基于热光学分析的光学窗口玻璃厚度的优化_黎明
太阳能集热器用玻璃的光学性能分析和改善
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｇ ｌ ａ ｓ ｓ ｍａ ｔ ｅ ｉａ ｒ ｌ ｗａ ｓ ｕ ｓ ｕ ａ ｌ ｌ ｙ ｕ ｓ ｅ ｄ ｆ ｏ ｒ ｓ ｏ ｌ ａ ｒ ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ｔ ｏ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｉ ｔ ｓ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ． Ｔ ｈ ｅ ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ａ ｌ
ｌ ａ ｒ ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ｗ ｅ ｒ ｅ ａ ｌ ｓ ｏ ｂ ｒ ｉ ｅ ｌ ｆ ｙ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｅ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｏ ｆ ｌ ｆ ａ ｔ ｓ ｏ ｌ ａ ｒ ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ｂ ｅ ｈ ａ ｖ ｉ ｏ ｕ ￣ ｄ ｕ ｅ ｔ ｏ
０ 引 言
太阳能集热器是吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热工质的装置 ， 是太 阳能产 品和技术 的关键部 分 。为提 高性 能 ， 太 阳能产 品中一般 具有玻 璃结 构 ， 利 用玻 璃反 射 、 折射、 透射、 保 温等 特性 ， 实现太 阳能 的高 效利用。如今 ， 太阳能集热器处于成熟产品市场推广阶段 ， 技术和产品更新速率低 ， 性能改善途径少 。使用 性 能更优 良的玻 璃 成为提 高集 热器性 能 的最简 单 、 最 有效 的途径 ¨。
（ Ｇ ｕ ａ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ Ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ａ ｃ ａ ｄ ｅ ｍ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ， Ｇ ｕ ａ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕ ５ １ ０ ０ ０ ０ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
璃性能提升的结果 ； 采用 改变玻璃透射和反射特性的方法， 并对减反射膜层和低铁玻璃的光学效 果 进 开发 太 阳能新产 品、 新技术 的 思路 和途 径。
空间光谱成像仪热设计参数的灵敏度
空间光谱成像仪热设计参数的灵敏度郭亮;吴清文;颜昌翔【摘要】针对空间光学遥感器在轨运行期间其热物理属性的实际参数与热设计参数之间存在一定的偏差,从而影响整机热设计的问题,本文基于系统灵敏度理论,对空间光学遥感器的热设计进行了分析,并建立了在轨条件下的热平衡方程组.通过分析热平衡方程组的设计变量,总结出影响整机温度分布的热设计参数.以某空间光谱成像仪热设计为例,分析了上述影响整机温度分布的设计参数的灵敏度.灵敏度分析结果表明:整机平均温度对太阳吸收系数的灵敏度几乎为零；对红外半球发射率的灵敏度为2.2～14.55℃；对内部热源的灵敏度为1.8～2℃/W；对导热率的灵敏度为2.25×10-3～4.39×10-2 m℃2/W:对接触导热系数的灵敏度为0～1.1×10-3m2℃2/W.试验验证结果表明,基于灵敏度分析结果的热控设计方案有效且可行.%As the deviation between the real parameters and the thermal design parameters of a space spectral imaging apparatus in orbit effects on the design accuracy of complete appliances, this paper analyzes the thermal design based on the system sensitivity theory, and establishes the heat balance e-quations in orbit. Under the design variable analysis of the heat balance equations, thermal design parameters effecting the temperature distributions of complete appliances are given. As an example, the sensitivity of thermal design parameters mentioned above is analyzed for the space spectral imaging apparatus. The analytical results show that the sensitivity of solar absorption coefficient to the mean temperature is equal to zero, and the sensitivities of emissivity , inner heat source, thermal conductivity, and contact thermal conductivity to the mean temperatureare 2. 2 —14. 55 ℃ , 1. 8 —2 ℃/W, 2. 25 ×10-3- 4. 39×10×1-2 m℃/W and 0-1.1×10-3 m2℃2/W, respectively. Test results prove that the sensitivity analysis based proposed thermal design scheme is effective and feasible proved by thermal test results.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2012(020)006【总页数】10页(P1208-1217)【关键词】空间光谱成像仪;热设计;热分析;灵敏度分析【作者】郭亮;吴清文;颜昌翔【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院研究生院,北京100039;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033【正文语种】中文【中图分类】V443.5;V416.51 引言灵敏度分析适合于解决设计变量多、数学模型复杂的优化设计问题，在工程应用中具有非常重要的意义。
