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此篇文章為本系列的第4部分，我們將介紹如何將 Ansys Mechanical 的 FEA 數(shù)據(jù)導(dǎo)入 STAR 模塊，并將這些數(shù)據(jù)用作 STOP（結(jié)構(gòu)、熱、光學(xué)性能）分析。我們將分析FEA數(shù)據(jù)對(duì)光學(xué)性能的影響，并得出用于修改標(biāo)稱(chēng)立方體衛(wèi)星設(shè)計(jì)的見(jiàn)解。（聯(lián)系我們獲取文章附件） ebI2gEu;a  
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使用 STAR 模塊進(jìn)行 STOP 分析 =?.oH|&\h  
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現(xiàn)已在光學(xué)器件工作范圍內(nèi)的三個(gè)溫度（12℃、15℃ 、18℃）下生成了主鏡和次鏡的結(jié)構(gòu)形變數(shù)據(jù)集。 z``wqK  
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該形變數(shù)據(jù)將直接與 OpticStudio 中原始模型的性能數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。在運(yùn)行任何FEA（有限元分析）之前，Ansys Mechanical 假設(shè)光機(jī)械和光學(xué)器件浸泡在室溫環(huán)境中，且沒(méi)有對(duì)光學(xué)器件施加任何應(yīng)力。因此，我們可以假設(shè)原始序列模型模擬了光學(xué)系統(tǒng)在環(huán)境溫度和壓力下的性能。 x+Xd7N1  
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STAR 模塊可以將 FEA 數(shù)據(jù)直接讀取到序列模式下的光學(xué)模型中。讀取之后，整套分析工具可用于分析由于有限元分析期間應(yīng)用的載荷和邊界條件而對(duì)系統(tǒng)性能的影響。由于在非序列模式中只是在主鏡的底部創(chuàng)建了一個(gè)切口，在序列模式下，這種切口在技術(shù)上并不存在，但由于順序光線(xiàn)追蹤的性質(zhì)，穿過(guò)鏡子底部的光線(xiàn)不會(huì)與表面發(fā)生光學(xué)相互作用，所以我們可以使用序列模式來(lái)分析結(jié)果。 D?1fY!C:r  
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接下來(lái)需要采取幾個(gè)步驟才能將FEA數(shù)據(jù)正確加載到 STAR 中。首先，可以使用加載 FEA 數(shù)據(jù)工具導(dǎo)入文本文件。該工具將打開(kāi)一個(gè)窗口，可以在其中加載結(jié)構(gòu)和熱數(shù)據(jù)集并將其分配給相應(yīng)的光學(xué)表面。在本例中，兩個(gè)透鏡在12℃時(shí)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)已加載到 STAR 模塊中。 Pn OWQ8=  
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準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)后，就可以擬合有限元分析數(shù)據(jù)。使用擬合評(píng)估工具，可以針對(duì)每個(gè)光學(xué)表面獨(dú)立調(diào)整數(shù)據(jù)的擬合參數(shù)，直到獲得準(zhǔn)確的擬合。圖 2 顯示了結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)如何適應(yīng)主鏡的默認(rèn)設(shè)置。使用此工具，可以查看 RMS 和 PV 擬合誤差，并可以調(diào)整擬合參數(shù)以最小化該誤差。 rnj$u-8  
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通過(guò)增加網(wǎng)格 1 和網(wǎng)格 2 擬合參數(shù)，STAR 擬合算法將在擬合過(guò)程中參考更多相鄰點(diǎn)，從而使整體擬合更平滑�？梢栽黾舆@些參數(shù)以進(jìn)行更精細(xì)的采樣，直到達(dá)到所需的精度。對(duì)于此設(shè)計(jì)，在將網(wǎng)格 1 和網(wǎng)格 2 設(shè)置為 3 的情況下，達(dá)到了可接受的數(shù)據(jù)擬合。 H"l4b4)N\  
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現(xiàn)在，我們可以通過(guò)應(yīng)用結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)集來(lái)分析系統(tǒng)在所有工作溫度下的光學(xué)性能。所有結(jié)構(gòu)有限元分析數(shù)據(jù)集都可以在 STAR 選項(xiàng)卡中的結(jié)構(gòu)分析總結(jié)工具中查看。從這里，可以打開(kāi)或關(guān)閉數(shù)據(jù)集，以檢查來(lái)自任何感興趣表面的結(jié)構(gòu)變形效應(yīng)。 qXW\/NT"p<  
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對(duì)于以下圖，使用了 12℃ FEA 數(shù)據(jù)集，因?yàn)樗鼘?dǎo)致立方體衛(wèi)星的性能與標(biāo)稱(chēng)值差異最大。以下點(diǎn)圖和 FFT MTF 圖顯示了應(yīng)用結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)性能的負(fù)面影響。 tr,W)5O@L  
