光机集成有限元分析光学面形后处理研究与实现

摘要

目前,大型高精密光机系统设计都采用了先进的仿真设计手段,如:光学设计普遍采用了Code V、Zemax等仿真设计工具,机械设计采用MSC_PATRAN、MSC_NASTRAN、ANSYS、IDEAS等有限元分析计算工具.目前,还没有一种光机一体化的仿真设计工具.光机集成有限元分析方法是将光学、机械学、力学、热学等多个学科综合考虑并进行相关性仿真设计,其主要研究内容是在各种载荷作用下,预示光机系统中光学元件及其支撑结构的变形,光学元件变形包含刚体位移和表面畸变,光学元件的刚体位移将影响光学系统的离焦、离轴、倾斜,光学元件表面畸变将影响光学系统的像差,而Patran分析计算的结果不能把刚体位移和表面畸变分离出来.光机集成有限元分析方法就是通过分离三种形式的刚体位移和光学表面畸变的PV值和RMS值,指导光机系统的设计、误差分配和装调,并将数据转换成光学分析软件CODEV可接收的数据形式,对光机系统做整体成像性能评价.本文详细介绍了光机集成仿真的若干关键技术.介绍了Zernike拟合的Gram-Schmidt以及奇异值分解两种方法;论述了Zernike拟合时的方向问题,计算了法线方向的面形误差;针对Zernike拟合时的藕合与混淆,采用先用齐次坐标变换去除刚体位移,再用奇异值分解进行Zernike拟合.在Windows环境下用Matlab语言具体实现,并对所采用的方法进行精度分析.

目录

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第一章绪论

1.1光学、机械、热分析的相互关系

1.2光机系统集成有限元分析

1.3国内外现状

1.4论文的主要工作

1.5小结

第二章Zernike多项式拟合的关键问题

2.1 Zernike多项式简介

2.2 Zernike多项式拟合的关键问题

2.2.1 Zernike多项式拟合的阶选择法则

2.2.2 Zernike多项式拟合模式耦合与混淆

2.2.3 Zernike多项式拟合的拟合方法

2.2.4拟合方法的选择

2.2.5 Zernike多项式拟合的方向问题

第三章法线方向的面形误差处理方法

3.1引言

3.2 工程分析中的数据处理方法

3.3计算实例

3.4小结

第四章齐次坐标变换方法

4.1齐次坐标变换方法

4.2镜面相对于各自理想位置平移量和偏转量的求解

4.3计算实例及精度分析

4.4峰谷值、均方根值的计算

第五章光学性能分析

5.1光学传递函数

5.2光学模型分析

第六章光机集成仿真系统的实现

6.1有限元分析建模的注意事项

6.2数据预处理系统

6.3面形后处理系统

6.4小结

第七章总结

附录：主镜镜面变形计算

参考文献

致谢

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