光-机-热联合仿真分析
光-机-热联合仿真分析作者：胡志栋罗婷婷来源：《企业科技与发展》2020年第07期【摘要】光学系统在军事、航空航天、民用等领域应用越来越广，光学系统要满足特定的需求，光学元件载体所在的光学系统工作环境非常复杂，特别是热环境，温度的变化会引起光学系统的热胀冷缩，从而影响成像质量。
因此，在设计阶段对光-机-热进行联合仿真分析，为光学系统设计提供指导性的参考是非常必要的。
文章应用Workbench、Sigfit和Zemax软件进行了实例联合仿真分析，探索了光-机-热联合仿真的过程，为实际工程设计提供了参考。
【关键词】光-机-热;联合仿真;Workbench;Sigfit;Zemax【中图分类号】V441 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）07-0055-030 引言由于光学系统的高精密性需求，光学系统（如夜视镜、望远镜、空间相机、航空相机、经纬仪等）的研制涵盖了光学、结构、热力学、电子等多学科的内容，各个学科之间紧密联系，相互影响。
因此，在进行光学系统设计时，需综合考虑光、机、热等对系统成像性能所造成的影响。
在传统的光机结构设计中，光学分析、结构分析和热分析是相互分离的。
设计光学系统时，首先由光学设计人员对光机系统提出结构上的要求，然后结构设计人员对外界的温度环境提出要求，有限的温控措施又最终会影响光学分析的结果，由此可见，设计一个合理的光机系统是非常耗时耗力的。
针对上述情况，国外于1981年提出了光机热集成分析的概念，希望将各类影响因素加以综合考虑，最终提高整个光机系统的成像质量。
随后的30年内，光机热集成分析得到大量应用，美国国家宇航局及我国几大光机所在设计大型光机系统时，都用到了光机热集成分析技术。
随着仿真技术的广泛应用，针对光学系统设计过程中光机热集成分析问题，“索辰”自主研发了光机热协同仿真系统STOP（Structure/Thermal/Optics Performance）。
空间相机光学窗口热光学性能的仿真分析
一
到 整个元 件 中， 而评 判对 整 个 系统 的影 响 。结 果表 明 ， 方 法合 理 可行 ， 进 新 温度 周 向 不均 匀分
布 会 降低光 学 系统质 量 ， 并且 不 能完全 通过 离焦来补 偿 。 关键 词 ： 感 器 ； 遥 热光 学性 能 ； 真 分析 ； 学 窗 口 仿 光
ｓ ｓ ｅ ｗａ ｅ ｒ ｎ ｒ ｏ ｙ ｂ ｉ ｉ ｇ ｓ ｇ ｎ ｓ ｍａ ｅ ｕ ｆｃ ｍｐ ｅ ｕ ｉ ．Ｅａ ｈ ｓ ｇ ｎ ａ ｅ ｙ ｔ ｍ ｖ ｆ ｏ ｔｅ ｒ ｒｂ ｕ ｌ ｎ ｅ ｍｅ ｔ ｄ ｐ ｏ ｏ ｄ ｌｘｐ ｐ ｌ ｓ ｃ ｅ ｍｅ ｔｃ ｎ ｂ
第３ ２卷 第 ３ 期
２１ ０ １年 ５月
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用
光
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Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｐｉｄＯｐ ｉｓ ｏ ｒ ａ ｆＡｐ ｌ ｔ ｅ ｃ
文 章 编 号 ： ０ ２２ ８ （ ０ １ ０ —４ ７０ １０ —０ ２ ２ １ ）３０ ０—４
ＬＩ Ａ０ ｈ － ｏ，Ｉ Ｚ ｉｂ Ｊ ＡＯ ａ — ｈ ｎ， Ｕ ｉｍｉ Ｗ ｎ ｃ ｕ Ｆ Ｒｕ— ｎ
（ ｅｊ ｇＩ ｓｉｕｅｏ ｐ ｃ ｃ ａ ｉｓ＆ Ｅｌｃｒｃｔ ， ｅｊ ｇ ０ Ｃｈｎ ） Ｂ ｉｎ ｎ ｔ ｔ ｆＳ ａ ｅＭｅ ｈ ｎｃ ｉ ｔ ｅ ｔｉｉ Ｂ ｉｎ １ ０， ｉａ ｙ ｉ ０１ ９ Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｏｐｔｃ ｌ ｉ ａ ｗｉ ｏ ｎｄ ｗ ｏ ｒ ｍ ｏ ｅ ｅ ｉ ｓ ｓ ｅ ｆ ｅ ｔ ｓ ｎｓｎｇ ｙ ｔ ｍ ｈａ ｔ ｒ ａ ｅ ｃ ｎ ｗｉｈ ｍｂｉｎｔ ｓ ｈｅ ｍ ｌ ｘ ｈａ ｇｅ ｔ ａ ｅ ｅ ｖｉｏ ｍ ｅ ｔ ｎｄ ｔ ａ ｅ ｎ — ｎｉｏｒ ｔ ｔ ｒ ａ ｄ ｓ ｒｂｕｔｏ ｎ ｒｎ ｎ ａ ｉ ｃ ｕｓ ｓ ｏｎ ｕ ｆ ｍｉｙ ｈｅ ｍ ｌ ｉ ｔ ｉ ｉ ｎ， ｉ ｃ ｕｄ ｎ ｓ ｓ ｅ ｎ ｌ ｉ ｇ ｙ ｔ ｍ ａ ｅ ａ ｖ ｒ ｇｅ
退火工艺过程光学玻璃热力学特性的计算机仿真_吴清文
文章编号 1004-924X(2000)06-0531-04退火工艺过程光学玻璃热力学特性的计算机仿真吴清文1,卢泽生1,卢 锷2(1.哈尔滨工业大学机电学院,黑龙江哈尔滨 150001;2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春 130021)摘要:退火是光学玻璃加工的重要工艺过程。
用于空间光学遥感器的平板光学玻璃的热特性及热控措施具有特殊的要求,因此其退火过程也具有一定的特殊性。
本文的重点工作是利用有限元法、针对全部镀膜后的光学玻璃在退火工艺过程中的温度场及热弹性变形进行分析计算,旨在探索合理的退火工艺参数及其改进措施。
关 键 词:光学玻璃;温度场;有限元法中图分类号:T P391.9 文献标识码:A1 引 言 退火是光学玻璃加工的重要工艺过程,通常是为了消除玻璃中的永久内应力,消除一批玻璃的光学不均匀性和消除一块玻璃各部分的光学不均匀性等。
一块玻璃从成形到最终加工出正式光学元件需要进行多次退火。
由于结构形式、尺寸等的变化及加工工艺的不同,退火工艺也作适当调整[1]。
镀完增透膜及其他特殊用途的膜后,可能会在光学玻璃表面形成不均匀应力分布,所以需进一步退火处理。
此时该光学玻璃已基本上成为正品,必须对其后续工艺过程严格控制以确保产品研制万无一失,从而保证其生产周期。
本文将探讨用于空间光学遥感器的、已经完成全部切削加工并已镀膜结束的平板窗口玻璃的退火工艺过程中的热问题,主要应用有限元技术[2]考查窗口玻璃在退火过程中的温度场分布及热弹性变形,揭示窗口玻璃的热特性及热力学性能[3-4],为退火工艺提供有关参数。
2 退火过程中光学玻璃热力学特性分析流程 退火工艺过程中光学玻璃热力学特性的计算机仿真主要分为两大部分:(1)温度场分布计算;(2)热变形与热应力计算。
基本计算过程如图1所示。
首先按光学窗口玻璃的结构尺寸及实际退火设备的结构建立退火炉及其内部与传热有关的部件的结构有限元模型,拟定加热功率-时间曲线,与其他热特性参数(传导率、表面红外半球辐射系数、比热容等)输入到模型中,选取瞬态传热模块进行计算,求取各时间点上光学玻璃的温度分布。
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容易混淆的概念：Image Space F/#；Paraxial Working F/#; Working F/# Paraxial Working F/#： Working F/#：
