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光机结构分析丨理解面型(一)

2月前浏览2033
这个系列文,真的是策划已久,申请公众 号最初目的就是写这系列,当时还有一些“宏伟的目标”,然而看的书、读的文献越多越是不敢写。
#光机结构分析,这个主题原计划是翻译Sigfit帮助文档的,真的是在进行只是没有完工。却发现有人早就翻译的利利索索,对于学习者,真的需要翻译文档吗?

图片来源:我的学习笔记

思来想去,还是更新我的学习笔记,可能我的一句总结就会对读者有启发,把书上的、帮助文档里的、老师讲授的内容转化为自己的知识,才是我真的可以做到的。
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进行Sigfit学习之前(快去点赞呀),要理解一些光学设计基本概念。首先聊聊面型是怎么回事?
光机结构设计不同于传统结构设计,光机结构更关注镜面,表面面型误差要保持波长的几分之一,位置误差满足光学设计公差要求。位置误差比较容易理解,几微米或者几微弧度,通过结构有限元分析软件就可以判断出个大概,而表面面型误差是怎么回事呢?
看书时,读到这句话,对于达到或接近衍射极限的光学系统,其系统光程差的 PV值≤λ/4 或RMS ≤λ/14以内时,即可认为该光学系统的成像效果与理想系统不存在显著区别。
还有这句话,反射镜的反射波前差是表面变形量的2倍

嗯?这些话都说什么意思?波前差?RV?RMS?

1、从光学设计角度理解面型

图片来源:《光机集成分析》
如上图所示,点源发出光,以球面波形式传出,两个相同相位的表面间隔一个波长。光线沿着波面法向方向的,光线移动的距离,就是光程长(OPL)。光线传播的物理距离为s,经过介质折射率为n,光程长为:
对于理想光学系统,出射光线必须是球,并且沿着波面法向的光线必须汇聚于波面曲率中心。
图 透镜元件引入的波前差(图片来源同上)
实际波面(红线)与其参考球面波面(蓝线)之间光程场的偏差,就是波前误差的一种评价指标,即光程差(OPD)
峰谷值(PV):波面上最大光程差与最小光程差的偏值,PV值作为评价指标作用有限
举个不恰当的例子,镜面上出现一个风尘颗粒,PV值蹭的一下变大;
相同PV值可能镜面情况完全不同,甚至可能出现PV值大的镜面比PV值小的镜面成像性能更好。
均方根值(RMS):整个波面表面偏差的影响,作为评价指标,更有意义。
 温度载荷、机械应力作用于镜片时,镜片的折射率发生改变,光程长变化,也会产生波前差,这是面型分析真正难点(因为我不会)。

2、从机械设计角度理解面型

上文对面型讨论都是针对波面的,波面是虚构出来,是“非真实的物体”
 对于机械结构设计,设计的却是“真实的物体”,如何明白力学载荷、热载荷作用于镜片时产生的结构变形,进而使光学系统产生波前差的。
镜片产生面型变化原因分为两种:
① 自身原因:制造工艺(加工、材料稳定性)、装配水平(粘胶、镀膜)
外部环境:环境稳定性(温度、风载、重力)、外界载荷(惯性、振动)、热弹性效应等。

图片来源《光机系统设计》第2卷

光学系统提供误差分析如图所示。
图片来源:《光机集成分析》
使用Workbench分析出镜片变形量,和光学中的波像差有何关系?
需要使用Sigfit来作为光机分析接口,实现有限元分析结果导出的光学表面误差集成到光学设计软件中,预测光学性能,解释由于复杂环境条件和同时存在多的各种扰动造成的表面误差。
简单来讲把有限元分析得到得到变形结果,扣掉刚体 位移值后,(注意:结构坐标系与镜面坐标系转换),得到各节点变形量数据,求节点峰谷值和均方根值。
读到这里可以看出,使用Sigfit分析面型,是能对外界环境带来的面形影响进行分析,而自身原因的是无法分析的
聊天时,一朋友说他们做个了个多大口径的反射镜,面型可以做到***(可厉害的指标),和我分析结果差了一个数量级(我心好虚),并且说都用**测了,面型真的是***。
完蛋,难道是我分析错了?问题出在哪里?你猜猜看?
图片来源:网络图库

答案:他说的加工面型,我分析的是载荷条件下面型,这风马牛不相及的沟通...

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参考文献:
1 光机集成分析》
2 《光机系统设计》第2卷


来源:认真的假装VS假装的认真
Workbench振动光学材料装配
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首次发布时间:2024-09-06
最近编辑:2月前
Shmily89
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