簡(jiǎn)介

此篇文章為本系列的第2部分，我們將光學(xué)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換至非序列模式，并演示將光學(xué)系統(tǒng)導(dǎo)入 OpticsBuilder 的過(guò)程。然后，我們將演示如何使用 OpticsBuilder 來(lái)建立方體衛(wèi)星的光機(jī)結(jié)構(gòu)，并討論在考慮立方體衛(wèi)星外形尺寸約束的條件下如何安裝光學(xué)器件。

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?使用非序列模式為 OpticsBuilder 做準(zhǔn)備

許多光學(xué)系統(tǒng)可以直接從 OpticStudio 的序列模式導(dǎo)出到 OpticsBuilder 環(huán)境中。將光學(xué)設(shè)計(jì)從序列模式導(dǎo)入到 OpticsBuilder 時(shí)，“OpticsBuilder 文件準(zhǔn)備”工具會(huì)在其保存為 ZBD 文件之前，自動(dòng)將光學(xué)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為非序列模式。但是，如果文件在非序列模式中不能順利的進(jìn)行光線追跡，則模型可能轉(zhuǎn)換失敗。由于立方體衛(wèi)星設(shè)計(jì)的特殊性質(zhì)，此編輯過(guò)程必須在非序列中手動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

在此設(shè)計(jì)中，光線需要通過(guò)主鏡底部的開孔到達(dá)像面。由于序列模式中無(wú)法針對(duì)這種情況設(shè)置開孔，因此轉(zhuǎn)換至非序列后，光線無(wú)法追跡到非序列模式中的像面上。

由于非序列模式下光線追跡的性質(zhì)并且反射鏡仍是一個(gè)實(shí)體，光線會(huì)從主鏡上反射回來(lái)。我們可以使用原生布爾物體類型運(yùn)用布爾邏輯來(lái)創(chuàng)建一個(gè)開孔。

從布爾邏輯運(yùn)算的角度，我們可以將一個(gè)圓柱體物體與主鏡的一部分重疊。然后通過(guò)原生布爾物體就可以生成一個(gè)有著圓柱體開孔的主鏡。這樣主鏡上就會(huì)有一個(gè)半圓形的開孔，允許光線追跡到像面而不被阻擋。

主鏡開孔后，基礎(chǔ)的光學(xué)設(shè)計(jì)部分就已完成。為了驗(yàn)證從序列模式導(dǎo)出后光學(xué)系統(tǒng)性能沒(méi)有改變，可以在非序列模式中使用探測(cè)器查看器來(lái)查看每個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)的光斑尺寸。在使用“轉(zhuǎn)換為 NSC 組”工具將模型轉(zhuǎn)換至非序列時(shí)，軟件會(huì)生成與序列模式下像面上的視場(chǎng)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的非序列光源和探測(cè)器。執(zhí)行光線追跡并分析每個(gè)探測(cè)器上的光斑，將生成的光斑的形狀和尺寸與序列模式下的點(diǎn)列圖的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

以下面的圖片為例，是序列模式下視場(chǎng)1（軸上）的光斑與在非序列模式下探測(cè)器查看器上生成光斑的大小和形狀進(jìn)行對(duì)比。

對(duì)于軸上視場(chǎng)，我們很容易地比較了兩種模式之間的光斑尺寸。非序列模式下的光斑尺寸可以通過(guò)探測(cè)器查看器底部的“光斑信息”選項(xiàng)卡來(lái)確認(rèn)。另外請(qǐng)注意，在序列模式下的點(diǎn)列圖中的單位是um，而對(duì)于非序列探測(cè)器查看器，單位則是mm。按照這種方法，我們依次對(duì)比每一個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)的光斑形狀和尺寸。最終，比較完所有視場(chǎng)點(diǎn)在兩種模式下的 RMS 光斑半徑的偏差最大為0.14um。現(xiàn)在我們可以認(rèn)為光學(xué)設(shè)計(jì)已經(jīng)成功地從序列模式轉(zhuǎn)換為非序列模式，并且在非序列模式下修改后的系統(tǒng)性能保持不變。

將光學(xué)設(shè)計(jì)導(dǎo)入到 OpticsBuilder

在 OpticStudio 中完成光學(xué)設(shè)計(jì)后，我們就可以開始著手光機(jī)結(jié)構(gòu)和立方體衛(wèi)星的外部封裝的研發(fā)了。由于立方體衛(wèi)星系統(tǒng)的外形的標(biāo)準(zhǔn)，尺寸上的限制成為光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要考慮因素。此光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)適用于3U立方體衛(wèi)星的外形尺寸，因此留給光機(jī)結(jié)構(gòu)的空間非常有限。并且還要考慮到，雖然光機(jī)結(jié)構(gòu)可以對(duì)光學(xué)系統(tǒng)起到安全防護(hù)的作用，但其本身會(huì)在設(shè)計(jì)中引入應(yīng)力的影響。