Paraxial Working F/#计算公式中的θ是近轴边缘光线与光轴的夹角； Working F/# 计算公式中的θ是实际边缘光线与光轴的夹角 下面看一个例子：example for F-number.zmx
ZEMAX的仿真功能体现在使用非序列模式、物理光学传播、热分 析等功能模拟和仿真实际的光学系统方面。
ZEMAX有三种版本：ZEMAX-SE（标准版）、ZEMAX-XE（扩 展版）、ZEMAX-EE（工程版）。只有ZEMAX-EE的功能最为全 面。
使用ZEMAX的三种方式
Completely sequential： *应用于传统的镜头设计和大多数的成像系统 *应用这种模式时不能进行散射和鬼象分析
高斯切趾， 切趾因子3。 高斯函数 的傅立叶 变换还是 高斯函数
Fie
ZEMAX支持4种不同视场形式： Field angle: XZ和YZ平面上主光线与Z轴的夹角。常用于无限共轭系统。 Object height: 物面上X，Y高度。常用于有限共轭系统。 Paraxial Image height: 像面上的近轴像高。用于需要固定像的大小的设计中（只 用于近轴光学系统中） Real image height: 像面上实际像高。用于需要固定像幅的设计中（如camera lenses）。
Completely non-sequential
•所有object都是3D shell or solids； •每个object都在一个空间坐标系中定义了其特性； •需要定义光源的发光特性和位置，定义detector收集光线； •光线一直追迹，直到它遇到下列情况才终止： Nothing， 能量低于定义的阈值。 •计算时光学元件的相对位置由空间坐标确定；对同一元件，可同时进行 穿透、反射、吸收及散射的特性计算； •无法作优化,要进行公差分析必须实用macro； 这种情况下，可以对光线进行分光，散射，衍射，反射，折射。
高铝玻璃减薄优化工艺研究
高铝玻璃减薄优化工艺研究摘要：以化学蚀刻薄化技术为基础，对高铝玻璃进行减薄优化研究．主要讨论最佳减薄溶液下，不同温度，不同减薄溶液的pH值，不同时间对玻璃减薄速率的影响．对减薄后的玻璃基板表面通过SME、EDX检测品质分析．在光刻胶和边框的保护下，配制出最优减薄溶液，选择的工艺条件为pH＝2，温度55℃，减薄时间45min。
结果表明：在最佳条件下，玻璃基板减薄速率明显提高，表面的粗糙度得到有效的降低，并减少了表面白色附着物的沉淀。
这为平板玻璃、显示屏等行业的制造，提供了一条可行性方案。
关键词：高铝玻璃；减薄；优化工艺一、实验部分1、实验仪器与试剂（1）实验仪器：S－4800型环境扫描电子显微镜，日本日立公司；TD分析天平，姚市金诺天平仪器有限公司；Ｘ射线能谱仪，美国FORMATJEOL公司；紫外－分光光度计，上海谱元仪器有限公司；101－1干燥箱，上海市仪器有限公司；85－2数控恒温磁力搅拌器，上海浦东物理光学仪器厂；0－25螺旋测微仪，河北京城实验仪器科技有限公司。
（2）实验试剂：氟化铵（AR），天津华达化有限公司；乙二胺四乙酸二钠（AR），天津市河东区红岩试剂有限公司；四硼酸钠（AR），天津市科密欧化学试剂有限公司；98%浓硫酸（AR），国药集团化学试剂有限公司；去离子水等。
2、实验材料实验所用高铝玻璃由深圳金鸿桦烨电子有限公司提供，厚度为0.5mm，其玻璃基片组成为：Sio2，Al203，Mgo，Na2o，K2o，Cao＋Bao等。
将此平板玻璃裁成300mm×300mm的实验片。
3、实验预处理3.1玻璃基板表面预处理对玻璃基板，先用丙酮、乙醇各清洗5min，去除玻璃表面的油污，再用去离子水冲洗并浸泡10min，之后放入100℃的烘箱烘30min，以增强玻璃基板表面的活性。
3.2玻璃面板涂保护层为防止减薄液渗进玻璃内部，在玻璃侧面涂布边框胶，当烘箱加热至100℃时，放入烘箱中，烘30min，使边框胶固化。
利用MODIS资料反演北京及其周边地区气溶胶光学厚度的方法研究
利用MODIS资料反演北京及其周边地区气溶胶光学厚度的方法研究一、概括本文针对北京及其周边地区的气溶胶光学厚度（AOD）进行了研究，探讨了利用MODIS（MODerate Resolution Imaging Spectroradiometer）资料反演AOD的方法。
气溶胶是大气中粒径小于或等于微米的颗粒物，对环境、气候和人类健康具有重要影响。
AOD 是衡量气溶胶光学特性的重要参数，可反映气溶胶的分布、浓度和谱分布等信息。
文章首先介绍了大气气溶胶的基本概念和重要性，然后分析了几种常见的MODIS AOD反演方法，包括辐射传输模型（ATM）、神经网络模型、经验统计方法和遥感影像融合技术。
对这些方法进行了简要评述，并提出了研究中需要解决的关键问题和技术难点。
通过实际观测数据和对比分析，验证了所提出方法的准确性和可行性。
1.1 研究背景与意义随着社会的快速发展，大气污染问题日益凸显，尤其是气溶胶粒子的污染。
气溶胶粒子不仅影响太阳辐射的吸收和散射，还对人类健康、气候变化等产生重要影响。
准确、实时地了解大气气溶胶光学厚度（AOD）对于大气污染监测、气候变化研究和环境评估具有重要意义。
遥感技术在大气污染监测领域得到了广泛应用，尤其是利用MODIS（MODerate Resolution Imaging Spectroradiometer）数据反演气溶胶光学厚度。
MODIS是 NASA 下属的地球观测与地球系统实验室（EOS），具有高时间分辨率和高空间分辨率的遥感数据。
通过 MODIS 数据反演气溶胶光学厚度，可以为政府和相关部门提供有力的决策支持。
北京及其周边地区作为中国的政治、经济和文化中心，以及重要的交通枢纽，大气污染物排放量大，气溶胶光学厚度时空变化复杂。
研究该地区气溶胶光学厚度的分布特征、影响因素及其对大气污染的影响，对于深入理解区域大气污染机制、制定科学合理的大气污染治理措施具有重要意义。
1.2 MODIS资料的特点与优势高时间分辨率：MODIS数据具有一天内多次更新的潜力，为捕捉气溶胶光学厚度的变化提供了便利。
光学系统热效应及分析软件研制_李林
第20卷 第1期2000年2月北京理工大学学报Jo urnal of Beijing Instit ute o f T echnolog y V o l.20 No.1F eb.2000 文章编号:1001-0645(2000)01-0112-03光学系统热效应及分析软件研制李 林, 王 煊, 张丽琴, 张 波(北京理工大学光电工程系,北京 100081)摘 要:研究温度对光学系统的影响,讨论无热设计方法.采用温度热膨胀系数和光线追迹分析温度变化对光学系统结构参数的影响及成像质量的变化.研究表明,温度对光学系统的影响是明显的,无热设计是可行的.温度的热效率不可忽视,利用热效应分析光学设计软件可对光学系统的热效应进行有效分析.关键词:热效应;无热技术;光学设计;软件设计中图分类号:O 439 文献标识码:A收稿日期:19990303作者简介:李林,男,1957年生,副教授,硕士.在非常温、非常压环境下,光学系统所承受的温度、压力及辐射与地面差别极大,使得光学系统的曲率半径、透镜厚度及空气间隔、玻璃的折射率及固定零件等发生变化,从而引起成像质量的变化.在以上因素中,温度是最主要的.