примере линзового объектива космического базирования: исследуется возможность его работы при перепадах температур в рабочем диапазоне.

Описание оптической системы

Для исследования выбран четырехлинзовый объектив, предназначенный для работы в инфракрасном диапазоне оптического спектра.

Рис. 1. Конструктивные параметры объектива

Таблица 1. Параксиальные характеристики объектива

Рис. 2. Конструкция исследуемого объектива

В качестве критерия качества изображения выбрана концентрация энергии в кружке рассеяния: она должна составлять не менее 0.7 для пятна радиусом 20 мкм. При этом допускается снижение концентрации энергии в осевой точке. Конструкция объектива представляет собой четыре закрепленные между собой винтами оправы с установленными в них линзами. При этом для обеспечения центрировки оптических компонентов производится обработка посадочных отверстий оправы под линзу с зазором не более 0.01 мм. оптический четырехлинзовый объектив

В техническом задании к объективу указан рабочий диапазон температур от - 50^оС до + 50^оС. Следовательно, необходимо решить следующие задачи:

- расчет температурных деформации оптических компонентов, возникающих при пережатии в оправе

- определение смещения линз в оправе вдоль оптической оси, изменение радиусов кривизны поверхностей, а также показателей преломления.

При расчете деформаций поверхностей оптических компонентов, их можно представить в виде коэффициентов разложения по базису полиномов Цернике (Zernike Standard или Zernike Fringe) или сетки прогибов (Grid Sag). В данном случае был применен метод Zernike Fringe. При использовании этого метода форма поверхности оптического компонента описывается следующим выражением [1]:

Данный метод положен в основу связки программ OOFELIE - ZEMAX, образующих единую интегрированную среду проектирования оптико-механических приборов. OOFELIE - это среда инженерного анализа (CAE), в основу которой положен метод конечных элементов.

Анализ объектива

Все дальнейшие исследования проводились для конструкции, находящейся при температуре - 50^оС, относительно номинальной температуры +20^оС.

При расчете были использованы следующие материалы оптических компонентов: кремний - для линз 1, 3, 4 и германий для линзы 2 (рис. 2). Материалы выбраны из каталога стекол ZEMAX «INFRARED». Материал оправ - ковар 29НК. Механические свойства материалов приведены в таблице 2.

Таблица 2. Механические свойства материалов, принятые при расчете

Как видно из таблицы 2 при больших перепадах температур возможны сильные пережатия линз 1,3 и 4, так как коэффициент линейного расширения кремния довольно сильно отличается от ковара 29 НК.

При расчете в Oofelie между линзой и оправой назначались типы связи «Mechanical Gluing» и «Thermal gluing», что означает жесткое закрепление между линзой и оправой в местах контакта.

Местами контакта в моделируемой конструкции являются: цилиндрическая посадочная поверхность линзы и оправы, рабочая поверхность линзы и кольцо образуемое буртиком оправы, фаска на линзе и контактирующая с ней поверхность резьбового кольца.

Результат расчета приведен на рисунке 5.

Рис. 3. Напряжения в линзах при пережатии

Как видно из эпюры, напряжения в линзах из-за пережатия оправой присутствуют, однако значение максимального напряжения значительно ниже предела прочности материала линз. Следовательно, такой вариант закрепления может считаться приемлемым. Вторая задача, как говорилось выше - определение смещения линз в оправе вдоль оптической оси, изменение радиусов кривизны поверхностей, а также показателей преломления. Данную проблему можно решить, как используя лишь Zemax, так и связку Oofelie-Zemax. При этом в первом случае не учитывается форма конструкции, а также плоскость крепления прибора (рис.2), расчет производится посредством моделирования «трубок» нулевой толщины с заданным коэффициентом линейного расширения, которые устанавливаются между линзами. Результаты расчетов приведены на рисунках 4-6.

Рис.4 Перемещение линз вдоль оси Z (оптической оси) при расчете в Oofelie.

Рис. 5. Расчет оптической системы при - 50^оС в Zemax

Рис. 6. Расчет оптической системы при - 50^оС в Oofelie-Zemax

Таблица 3. Графики концентрации энергии в кружке рассеяния

После каждого расчета проводилась коррекция заднего отрезка по критерию среднего-квадратического отклонения пятна рассеяния, для поиска плоскости наилучшей установки. Расчет изменения коэффициентов преломления стекла из-за изменения температуры производился непосредственно в Zemax.

Качество изображения системы осталось достаточно близким к первоначальному, однако для одной из точек поля произошло заметное снижение концентрации энергии. Как видно из представленных выше рисунков, при расчете возникают некоторые различия в значении расстояний между линзами, которые объясняются более точным моделированием, при анализе с использованием реальной конструкции прибора. Это момент является важным при расчете подвижек приемника. Так из рисунков 5 и 6 видно, что значения заднего отрезка системы различаются почти на 0.1 мм.

Таким образом, был выполнен расчет оптической системы объектива с использованием связки Oofelie-Zemax, проведено сравнение с классическим методом расчета термических нагрузок в Zemax.

В дальнейшем, работа на стыке нескольких дисциплин - расчёта и моделирования оптических систем, конструирования и инженерного анализа позволит создать комплексный подход для всестороннего исследования разрабатываемого изделия. Это в свою очередь ускорит процесс разработки и повысит надёжность конечного продукта, а также существенно сократит расходы при производстве, уменьшив количество конструкторских ошибок.

Литература

1. Официальное руководство OOFELIE

2. Официальное руководство ZEMAX