首先，我們需要將光學(xué)系統(tǒng)導(dǎo)入到CAD環(huán)境中，在這里我們使用的軟件是 Creo Parametric 4 ?！癘pticsBuilder 文件準(zhǔn)備”工具是 OpticStudio 的自帶功能，可以準(zhǔn)確的將光學(xué)設(shè)計(jì)直接導(dǎo)入到CAD環(huán)境中。

在將光學(xué)系統(tǒng)導(dǎo)入到 CAD 軟件時(shí)，OpticStudio 會(huì)將相關(guān)信息打包到ZBD文件中。為了將光學(xué)系統(tǒng)正確轉(zhuǎn)換為與 CAD 兼容的 ZBD 文件格式，“OpticsBuilder 文件準(zhǔn)備”工具會(huì)自動(dòng)為用戶自完成一些操作。

由于光學(xué)設(shè)計(jì)此時(shí)已經(jīng)處于非序列模式，所以生成原始 ZBD 文件的過(guò)程就省略了。在運(yùn)行光線追跡之前，“OpticsBuilder 文件準(zhǔn)備”工具將確認(rèn)所有物體對(duì)象都與目標(biāo) CAD 軟件兼容。一旦 ZBD 文件導(dǎo)入 OpticsBuilder，光線追跡的結(jié)果將作為一個(gè)重要的參考。

ZBD 文件中包含了三個(gè)不同的系統(tǒng)度量標(biāo)準(zhǔn)的改變量：整體的光斑尺寸、光束遮擋、像面污染。將 ZBD 文件導(dǎo)入 OpticsBuilder 后，將使用保存的光線集執(zhí)行模擬，以驗(yàn)證每個(gè)度量標(biāo)準(zhǔn)是否在用戶允許的改變量?jī)?nèi)。這將確保導(dǎo)入后的光學(xué)系統(tǒng)的性能沒(méi)有變化。下圖展示了立方體衛(wèi)星光學(xué)設(shè)計(jì)最初導(dǎo)入到 CREO Parametric 環(huán)境下的 OpticsBuilder 的結(jié)果。

模擬完成后，我們看到三個(gè)度量標(biāo)準(zhǔn)都已滿足，并且系統(tǒng)已經(jīng)成功導(dǎo)入?，F(xiàn)在，在 OpticsBuilder 中展示了完整的光學(xué)系統(tǒng)，可以根據(jù)需要修改設(shè)計(jì)并創(chuàng)建光機(jī)結(jié)構(gòu)。對(duì)設(shè)計(jì)所做的任何更改都將保存到 ZBD 文件中。ZBD 文件格式十分方便于在 OpticStudio 和 OpticsBuilder 之間傳輸文件。通過(guò)這種簡(jiǎn)化的工作流程，光學(xué)工程師和光機(jī)工程師可以直接對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行迭代調(diào)整。

立方體衛(wèi)星設(shè)計(jì)的光機(jī)結(jié)構(gòu)注意事項(xiàng)

在設(shè)計(jì)太空有效載荷時(shí)，需要考慮在軌工作溫度、有效載荷以及在發(fā)射過(guò)程中將經(jīng)歷的振動(dòng)等因素。在本例中，工作溫度是我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的因素。

在設(shè)計(jì)在近地軌道上運(yùn)行的光機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)，光機(jī)結(jié)構(gòu)和光學(xué)器件將受到溫度波動(dòng)的影響。由于立方體衛(wèi)星有效載荷在軌道上會(huì)經(jīng)歷不同的溫度，光學(xué)系統(tǒng)和光機(jī)結(jié)構(gòu)的膨脹和收縮會(huì)降低光學(xué)性能。因此，應(yīng)仔細(xì)考慮反射鏡基板和光機(jī)結(jié)構(gòu)的材料選擇，以盡量減少 CTE 不匹配。由此導(dǎo)致的光學(xué)性能的下降可以在之后的建模步驟中使用 FEA 分析和 OpticStudio STAR 模塊進(jìn)行模擬評(píng)估。