因此,设计者必须探索在空间环境下系统性能指标的变化,尤其是随温度的变化,采取措施防止系统性能恶化,以满足空间探测的要求.国外从40年代就开始了环境温度对光学系统像质影响的研究[1],提出了透镜无热设计(Athermal-isatio n )的概念.从70年代中期至今,国外在无热设计方面取得了一些进展,一些软件相继增加了环境温度分析模块.虽然在功能上还不能使设计者感到满意,但能在一定程度上帮助设计者在温度变化时对系统进行分析和修正.国内在这方面还处于起步阶段,常用的几种光学设计软件包目前尚未具备环境温度分析功能[2].1 温度变化对光学系统成像质量的影响温度变化对光学系统的影响主要有两个方面:一是温度变化d t 引起介质的折射率变化d n ,由此光程随之改变.定义折射率的温度系数为B g =d n /d t ,(1)式中 B g 是一个只和介质有关的系数,通常称为光学材料的折射率热系数.温度变化引起光学元件的厚度、空气间隔L 以及各折射面的面形发生变化,光线的光程亦因此而改变.把其用介质的线性热膨胀系数表示为l =(1/L )d L /d t .(2)在一定的温度范围内,l 是常数,不同介质的 l 不同.通常把温度环境分为均匀温度变化和具有径向温度梯度分布两种情况.均匀温度变化是指经过一瞬间后,从一稳定的温度状态到另一稳定的温度状态.而径向温度梯度分布,是指从一环境突然变化到另一环境,或是在稳定的外界热平衡条件下,热量以对流的方式从光学元件的表面流入,由于光学玻璃的低导热性,在元件的内部形成了从中心到边缘的径向温度梯度分布.对于单个透镜,当温度发生均匀变化时,设其焦距为f ,折射率为n ,则其焦距位移系数为x f =B g /(n -1)- l ,(3)xf 的大小决定了透镜焦距的变化量随温度的变化关系.对n 个薄透镜组成的系统,其温度焦距位移系数为xf =f f 1xf 1+f f 2x f 2+f f 3xf 3+…+f f n xf n ,(4)式(4)表明,系统中各元件的焦距位移之和等于总的焦距位移.对于径向温度分布,在半径为R 处的温度近似为t (R )≈t 0+ R2(5)其中 t 0为光轴处的温度; = t (R m )/R 2m ;R m 为边缘半径; t (R m )为轴上和边缘温度差.该式表明,在近似的情况下,温度分布与半径的平方成线性关系.对于光学系统,定义热光系数为g =B g /(n -1)+l ,(6)则光程函数E 可以近似表示为E = 0R 2/2-d 0(n -1) g R 2,(7)其中 d 0为系统厚度; 0R 2/2为对应高斯光焦度 0的无扰动球面波的光程;第二项表明引入温度梯度后,对应的光程差变化由热光系数 g 来控制.无热(Athermalisation)设计是通过一定的补偿技术,使光学系统在一较大的温度范围内保持焦距不变或变化很小.温度均匀变化对系统像质的影响有两方面: 装配材料热胀冷缩引起焦移; 光学材料的光学特性发生变化引起焦移.如果不考虑装配材料的影响,可直接利用光学材料间xf 的互补性,通过不同材料的适当组合消除热效应.对于径向梯度温度分布,热波像差可由各个分立透镜元件互相补偿得到校正.2 光学热效应分析软件(OTEAS )的研制作者研制的能对光学系统的热效应进行分析评估的软件的主要功能有[3]:几何像差和均匀温度效应计算 此功能可计算光学系统从一温度变化到另一温度时几何像差的值.还能输出均匀温度变化下系统各面面形的变化量、玻璃元件的伸缩量和空气间隔的变化量等参数.径向温度梯度分布效应计算 此功能可根据给定的几个温度采样点的温度数据,拟合出元件的径向温度分布多项式,并由此计算折射率的径向分布.此外,还能拟合出透镜的面形,进行光线追迹,计算出几何像差.光学材料热参数查询 软件内含光学材料热参数数据库,可在程序中查询光学材料的线性热膨胀系数、折射率温度系数等热参数值.径向温度梯度分布近似按径向高度的平方分布,因此可用一个二次多项式来拟合,即t h =a 1+a 2h 2,(8)其中 h 为距光轴的径向高度;a 1,a 2为待定系数.对此函数,根据用户输入的温度采样值,采113 第1期李 林等:光学系统热效应及分析软件研制114北京理工大学学报第20卷 用线性最小二乘法进行拟合.根据拟合出的温度分布函数,可得任意径向高度h处的折射率为n(h)=n20+(t h-20)B g=n20+(a1+a2h2-20)B g=n0+a2B g h2,(9)其中 n20为在20℃时介质的折射率;t h为该处的温度;B g为折射率温度系数.而轴上温度时的折射率值为n0=n20+a1B g-20B g.此时的光线轨迹公式为y=y0ch[(n0 /p)x]+[(q0/(n0 )]sh[(n0 /p)x]z=z0ch[(n0 /p)x]+[(L0/(n0 )]sh[(n0 /p)x]q=q0ch[(n0 /p)x]+y0n0 sh[(n0 /p)x].(10) L=L0ch[(n0 /p)x]+z0n0 sh[(n0 /p)x]p=p02=2a2B g/n0式(9)和式(10)就是在径向温度梯度分布n(h)=n0+a2B g h2的介质中光线的轨迹公式.当已知光线的初始位置坐标(x0,y0,z0)和方向余弦(p0,q0,L0),以及折射率温度系数B g时,结合所拟合出的温度分布参数a2,利用这两组公式就可求得任意x处的光线位置(x,y,z)和方向余弦(p,q,L).参考文献:[1] Gr ey D S.A ther malisatio n of optical systems[J].Jo urnal of optical society of A mer ican,1948,38(6):542～546.[2] 李 林,王 煊.环境温度对光学系统影响的研究及无热系统设计的现状与展望[J].光学技术,1997(5):26～29.[3] 王 煊.环境温度对光学系统影响的研究及环境温度分析软件的研制[D].北京:北京理工大学光电工程系,1998.Thermal Effects for Optical System andDesign of an Analysis ProgramLI Lin, WANG Xuan, ZHA NG Li-qin, ZHANG Bo(Departm ent o f O ptica l Engineer ing,Beijing Instit ut e of T echnolog y,Beijing100081) Abstract:To study the effects o f the tem peratur e v ariation on the optical sy stem, and discuss the method o f atherm alisatio n,the effects w er e analyzed by using the co-efficient of thermal expansion and w ith the method of ray tracing.T he ther mal ef-fects is distinct,how ev er athermalisation is feasible.The ther mal effects can not be ignored and the analy sis of the effects can be co mpleted with the metho d presented.Key words:thermal effect;atherm alisatio n techniques;optical design;progr am ming。
