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几种特殊光学系统的设计及其有限元分析

许尧  
【摘要】:光学系统的使用环境是光学设计所必须考虑的因素。导引头光学系统的工作温度是-40℃~60℃,其成像质量随着温度的变化而变化,如果不考虑温度变化对光学系统的影响,就会大大降低整个光机系统的可靠性,需要考虑温度变化对光学系统的影响;应用在水下的水下专用光学系统需要考虑水对光学系统的影响,由于水的折射率不同于空气折射率以及水介质的独有特性,需要对水下光学系统进行相应的设计。 本论文以红外导引头光学系统和水下光学系统的应用环境为背景,介绍了有限元分析在光机系统分析中的应用,确定了本论文的研究内容;然后从理论上介绍了均匀温度变化对导引头红外光学系统的影响以及水下压强对水下光学系统的影响;最后对所设计的导引头红外光学系统和水下光学系统进行了相应的有限元分析,并对无热化设计进行了简单的研究。 为了提高光学系统的成像质量,增强系统的可靠性。首先,根据红外材料的热差特性以及光焦度分配,本文设计了一款激光、中长波红外共孔径导引头光学系统,并采用Ansys有限元软件建立了有限元模型,分析了均匀温度变化对成像质量的影响,得出进行无热化设计的必要性;随后,针对水的折射率大于空气的折射率以及水介质所具有的衰减特性、吸收特性和散射特性,本文设计了两款具有不同水密光窗的水下光学系统,并建立了平板型水密光窗和球罩型水密光窗的有限元模型,并对其进行了压应力分析,得出水密光窗进行密封性和抗压性设计的必要性;最后,对红外光学系统的无热化设计进行了初步的研究,针对典型的三片式红外系统,设计了挠性压圈结构,并与普通压圈进行比较,得出挠性压圈的使用提高了成像质量。


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