對(duì)于太空有效載荷，雜散光的影響也是需要著重考慮的，我們可以在光機(jī)結(jié)構(gòu)中加入擋板以減少雜散光。但是在本設(shè)計(jì)中，我們假設(shè)立方體衛(wèi)星的太陽(yáng)能電池板可以保護(hù)探測(cè)器免受大多數(shù)雜散光的影響，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。

此外，光機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)光線路徑的影響也是必須要考慮的。立方體衛(wèi)星的外形尺寸較小，可用于光機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的空間有限，這對(duì)我們的光機(jī)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)。光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的是否成功可以使用 OpticsBuilder 仿真工具進(jìn)行評(píng)估。此功能將在 CAD 環(huán)境中運(yùn)行光線追跡，并考慮所有相關(guān)的光機(jī)結(jié)構(gòu)的影響。如果某些機(jī)械組件對(duì)結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生影響，則可以利用 OpticsBuilder 中的 Region of Interest 功能在仿真時(shí)排除它們。然后我們可以重新計(jì)算在添加光機(jī)系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)之后的光斑尺寸、光束遮擋、像面污染的改變量，以分析由此導(dǎo)致的性能變化。如果這三個(gè)指標(biāo)在先前設(shè)置的允許改變量范圍內(nèi)，則可以認(rèn)為光機(jī)結(jié)構(gòu)不會(huì)對(duì)光學(xué)性能產(chǎn)生不可接受的負(fù)面影響。這些設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)是我們?cè)诮⒋肆⒎襟w衛(wèi)星案例的最終光機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)必須要考慮的。

立方體衛(wèi)星光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先，我們?cè)O(shè)計(jì)立方體衛(wèi)星的外部框架，為滿足3U設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)外形尺寸約束，其中2U的空間用于光學(xué)設(shè)計(jì)和光機(jī)結(jié)構(gòu)，最后1U的空間分配給電子設(shè)備和探測(cè)器。

為了設(shè)計(jì)立方體衛(wèi)星的外部框架，這里采用了加州理工大學(xué)創(chuàng)建的規(guī)格圖作為參考。

以此規(guī)格圖為參考，在 CREO Parametric 軟件中繪制3U立方體衛(wèi)星的外部結(jié)構(gòu)。下圖顯示的是不包含任何光學(xué)元件的外部框架。

開發(fā)外部框架后，ZBD 文件被放置在結(jié)構(gòu)中。然后創(chuàng)建光機(jī)結(jié)構(gòu)以固定光學(xué)元件并將它們與外部框架結(jié)合。綜合考慮上述提到的注意事項(xiàng)，設(shè)計(jì)了如下的3U立方體衛(wèi)星的光機(jī)結(jié)構(gòu)。

主框架（上圖中的C和B）由碳纖維（C）和36根銦鋼棒（B）的組合制成，以防止整個(gè)系統(tǒng)膨脹。為了補(bǔ)償反射鏡在不同溫度下的膨脹，光學(xué)元件用彈簧螺栓（D）固定。為了防止光束剪切，副鏡使用角鋼結(jié)構(gòu)（A）固定。光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，可以使用 OpticsBuilder 仿真工具直接在 CREO Parametric 中測(cè)試這些組件對(duì)光學(xué)性能的影響。對(duì)于圖8所示的最終仿真，整個(gè)模型被保護(hù)層包裹。

通過(guò)運(yùn)行仿真，我們可以看到所有設(shè)計(jì)指標(biāo)都已滿足。在 OpticsBuilder 中完成光機(jī)結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)后，現(xiàn)在可以完全建好的系統(tǒng)導(dǎo)出到有限元分析（FEA）軟件中。FEA 軟件可用于生成兩個(gè)反射鏡的結(jié)構(gòu)形變數(shù)據(jù)集。最后，這些數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出到 OpticStudio 的STAR模塊進(jìn)行進(jìn)一步分析。

結(jié)論

在本文中，我們介紹了立方體衛(wèi)星在導(dǎo)入非序列模式后如何驗(yàn)證其光學(xué)性能。然后演示了如何將最終的光學(xué)設(shè)計(jì)導(dǎo)入 OpticsBuilder，并詳細(xì)介紹了用于封裝3U立方體衛(wèi)星的光機(jī)結(jié)構(gòu)。最后，我們?cè)敿?xì)介紹了如何在光機(jī)結(jié)構(gòu)最終確定后使用OpticsBuilder仿真工具驗(yàn)證光學(xué)性能。

參考文獻(xiàn)

1.Jin H, Lim J, Kim Y, Kim S. Optical Design of a Reflecting Telescope for CubeSat. J Opt Soc Korea. 2013;17(6):533-537. doi:10.3807/josk.2013.17.6.533

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