基于热光学技术的空间光学系统热设计
个环节 。热设 计 时应尽 量 降低热控 系统 的质 量和 能耗 ， 同时 保证 较 高 的适 应性 和 可 靠性 。 图 １所 示 为一 个典 型 的热 光 学分 析 与 热 设计 流程 简 图 ，
化 。在热光学分析过程中， 温度数据仅仅是一
种 中间变 量和设 计 结 果 ， 作 为 热设 计 的 最 终指 不 标 。美 国早 在 ２ ０世 纪 ７ ０年 代 ， 开 始采 用热 光 就
案。首先 ， 阐述 了热光学技术 的一般方 法以及热光学技术与热设计 的关 系 ， 同时根 据空间光学遥感器所处 的空 间环境和 结构特点 ， 应用被 动和主动热控技术对 空间光学系统进行 了热设计 。然后 ， 利用有 限元 方法对热控后 的温度 场和热 弹性 变形进行 了分析 ， 得出该温度载荷 条件 下光 学元件 表面 的变形 量及 刚体位 移量 ， 用 Ｚｒｉｅ多项式 进行 了波 面拟合 。 利 ｅ ｋ ｎ 最后 ， Ｃ ｄ Ｖ光 学设 计软件计算 了热载荷作 用下光 学系 统的传 递 函数 。结果 表 明， 用 ｏｅ 各种 工况 下全 视场范 围 内光学 系 统分 辨率为 ５ ０ｌ ， ｐ时 传递 函数均超过 ０ ５ 成像 良好 ， ．， 能够满 足光学设计指标 ， 热设计方案合理 可行 。 关 键 词： 空间光学 ； 学 系统 ； 光 热设计 ； 热光 学分析
收 稿 日期 ：０ ９ １１ ： 订 日期 ：０ ９ ４１ ２ ０ － —５ 修 ０ ２０ － —９ ０
中国光学与应用光学
第３ 卷
镜 进行 热设计 ， 采 用 波前 探 测 器 实 时测 量 光 学 并
１ 引 言
空 间遥感 器是 长 寿命 对 地观测 卫 星的主 要有
元件 的波 面变化 。俄罗 斯莫 斯科空 间研 究所设 计 的热光学 试验 装 置 ， 可在 真 空 罐 中实 时检 测 带 有 真 实温度 梯 度 的 主镜 光 学 面形 变 化 。在 国内 ， 中 科 院长春 光机所 近 年来结 合课题 进行 了大 胆 的尝
国外先进光学加工技术发展及现状分析
国外先进光学加工技术发展及现状分析如今我们不难发现，军用武器系统中几乎都装备有各种各样的光电传感器件，而在这些光电传感器件中，或多或少都采用了各种样式的光学零件。
从美国陆军所作的一项调查报告的材料中我们知道，1980～1990年美国军用激光和红外热成像产品所需要的各种光学零件就有114.77万块，其中球面光学零件为63.59万块，非球面光学零件为23.46万块，平面光学零件为18.1万块，多面体扫瞄镜为9.62万块。
拿M1坦克为例，其大约使用了90块透镜、30块棱镜以及各种反射镜、窗口和激光元件。
又如一具小小的AN/AVS-6飞行员夜视眼镜就采用了9块非球面光学零件和2块球面光学零件。
从70年代开始，以红外热成像和高能激光为代表的军用光学技术迅速发展。
军用光学系统不但要求成像质量好，而且要求体积小、重量轻、结构简单。
这对光学加工行业是一个严峻考验。
为了跟上时代发展的步伐，设计和制作出质地优良的光学成像系统，光学零件加工行业于70年代开展了大规模技术革命和创新活动，研究开发出许多新的光学零件加工方法，如非球面光学零件的加工法。
近10多年来，新的光学零件加工技术得到进一步地推广和普及。
目前，国外较为普遍采用的光学零件加工技术主要有：计算机数控单点金刚石车削技术、光学玻璃透镜模压成型技术、光学塑料成型技术、计算机数控研磨和抛光技术、环氧树脂复制技术、电铸成型技术……以及传统的研磨抛光技术等。
2 计算机数控单点金刚石车削技术计算机数控单点金刚石车削技术，是由美国国防科研机构于60年代率先开发、80年代得以推广应用的非球面光学零件加工技术。
它是在超精密数控车床上，采用天然单晶金刚石刀具，在对机床和加工环境进行精确控制条件下，直接利用金刚石刀具单点车削加工出符合光学质量要求的非球面光学零件。
该技术主要用于加工中小尺寸、中等批量的红外晶体和金属材料的光学零件，其特点是生产效率高、加工精度高、重复性好、适合批量生产、加工成本比传统的加工技术明显降低。
基于热光学技术的空间光学系统热设计
基于热光学技术的空间光学系统热设计陈立恒;吴清文;刘巨;郭亮;于善猛【摘要】为了验证空间光学系统热设计的合理性,利用光-机-热集成的热光学分析技术论证了空间光学系统的热设计方案.首先,阐述了热光学技术的一般方法以及热光学技术与热设计的关系,同时根据空间光学遥感器所处的空间环境和结构特点,应用被动和主动热控技术对空间光学系统进行了热设计.然后,利用有限元方法对热控后的温度场和热弹性变形进行了分析,得出该温度载荷条件下光学元件表面的变形量及刚体位移量,利用Zernike多项式进行了波面拟合.最后,用Code V光学设计软件计算了热载荷作用下光学系统的传递函数.结果表明,各种工况下全视场范围内光学系统分辨率为50 lp时,传递函数均超过0.5,成像良好,能够满足光学设计指标,热设计方案合理可行.【期刊名称】《中国光学》【年(卷),期】2010(003)003【总页数】6页(P223-228)【关键词】空间光学;光学系统;热设计;热光学分析【作者】陈立恒;吴清文;刘巨;郭亮;于善猛【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033【正文语种】中文【中图分类】V243.5;V416.4空间遥感器是长寿命对地观测卫星的主要有效载荷，通常是具有较高分辨率的大型光学仪器。
卫星的轨道寿命与任务性质要求遥感器在严酷的空间环境下具有可靠的光学性能，因此，必须有较高的热稳定性，即良好的抵抗空间热载荷的能力。
空间光学遥感器在整个寿命期间处于真空冷黑环境中，受到不断变化的空间外热流和内部热源的影响，其温度水平和分布状态也处于不断变化之中，因此光机结构中呈现出不同部位具有不同的温度，甚至同一部位在不同时刻温度也不相同。
空间光学窗口的热光学灵敏度分析
ｃ ｒｉｄ Ｏ ｔｆｒｔｅ ｓ ｅ ｉ ｅ ｉｃ ｍｆｒ ｎｉｌ ｒ ｄａ ｎ ｘ ａ ｅ ｅａｕ ｅ ｄｆｅｅ ｃ ｓａ ｄ ｔｍ ｐ ｒｔｒ ａｒ Ｕ ｐ ｃｆ ｄ ｃｒ ｕ ｅｅ ｔ ， ａ ｉｌａ ｄ ａ ｉ ｔｍｐ ｒ ｔ ｅ ｏ ｈ ｉ ａ ｌ ｒ ｉ ｒ ｎ ｅ ｎ ｅ ｅ ａｕ ｅ
维普资讯
第 ２ 卷第 ５ ９ 期 ２０ ０ ２年 １ ０月
光 电工程
Ｏｐｔ － ｅ ｔｏ ｃＥｎｇ ｎｅ ｒｎｇ ｏ Ｅｌ ｃｒ ｎｉ ｉ ｅｉ
Ｖ １２ Ｎｏ． ｏ ．９， ５ Ｏｃ ， ００ ｔ２ ２
文 章编 号 ：１０ —０ Ｘ ２ ０ ）５ ０ １－ ４ ０ ３ ５ １ （０ ２ ０ —０ ５ ０
空 间光学窗 口的热光 学灵敏度 分析
丁延 卫 ，韩双丽 ，李 积 慧
（ 国科 学 院长 春光 学 精 密机 械 与物 理 研 究所 ，吉 林 长春 １０ ２ ） 中 ３ ０ ２
