光学机械设计OPTOMECHANICAL DESIGN主讲：朱健强中

解决方案：
光学系统的误差分析 温控设计 材料选用 自动调整 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：
1 f 2 k m
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成高精度、 高性能光机系统的设计。
运用各学科的分析软件解决相应问题，并在 各种软件间进行自动的数据传送，使一个学科分 析处理的数据与结果成为另一个分析过程源数据 。
集成设计分析方法
光学机械设计Leabharlann Baidu
OPTOMECHANICAL DESIGN
主讲：朱健强
中国科学院 上海光学精密机械研究所 二零零四年五月
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目录
• • • • • • • • Optomechanics的研究价值及地位 光机设计的基本原理 光学元件的安装设计及工艺 光机设计中的调整机构 系统分析 热分析 先进设计方法 附录
Optomechanics的现实地位
• 在国际上已有Opto-mechanics、 Optoelectronics等专有名词； • 每年国际上都会有冠以“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Optomechanics engineer；
• 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810)
环境
Low temperature High temperature Low pressure High pressure Humidity Acceleration Vibration Normal 293K 300K 88Kpa 108Kpa 25-75%RH 2g Server 222K 344K 57Kpa 1Mpa 100%RH 12g Extreme 2.4K 423K 0 138Mpa (Under water) 10×103g 0.13g2/Hz 30≤f≤1500 Hz Example of Extreme Cryogenic satellite telescope White cell for combustion studies Satellite telescope Submersible window Submersible window Gun-launched projectile Satellite launch vehicle
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
200×106m/sec 0.04g2/Hz RMS,f≥8Hz 20≤f≤100H z
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：
fn 1 2 g

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，δ构架自重变形量。
Optomechanics与Optical Engineering 之间的关系
other
Optomechanical design
other Optical design
Optomechanical design
Optical design
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。