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由于具有將 FEA 數(shù)據(jù)互換并應(yīng)用于序列模式 OpticStudio 模型的能力，因此可以很容易的解釋 FEA 數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。通過(guò)將特定的FEA數(shù)據(jù)集應(yīng)用于模型，可以獲得更進(jìn)一步的見(jiàn)解。在圖 7 中，僅應(yīng)用了次鏡的結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)。應(yīng)用這些數(shù)據(jù)并查看 FFT MTF 圖可以證實(shí)，系統(tǒng)性能下降主要是由本設(shè)計(jì)的主鏡引起的。 #%p44%W  
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雖然此處重點(diǎn)介紹了 FFT MTF 和點(diǎn)列圖，但序列模式下提供的任何分析都可用于檢查潛在的性能影響。分析系統(tǒng)性能如何受到在軌條件的影響是理解在進(jìn)行制造之前是否應(yīng)該對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行任何迭代的關(guān)鍵。 DQXUh#t\(]  
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基于 STAR 結(jié)果的光學(xué)設(shè)計(jì)迭代 ,D+ydr  
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從這些見(jiàn)解中，我們了解到系統(tǒng)在工作溫度范圍內(nèi)無(wú)法達(dá)到性能規(guī)格。在12℃時(shí)，系統(tǒng)不再具有衍射極限點(diǎn)，并且在80線(xiàn)對(duì)時(shí)，MTF 降低到0.25以下。 j1K3|E  
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為了推進(jìn)設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行調(diào)整以恢復(fù)性能�？梢钥紤]調(diào)整像平面的最佳焦點(diǎn)位置。對(duì)于標(biāo)稱(chēng)系統(tǒng)，探測(cè)器的位置是通過(guò)優(yōu)化最佳焦距來(lái)確定的。這種優(yōu)化將探測(cè)器放置在主鏡后面7.018mm處。然而，標(biāo)稱(chēng)模型是假定浸泡在室溫或21℃下。一旦立方體衛(wèi)星進(jìn)入軌道，光學(xué)設(shè)計(jì)將在15℃+ / – 3℃的稍低溫度下運(yùn)行。根據(jù) STAR 的結(jié)果，當(dāng)設(shè)計(jì)置于工作溫度條件下時(shí)，系統(tǒng)的最佳焦點(diǎn)位置會(huì)發(fā)生變化。由于探測(cè)器目前在21℃條件下處于最佳焦點(diǎn)位置，因此探測(cè)器的位置不是軌道溫度條件下的最佳位置。 ! dzgi:  
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為了恢復(fù)性能，可以基于 STAR 結(jié)果改變探測(cè)器的最佳焦點(diǎn)位置。這包括在地球上的對(duì)準(zhǔn)階段將探測(cè)器從21℃的最佳焦點(diǎn)位置離焦。如果離焦正確，當(dāng)系統(tǒng)在工作溫度范圍內(nèi)浸泡時(shí)，系統(tǒng)將在軌道上自動(dòng)糾正焦距。在制造環(huán)境中，這種離焦可以通過(guò)調(diào)整探測(cè)器墊片的厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)。另一種設(shè)計(jì)選擇是給對(duì)焦機(jī)制添加合適的機(jī)械結(jié)構(gòu)。這種對(duì)焦機(jī)制可以使探測(cè)器沿著z軸移動(dòng)以恢復(fù)軌道性能。但是，這種方法可能導(dǎo)致更密集的測(cè)試并增加制造成本。對(duì)于這種立方體衛(wèi)星設(shè)計(jì)，我們假設(shè)調(diào)整相機(jī)墊片是恢復(fù)在軌系統(tǒng)性能的唯一途徑。 njy2pDC@  
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為了優(yōu)化在軌條件下探測(cè)器的位置，首先必須通過(guò) STAR 模塊把所有三種工作溫度的有限元數(shù)據(jù)集加載到 OpticStudio 中。加載有限元分析數(shù)據(jù)集后，可以使用快速聚焦優(yōu)化工具來(lái)調(diào)整后焦距，使像面處于最佳焦點(diǎn)的位置。快速對(duì)焦工具僅調(diào)整像面之前的表面厚度，但對(duì)于本例，探測(cè)器位置將相對(duì)于主鏡的背面為參考。對(duì)于所有三種工作溫度，結(jié)果如下： |qUGB.Q  
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這表明探測(cè)器的最佳聚點(diǎn)位置與溫度呈線(xiàn)性關(guān)系。為了在軌道上獲得最佳性能，探測(cè)器可以放在主鏡后方6.845mm處。這相當(dāng)于從21℃最佳對(duì)焦位置移動(dòng)了-0.173mm。 9b+jT{Tg  
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為了實(shí)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)變化，可以調(diào)整表面6的厚度。在此調(diào)整之后，請(qǐng)注意，在應(yīng)用STAR數(shù)據(jù)之前，如何在21℃下不再實(shí)現(xiàn)最佳性能。 ^ F]hW  
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現(xiàn)在在序列模式21℃工作溫度下模擬離焦。表面6的厚度為-0.155mm，用于將探測(cè)器放置在正確的位置進(jìn)行在軌聚焦校正。如果我們?cè)谒�有三個(gè)工作溫度下重新應(yīng)用FEA數(shù)據(jù)，則可以通過(guò)實(shí)施的設(shè)計(jì)更改來(lái)分析系統(tǒng)性能。