第一章 有限元力学分析导论 1
1.1 光机集成分析问题 1
1.1.1 集成概念 1
1.1.2 轨道望远镜的例子 1
1.1.3 透镜筒的例子 2
1.2 弹性力学回顾 3
1.2.1 三维弹性理论 3
1.2.2 二维平面应力 5
1.2.3 二维平面应变 6
1.2.4 主应力和等效应力 7
1.3 材料属性 8
1.3.1 综述 8
1.3.2 品质因数 9
1.3.3 关于材料的讨论 12
1.3.4 常用望远镜材料 13
1.4 有限元分析基础 13
1.4.1 有限元理论 13
1.4.2 单元性能 15
1.4.3 结构分析方程 17
1.4.4 有限元热分析 18
1.4.5 热分析方程 19
1.5 有限元模型的对称性 19
1.5.1 广义载荷 20
1.5.2 对称载荷 20
1.5.3 建模技巧 22
1.5.4 轴对称性 23
1.5.5 对称性利弊 23
1.6 模型检查 24
1.7 结论 25
参考文献 25
附录 26
第二章 机械工程师光学基础 30
2.1 电磁学基础 30
2.2 偏振 31
2.3 光线、波面以及波前差 32
2.4 指向误差 33
2.5 光学像差 34
2.6 图像质量和光学性能 36
2.6.1 衍射 36
2.6.2 图像模糊的评价指标 37
2.6.3 光学分辨率 39
2.6.4 调制传递函数 40
2.7 图像形成 41
2.7.1 空间域 42
2.7.2 频率域 42
2.8 成像系统基本原理 44
2.9 二次曲面 45
2.10 光学设计形式 46
2.11 干涉测量和光学检测 47
2.12 机械遮拦 47
2.12.1 遮拦周长、面积和包围圆能量 48
2.12.2 不同星形构型的衍射影响 48
2.12.3 衍射峰 49
2.13 光学系统误差预算 50
参考文献 50
第三章 泽尼克及其他常用多项式 52
3.1 泽尼克多项式 52
3.1.1 数学描述 52
3.1.2 泽尼克多项式项 53
3.1.3 标准泽尼克多项式 54
3.1.4 Fringe泽尼克多项式 57
3.1.5 幅值和相位 58
3.1.6 泽尼克多项式的正交性 58
3.1.7 计算泽尼克多项式系数 61
3.2 环域泽尼克多项式 62
3.3 X-Y多项式 63
3.4 勒让德多项式 63
3.5 勒让德－傅里叶多项式 64
3.6 非球面多项式 65
参考文献 66
第四章 光学表面误差 67
4.1 光学表面刚体误差 67
4.1.1 计算刚体运动 67
4.1.2 在光学模型中表示刚体位移 69
4.2 光学表面形状变化 70
4.2.1 矢高位移 70
4.2.2 表面法向位移 71
4.3 表面误差和波前差的关系 72
4.3.1 折射面 72
4.3.2 反射面 73
4.4 光学表面变形和泽尼克多项式 73
4.4.1 光学表面误差分析的例子 74
4.5 在光学模型中表示弹性形状变化 76
4.5.1 多项式表面定义 76
4.5.2 干涉图文件 77
4.5.3 均匀栅格点列数据 77
4.6 使用灵敏度系数和矩阵预测波前差 80
4.6.1 刚体和曲率半径灵敏度系数 80
4.6.2 使用泽尼克灵敏度矩阵 82
4.7 有限元导出的点列图 83
参考文献 83
第五章 光机位移分析方法 84
5.1 光学零件的有限元位移模型 84
5.1.1 定义 84
5.1.2 单点模型 85
5.1.3 实体镜片模型 86
5.1.4 轻量化反射镜模型 90
5.1.5 主动式镜片建模方法 104
5.1.6 镜片模型中的对称性 108
5.2 表面效应分析 112
5.2.1 复合材料板模型 113
5.2.2 均质板模型 113
5.2.3 三维模型 115
5.2.4 镀膜固化收缩的例子 115
5.2.5 Twyman效应的例子 117
参考文献 119
第六章 光学支撑建模 120
6.1 胶接位移模型 120
6.1.1 胶的弹性行为 120
6.1.2 详细的三维实体模型 123
6.1.3 等效刚度模型 124
6.2 挠性元件和支撑结构的位移模型 131
6.2.1 一般结构和支撑结构的分类 131
6.2.2 运动学支撑建模 134
6.2.3 挠性支撑建模 135
6.3 测试支撑建模 146
6.3.1 气囊建模 147
6.3.2 一个非轴对称镜片测试支撑状态变形分析的例子 150
6.3.3 V形块测试支撑建模 152
6.3.4 吊带和滚链测试支撑建模 152
6.3.5 三种测试支撑对比的例子 153
6.4 支座的误差分析 153
6.4.1 蒙特卡罗分析 154
6.4.2 反射镜支座平面度／共面性误差的例子 154
6.5 装配过程分析 156
6.5.1 理论 156
6.5.2 反射镜支撑装配分析的例子 158
参考文献 159
第七章 光学系统的结构动力学 161
7.1 自然频率和振型 161
7.1.1 多自由度系统 162
7.2 阻尼 163
7.3 频响分析 163
7.3.1 力激励 163
7.3.2 基础激励引起的绝对运动 165
7.3.3 基础激励引起的相对运动 167
7.3.4 频响分析的例子 168
7.4 随机振动 168
7.4.1 时域随机振动 169
7.4.2 频域随机振动 169
7.4.3 单自由度系统随机振动响应 170
7.4.4 随机振动设计量级 172
7.5 振动噪声分析 173
7.5.1 Patch方法 173
7.6 冲击分析 175
7.6.1 冲击响应谱分析 176
7.6.2 时域冲击分析 177
7.6.3 冲击载荷的衰减 177
7.7 LOS抖动 178
7.7.1 LOS抖动的有限元分析 178
7.7.2 物和像空间的LOS抖动 179