摘要：在试验测点温度值 的基础上 ，利用 Ｚ ｒ ｉｅ多项式拟合 出玻璃表面的温度分布。对特定的 ｅ ｎｋ 周向、 径向、 轴向温差和温度水平， 进行窗口外玻璃热弹性分析。 把节点的热 变形拟合为 Ｚｒ ｉｅ ｅｎ ｋ 多项式并代入 ＺＭ Ｘ Ｅ Ａ 软件求得 系统波前误差的 Ｒ Ｓ Ｍ 。分析结果表 明，在温度 变化相 同时，窗 口外
Ａ ａ ｅ ｙｏ Ｓ ｉ ｃ ｓ Ｃ ａ ｇ ｈ ｎ １０ ２ ， ｈｎ ） ｃ ｄ ｍ ｃ ｎ ｅ， ｈ ｎ ｃ ｕ ３ ０ ２ Ｃ ｉａ ｆ ｅ
《飞秒激光刻蚀石英玻璃微加工技术研究》
《飞秒激光刻蚀石英玻璃微加工技术研究》一、引言随着科技的飞速发展，微纳加工技术在众多领域中发挥着越来越重要的作用。
其中，飞秒激光刻蚀石英玻璃微加工技术因其独特的优势，正受到广泛的关注。
该技术具有高精度、高效率、非接触性等优点，被广泛应用于微电子、光子晶体、生物医学等领域。
本文将针对飞秒激光刻蚀石英玻璃微加工技术进行深入研究，探讨其原理、工艺及实际应用。
二、飞秒激光刻蚀石英玻璃的原理飞秒激光刻蚀石英玻璃的原理主要基于激光与物质相互作用的物理过程。
飞秒激光具有极高的峰值功率，能够在极短的时间内将激光能量传递给石英玻璃，使其局部温度迅速升高，从而达到刻蚀的目的。
此外，飞秒激光的脉冲宽度极短，能够减小热影响区，保证加工的精度和效率。
三、飞秒激光刻蚀石英玻璃的工艺研究1. 激光参数的选择：飞秒激光的脉冲宽度、重复频率、能量密度等参数对刻蚀效果具有重要影响。
通过优化这些参数，可以获得更好的刻蚀质量和效率。
2. 加工环境的控制：在微加工过程中，环境因素如温度、湿度、气压等也会影响加工效果。
因此，需要控制好加工环境的各项参数，以保证加工的稳定性和可靠性。
3. 工艺流程的优化：通过改进工艺流程，如预处理、激光加工、后处理等步骤，可以提高飞秒激光刻蚀石英玻璃的效率和质量。
四、飞秒激光刻蚀石英玻璃的应用研究1. 微电子领域：飞秒激光刻蚀石英玻璃可用于制备微型光学元件、光波导等器件，提高微电子产品的性能和可靠性。
2. 光子晶体领域：飞秒激光刻蚀技术可以制备出具有特定结构的光子晶体，具有优异的光学性能和力学性能。
3. 生物医学领域：飞秒激光刻蚀技术可用于制备微型医疗器械、生物传感器等，具有广泛的应用前景。
五、实验研究及结果分析本部分将详细介绍飞秒激光刻蚀石英玻璃的实验过程及结果分析。
通过设计不同的实验方案，如改变激光参数、加工环境等，分析其对加工效果的影响。
同时，通过对比实验结果，验证了飞秒激光刻蚀石英玻璃的优越性。
六、结论与展望本文对飞秒激光刻蚀石英玻璃微加工技术进行了深入研究。
厚玻璃退火常见问题的解决方法张宁郭亚超李连杰高鹏举
厚玻璃退火常见问题的解决方法张宁郭亚超李连杰高鹏举发布时间：2021-12-13T08:42:57.251Z 来源：《城市建设》2021年10月下30期作者：张宁郭亚超李连杰高鹏举[导读] 文章主要是分析了超厚玻璃退火的原理，在此基础上讲解了某玻璃退火常见问题及原因。
河北南玻玻璃有限公司张宁郭亚超李连杰高鹏举 065600摘要：文章主要是分析了超厚玻璃退火的原理，在此基础上讲解了某玻璃退火常见问题及原因，最后探讨了厚玻璃退火中存在的问题和有效的解决措施，望可以为有关人员提供到一定的参考和帮助。
关键字：超厚玻璃；退火；成型1、前言为能够确保到超厚玻璃的生产效益，厂商应当要增强到对超厚玻璃退火工艺的重视，同时需要结合到超厚玻璃生产机法的特点在退火窑敞开区与增加边部暂时压应力，依照相关要求进行操作，这样才可以有效提高到玻璃板的切割温度。
2、厚玻璃退火原理厚玻璃的退火主要基于玻璃温差的传导率，超厚玻璃的冷却水平会出现内外温差，通过控制内外温差引起的玻璃内外应力，可以降低玻璃切割的难度，按照粗玻璃残余应力的计算公式，可以得到待处理玻璃在退火阶段的内外应力，可以得到退火窑的冷却速度，玻璃板的厚度密切相关，可以得到残余应力的产生区域和退火窑的产生区域。
介质中的冷却速率与玻璃板厚度的平方成正相关。
在这种情况下，如果玻璃板的厚度从10 mm增加到20 mm，残余应力也会增加到一倍。
3、退火常见问题及原因3.1、生渣原料残留物主要是由厚玻璃生产阶段的糖状物堆积所引起的。
原料渣的主要原因是退火窑的表面应力曲线是不合理的，玻璃芯的温度超过标准值，结果在剩余玻璃核的拉伸应力的增加。
此外，主撤退窑的返回区域的风扇电机的实际电流远低于额定电流，这导致退火面积的空气量不足，最后，在退火阶段期间，过量糖积聚厚玻璃。
3.2、劈边炸裂在玻璃退火阶段，当15-19mm厚的玻璃退火炉中的玻璃冷却至常温时，主要存在边缘开裂和爆炸问题。
由于冷却速度快，在玻璃原板的两个光滑边缘上沿齿痕方向形成许多纵向小裂纹，然后逐渐开裂，最后沿纵向开裂。
光学计量仪器的原理与应用考核试卷
A.长度测量
B.角度测量
C.形状测量
D.表面质量测量
E.温度测量
2.下列哪些因素会影响光电倍增管的灵敏度？（）
A.光电倍增管的结构
B.入射光的强度
C.光电倍增管的真空度
D.光电倍增管的温度
E.光电倍增管的材料
3.干涉仪的测量原理基于（）。
A.光的干涉现象
B.光的衍射现象
A.薄膜干涉
B.荧光干涉
C.荧光衍射
D.偏振干涉
E.光电效应
10.光电探测器的主要类型包括（）。
A.光电二极管
B.光电倍增管
C.光电晶体管
D.光电倍增管阵列
E.光电传感器
11.下列哪些因素会影响光电探测器的响应时间？（）
A.光电探测器的结构
B.入射光的强度
C.光电探测器的灵敏度
D.光电探测器的温度
E.光电探测器的材料
24.干涉仪中，当光程差为半个波长时，会发生__________。
25.光学计量仪器中的__________用于测量物体的表面硬度。
四、判断题（本题共20小题，每题0.5分，共10分，正确的请在答题括号中画√，错误的画×）
1.光栅光谱仪的分辨率与光栅的刻线密度成正比。（）
2.光电倍增管的灵敏度不受入射光强度的影响。（）
A.光谱仪
B.红外热像仪
C.粗糙度仪
D.光学显微镜
20.光电探测器中，光电倍增管的主要作用是（）。
A.发光
B.探测光信号
C.放大光信号
D.滤光
21.下列哪种光学计量仪器可以用于测量物体的表面裂纹？（）
A.超声波探伤仪
B.光学显微镜
C.显微镜
曲面型飞机电加温玻璃光学性能改进方案研究
产 、试验情况分析 ，上述成 因的形成与产 品结构
０ 引言
飞机 电加温 玻璃是 由２ 片 （ 或数 片 ）不 同厚 度 的普通浮法 玻璃 ，经切割 、成型 、钢化 、镀膜 等 一 系列 特 殊工 序 处理 后 ，用Ｐ Ｖ Ｂ 胶 片粘 合 而 成 。加 热单 元位 于外 层玻 璃 的 内表 面 ，通 常为 Ｉ Ｔ Ｏ 半导体导电膜 。 飞机 电加温玻璃多为 曲面型 ，主要安装在运
则 ，借鉴 预警机屏蔽玻璃研制 的相关成 功经验 ，
确定采用以下４ 种措施 以提高光学性能 ：
①选用优 质的原材料 ；②优化工艺路线 ；③
改 进热弯成 型 、蒸压等关键工艺 ；④改用先进 的
４ 】
全国性建材科技期刊—— 《 玻璃 》 ２ ０ １ ４ 年 第１ 期
总第２ ６ ８ 期
镀膜技术 ，提高镀膜质量 。
２ ． １ 主 要 原 材料 的选 择
（ ４）电极
选 用高 温 导 电银浆 烧 结 在玻 璃 表 面作 为 电 极 ，这种材料烧结后可使加 热膜层 、玻璃 、电极
