光学机械设计OPTOMECHANICAL DESIGN主讲：朱健强中

1光学机械设计OPTOMECHANICALDESIGN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、Opto-electronics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Opto-mechanicsengineer；Optomechanics与OpticalEngineering之间的关系Opto-mechanicaldesignotherOpticaldesignOpto-mechanicaldesignotherOpticaldesign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810)环境NormalServerExtremeExampleofExtremeLowtemperature293K222K2.4KCryogenicsatellitetelescopeHightemperature300K344K423KWhitecellforcombustionstudiesLowpressure88Kpa57Kpa0SatellitetelescopeHighpressure108Kpa1Mpa138MpaSubmersiblewindowHumidity25-75%RH100%RH(Underwater)SubmersiblewindowAcceleration2g12g10×103gGun-launchedprojectileVibration200×106m/secRMS,f≥8Hz0.04g2/Hz20≤f≤100Hz0.13g2/Hz30≤f≤1500HzSatellitelaunchvehicle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。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：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：mkf21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