7.7.3 光学元件的刚体运动 180
7.7.4 卡式望远镜LOS抖动分析的例子 180
7.7.5 LOS刚体检查 181
7.7.6 径向LOS误差 182
7.7.7 识别结构关键模态 183
7.7.8 LOS抖动对像质的影响 184
7.7.9 传感器积分时间的影响 187
7.8 LOS主动稳定技术 189
7.8.1 图像运动稳定控制 189
7.8.2 刚体运动稳定控制 190
7.9 结构控制建模 191
7.10 隔振 192
7.10.1 多轴隔振 193
7.10.2 隔振系统例子 193
7.10.3 Hexapod隔振系统 195
7.10.4 隔振频响跌落特性 196
7.11 动态载荷导致的光学表面误差 196
7.11.1 关于动态响应和相位的考虑 197
7.11.2 计算光学表面动态响应的方法 197
7.11.3 动态表面响应和模态技术 198
7.11.4 动载荷引起的系统波前差 199
参考文献 200
第八章 光学系统中的机械应力 202
8.1 有限元应力分析 202
8.1.1 粗有限元模型和应力集中因子 203
8.1.2 有限元后处理 203
8.2 韧性材料 204
8.2.1 微屈服强度 204
8.2.2 极限强度 205
8.3 脆性材料 205
8.3.1 断裂韧性 206
8.3.2 计算应力强度的有限元方法 206
8.4 光学玻璃的设计强度 207
8.4.1 表面缺陷 207
8.4.2 受控研磨和抛光 207
8.4.3 惰性强度 208
8.4.4 环境增强的断裂 210
8.4.5 验证试验 215
8.4.6 循环疲劳 215
8.5 应力双折射 215
8.5.1 机械应力和折射率椭球 216
8.5.2 各向同性材料的应力双折射 217
8.5.3 应力光学系数 219
8.5.4 非均匀应力分布下应力双折射的计算 220
8.5.5 应力双折射的例子 222
8.5.6 应力双折射和光学建模 224
参考文献 225
第九章 光热分析方法 227
9.1 热设计及分析 227
9.2 热弹性分析 228
9.2.1 热应变和热膨胀系数 228
9.2.2 CTE的不均匀性 229
9.3 折射率随温度的变化 230
9.4 温度对单透镜的影响 232
9.4.1 双胶合透镜的焦距变化 233
9.4.2 径向梯度 234
9.5 使用光学设计软件计算热响应 235
9.5.1 在光学模型中表示OPD地图 235
9.6 复杂温度场的热光分析 236
9.6.1 热光有限元模型 236
9.6.2 使用积分技术计算热光误差 237
9.6.3 用户定义的表面 238
9.7 体积吸收 239
9.8 映射温度场从热模型到结构模型 240
9.8.1 最近节点方法 240
9.8.2 热传导分析 241
9.8.3 形函数插值 242
9.9 类似技术的推广应用 243
9.9.1 吸湿 243
9.9.2 黏结剂固化 243
参考文献 243
第十章 自适应光学分析方法 245
10.1 引言 245
10.2 模拟方法 246
10.2.1 确定作动器的输入 247
10.2.2 自适应镜片的特征指标 248
10.3 增强作动器的使用 250
10.3.1 增强作动器的例子 251
10.4 自适应镜片的斜率控制 252
10.5 作动器失效 252
10.6 作动器行程极限 253
10.7 作动器分辨率和容差 254
10.7.1 分析作动器分辨率的例子 255
10.8 自适应控制镜片的设计优化 256
10.8.1 设计优化中的自适应控制模拟 256
10.8.2 作动器布局优化 259
10.9 应力抛光技术 261
10.9.1 应力抛光中的自适应控制模拟 261
10.9.2 六边形分块镜阵列应力抛光的例子 262
10.10 自适应工具的推广应用 264
10.10.1 CTE变化的相关性 264
10.10.2 支座变形 265
参考文献 265
第十一章 光机系统优化技术 267
11.1 优化方法 267
11.2 优化理论 269
11.3 考虑光学性能的结构优化 271
11.3.1 在有限元模型中使用设计响应方程 271
11.3.2 在有限元分析中使用外部设计响应 274
11.4 集成热－结构－光学优化 274
参考文献 275
第十二章 光学结构的超单元法 276
12.1 概述 276
12.2 超单元理论 276
12.2.1 静态分析 277
12.2.2 动态分析 277
12.2.3 超单元的类型 279
12.3 超单元法在光学结构中的应用 279
12.3.1 运动学支撑 279
12.3.2 分块反射镜 280
12.4 超单元的优点 280
12.5 望远镜的例子 281
参考文献 281
第十三章 一个望远镜的光机集成分析 282
13.1 概述 282
13.2 光学模型描述 283
13.3 结构模型描述 284
13.4 考虑光学指标的主镜优化 285
13.5 LOS计算 286
13.6 在轨图像运动的随机响应 288
13.7 在轨表面变形的随机响应 290
13.8 详细的主镜模型 291
13.9 RTV胶和环氧胶 293
13.10 重力作用下的静态性能 294
13.11 热弹性性能 297
13.12 多项式拟合 298
13.13 装配过程分析 299
13.14 其他分析 300
13.15 超单元方法 300
参考文献 302
第十四章 透镜组件光机集成分析 303
14.1 双高斯透镜组件 303
14.1.1 热分析 303
14.1.2 热弹性分析 304
14.1.3 应力双折射分析 305
14.1.4 热光分析 306
14.1.5 光学分析 306
14.2 七元件透镜组件 309