对 于 主要 材料 的选 择 ，应 遵循 既 要便 于采 购 、又要渠道 畅通 ，既能保证质量 ，又要提高性
输机或特种任务机等大型飞机 的驾驶舱和领航舱 骨架上 。能够在任何气候条件下 ，凭借独特 的加 热功能 防止玻璃表面出现水雾 、结霜 、结冰 ，保
证 良好 的视野 ；同时具备足够 的强度 ，有效 防止
飞 鸟 及异 物 撞 击 ，保 证 机组 人 员 绝对 安 全 。
２ 改进方 案及措 施
Ｋｅ ｙ Ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： ｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ｄ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ， ａ ｉ ｒ ｃ ｒ ａ ｆ ｔ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｈ ｅ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｇ ｌ ａ ｓ ｓ ， ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｍ ａ ｒ ｎ ｃ ｅ ， ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｐ ｒ ｏ ｇ ｒ ａ ｍ．
高低温 光学窗口
高低温光学窗口In the realm of high and low temperature environments, optical windows play a crucial role. These windows are specifically designed to maintain optical transparency and clarity, even under extreme temperature conditions. Their ability to withstand such variations is essential for various applications, including scientific research, industrial processes, and aerospace engineering.在高低温环境中，光学窗口发挥着至关重要的作用。
这些窗口经过特殊设计，即使在极端温度条件下也能保持光学透明度和清晰度。
它们能够承受这种温度变化的能力对于各种应用至关重要，包括科学研究、工业过程和航空航天工程。
The materials used for optical windows are carefully chosen to exhibit excellent thermal stability and resistance to thermal stress. This ensures that the windows maintain their optical properties, such as refractive index and transmittance, regardless of the temperature fluctuations. Furthermore, the windows are designed to minimize thermal expansion and contraction, preventing distortions or cracks that could compromise their optical performance.光学窗口的制造材料经过精心挑选，以展现出优异的热稳定性和抗热应力能力。
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第30卷 第1期光 学 学 报V ol .30,N o .12010年1月ACTA OPTICA SINICAJanuary ,2010 文章编号:0253-2239(2010)01-0210-04基于热光学分析的光学窗口玻璃厚度的优化黎 明1,2 吴清文1 余 飞1,21中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春1300332中国科学院研究生院,北京100049摘要 以热光学分析为基础,对复杂环境下光学窗口的玻璃厚度进行了优化设计。
对光学窗口的强度及其所处的热环境进行了分析和仿真,计算出稳态的温度场,将温度场映射到结构模型中计算了光学窗口在力-热耦合情况下的光学玻璃的变形量,结合光学窗口的折射率梯度分析和玻璃面形变化进行热光学分析,计算出了直径是350mm 的光学窗口在不同的玻璃厚度下光程的均方根(RM S )误差值,确定光学窗口的玻璃厚度为18mm 。
结果表明,光学窗口既能满足强度和可靠性要求,又能在有效通光口径内满足光学指标,为窗口的设计提供了依据。
关键词 光学设计;光学窗口;热光学分析;玻璃厚度;力热耦合中图分类号 V416.5 文献标识码 A do i :10.3788/AOS 20103001.0210Optimization of Optical Window Glass Thickne ss Based on the Thermal Optical AnalysisLi Ming 1,2 Wu Qingwen 1 Yu Fei 1,21Changchun Institute of Optics ,Fine Mechanics and Physics ,Chinese Academy of Sciences ,Changchun ,Jilin 130033,China2Graduate University of Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100049,ChinaAbstract Based on the therma l optic al analysis ,the glass thickness of optica l window under the complex environment is optimized .Intensity and the thermal environment of optic al window is ana lyzed .steady -state temperature field is calculated .By mapping the temperature field to structural model ,the deformation of optic al window under the force -thermal coupling condition is ca lculated .Combinating refractive index gra dient analysis and glass surface change of optical window ,thermal optical analysis