光学机械设计

1、1光学机械设计光学机械设计OPTOMECHANICAL DESIGN主讲：朱健强主讲：朱健强中国科学院中国科学院 上海光学精密机械研究所上海光学精密机械研究所二零零四年五月二零零四年五月目录目录 Optomechanics的研究价值及地位的研究价值及地位 光机设计的基本原理光机设计的基本原理 光学元件的安装设计及工艺光学元件的安装设计及工艺 光机设计中的调整机构光机设计中的调整机构 系统分析系统分析 热分析热分析 先进设计方法先进设计方法 附录附录Optomechanics的现实地位 在国际上已有Opto-mechanics、 Opto-electronics等专有名词； 每年国际上都会有冠以

2、“Opto-mechanics”字样的国际会议； 国际上成立有专门的学术组织，定期研讨； 美国主要从事光学工程研究的大学都开设Opto-mechanics课程； 各类人才招聘信息也常会出现需要Opto-mechanics engineer；Optomechanics与Optical Engineering 之间的关系光机设计的基本原理 光学设计工程师：通过各类光学元件的设计，达到预定的设计要求。 光机工程师：通过保证各类光学元件的空间位置，实现仪器性能要求。光机设计基本原理(续)光学机械总体设计的基本要点： 工作环镜 结构设计 机构运动学设计 热环境设计 振动分析 集成设计工作环境(参照美军标

3、810)环境NormalServerExtremeExample of ExtremeLow temperature293K222K2.4KCryogenic satellite telescope High temperature300K344K423KWhite cell for combustion studiesLow pressure88Kpa57Kpa0Satellite telescopeHigh pressure108Kpa1Mpa138MpaSubmersible windowHumidity25-75%RH100%RH(Under water)Submersible win

4、dowAcceleration2g12g10103gGun-launched projectileVibration200106m/secRMS,f8Hz0.04g2/Hz20f100Hz0.13g2/Hz30f1500HzSatellite launch vehicle结构设计结构设计的目的： 支承各类光元件（后有详述） 构成仪器整体，功能布局等关键点：仪器的动态性表征： f n 有多种变形，可在手册中根据要求查寻， g为重力加速度，构架自重变形量。gfn21结构设计(续) 在构件设计中，为提高结构的稳定性，提高设计的振动频率是一方面，另一方面，增加系统的阻尼也是有效的手段之一。 图运动学设

5、计 运动学的设计就是解决光学机械设计的运动件的约束。只有在无过约束或微过约束的情况下，才能保证最佳的定位精度及运动精度。 抗热设计 由于温度的变化引起结构的变化，从而引起光学系统的变化 温度的变化引起光学件的面形变化 温度的变化引起光轴的失调 解决方案：u光学系统的误差分析u温控设计u材料选用u自动调整u被动补偿抗热设计(热变形)抗热设计(热变形)热补偿振动控制 客观上振动无处不在的，振动对精密光学仪器的使用非常有害的。在许多大科学工程中，振动控制是作为专门研究的专项。 振动有二种：周期和随机（PSD表征）。 对一个仪器来说，还有在一定频率响应：mkf21振动光学集成设计 随着各类大型分析软件的诞生，各类设计手段也随之提高，具体表现为：可视化、参数化。 具体措施：各类软件之间实现数据交换，最终达到综合集成的设计要求。传统光机设计光学设计提出变形控制要求给结构设计，结构设计又提出温度范围和温度梯度限制给热设计，结构设计和热设计都盲目的遵从光学设计的要求，以满足系统的光学性能要求，这种设计方法不可避免地导致设计要求过高和性能的浪费，采用这种设计方法不可能完