is carried out .When the glass thickness is different ,the optic al path in root mean square error (RMS )of optical window with diameter of 350mm is ca lculated .Thickness of the optic al window is determined as 18mm .The results show that the optic al window can not only meet the strength and reliability requirements ,but also meet the optic index in the effective optical aperture .These results provide the guidance for the optica l window design .Key wo rds optical design ;optic al window ;thermal optical analysis ;glass thickness ;forc e -thermal coupling 收稿日期:2009-03-17;收到修改稿日期:2009-04-07作者简介:黎 明(1983—)男,博士研究生,主要从事航天光学遥感器热控制技术方面的研究。
E -mail :daw n75918@126.co m导师简介:吴清文(1968—)男,研究员,主要从事航天光学遥感起环境工程方面的研究。
E -mail :wuqw @ciomp .ac .cn1 引 言光学窗口作为空间模拟器的一部分,外接平行光管,是空间相机光源与空间环境模拟器的接口。
作为零光焦度的元件,窗口是光学系统中最简单的元件。
它位于真空罐与平行光管之间,既为照相通光窗口,又是压力隔离气密窗口(将罐内的真空与外部的大气环境隔离),同时又是温度隔离窗口(将罐内的热沉与外部室温环境隔离)。
要求光学窗口可靠性大于0.9,在大于热光学试验测试相机口径173m m 内透射光学波面光程差的均方根(RMS )小于λ/10。
加载环境条件的复杂性使这种“简单”元件的设计复杂化。
光学窗口的光学性能直接关系到1期黎 明等: 基于热光学分析的光学窗口玻璃厚度的优化相机的分辨力和成像质量及实验结果的可信性,光学窗口的气密性及强度等可靠性又关系着实验的成败。
光学窗口要将罐内的真空与外部大气环境隔离,因此光学窗口要承受1标准大气压(1.01×105Pa)的压力,从窗口的强度及可靠性考虑,需要保证窗口玻璃的厚度足够大;而窗口玻璃厚度太大时,由温度场变化引起的折射率梯度变化和热变形等会更加明显,严重时会导致窗口不满足其光学指标要求。
国际空间站的高质量光学窗口中间两层为508cm×31.75cm;美国“天空实验室”的光学窗口为长方形的单层窗口,采用40.6mm厚的BK7玻璃,通光面积为501.9mm×342.9m m,承受0.42个大气压(0.42×105Pa);美国“双子星座”的光学窗口为近似椭圆形,长轴355mm,短轴203m m,两层承压玻璃的厚度均为9.6m m;俄罗斯“联盟号”飞船的光学窗口内两层的承压层为220mm×12mm[1～3]。
本文拟结合某窗口设计任务,寻找一个合理的玻璃厚度,以解决这类工程设计问题的盲目性,使光学窗口的设计更加合理可靠。
2 光学窗口的强度分析多数光学玻璃材料是脆性材料,在压力作用下,不仅会使通过窗口的光波产生误差,而且还会损坏窗口玻璃。
当窗口玻璃没有足够的塑性变形时,表面会出现裂纹或断裂,因此需要对窗口玻璃进行强度分析,以确定满足强度要求的最小窗口玻璃的厚度。
对脆性材料,压力差引起的最大抗拉应力不应超过σmax=σF/F s。
式中σmax为最大允许抗拉应力,σF为窗口材料的折断应力,F s为安全系数。
光学机械工程通常采用的安全系数为4。
简单支撑的圆形窗口的厚度与直径的最小比值或最小纵横比[4]为d h =28σF3Δp(3+u)F s1/2,(1)式中d/h为窗口纵横比;Δp为窗口内外表面的压力差;u为玻璃材料的泊松比。
光学窗口的最大通光口径为350mm,通过计算可以得到仅仅考虑强度的情况下,窗口玻璃的最小厚度为12m m。
3 光学窗口的温度场分析窗口的热环境主要由空间环境模拟器内的热沉及实验大厅的外部环境构成如图1所示。
外窗口玻璃与实验大厅的恒温环境进行辐射和对流形式的换热;内窗口玻璃与空间模拟器内的热沉进行辐射换热,同时两块玻璃之间也存在热交换;玻璃的周向采用灌胶密封的方式安装,玻璃与通过胶层与窗口的框架存在热传导。
由于内窗口玻璃内表面对热沉的视角系数沿径向逐渐变化,所以由内表面辐射出的热量不同,是造成窗口径向温差的主要原因。
为了减小光学窗口的温度梯度,对光学窗口采取了在窗口壳体铝外框设置电加热片的方式进行热控[5]。
通过有限元软件建立热分析模型,计算了全口径为350m m的窗口玻璃厚度从12mm到27mm厚度变化情况下窗口的温度分布数据如图2所示。
图1光学窗口热环境示意图Fig.1Schematic diag ram of the o ptical windowther mal environment图2不同厚度下光学窗口的径向温度分布Fig.2Radial tempe rature distributio n o f optical w indowin diffe rent glass thickne ss从图2中可以看出,随着光学玻璃厚度的增加,温度水平逐渐上升,径向温差逐渐减小。
4 光学窗口的热光学评价在现有条件下,采用修等光程的方法,可以把每层光学窗口的加工误差RMS值控制在不大于λ/30 (λ=632.8nm)。
采用液态灌胶、室温固化的无应力装配工艺,可以做到对光学窗口光程差的影响降到很小,因此光学窗口的光程差主要由两部分构成:一部分是由于压力差和温度梯度等原因而引起的玻璃的面形变形,这种面形变化将使光学系统的光程发生变化进而产生光程差;另一部分是由于温度梯211光 学 学 报30卷度引起折射率梯度造成的光程差[2]。
4.1热对光学窗口的影响光学玻璃在某一温度t 1下的绝对折射率λt 1是透过光波长和玻璃温度的函数,当波长一定时,它随温度变化的变化值为n t 1=1.000272n 0+α(t 1-20),(2)式中n 0为在20℃时玻璃材料的相对折射率,α为玻璃材料的折射率温度变化率。
光学玻璃在某一温度t 2下的厚度L t 2为L t 2=L 0[1+β(t 2-20)],(3)式中L 0为光学玻璃在20℃时的厚度;β为光学玻璃的线胀系数。
因为光学窗口为薄板结构,采用热膨胀系数较小的熔石英材料,周边约束为无应力密封,而且窗口为零光焦度元件,因此可以忽略径向和周向热膨胀,仅考虑轴向热膨胀的影响[6],所以光学窗口的实际光程公式为n t L t 。
4.2 压力对光学窗口的影响当窗口内外表面存在压力差时,压力差会引起窗口玻璃面形变化进而引起通过窗口的光程发生变化。
通过有限元软件计算了全口径为350mm 的窗口玻璃厚度从12m m 到27mm ,步长为3m m ,6组玻璃厚度不同时窗口的压力变形情况,结果如图3所示。