W nowoczesnych systemach optycznych, takich jak teleskopy kosmiczne, lasery wysokiej mocy czy instrumenty optyki precyzyjnej, największym wyzwaniem jest zapewnienie stabilności i dokładności działania w różnych warunkach środowiskowych. Analiza strukturalno-termiczno-optyczna (ang. Structural Thermal Optical Analysis, w skrócie STOP) jest interdyscyplinarną metodą, łączącą analizy strukturalne, termiczne i optyczne. Analiza STOP pozwala przewidzieć i ewentualnie skompensować wpływy zmian strukturalnych i termicznych na działanie układu optycznego. Jej celem jest zidentyfikowanie i zminimalizowanie spadku jakości odwzorowania układu optycznego, gdy spadek ten wynika z czynników strukturalnych i termicznych.
Spis treści
Przykładowy cykl analiz STOP
Analizy strukturalne, termiczne i optyczne, wchodzące w skład analizy STOP, wykonywane są kilkukrotnie w sposób iteracyjny. Wyniki poprzednich iteracji prowadzą z kolei do zmian w projekcie – zarówno optycznym, jak i strukturalnym.
Przykładowy cykl analiz STOP przedstawiono na rys. 1.
Na samym początku, jeszcze przed rozpoczęciem jakichkolwiek analiz, tworzony jest (w oderwaniu od struktury mechanicznej) model optyczny, spełniający zdefiniowane wcześniej wymagania, przy czym kluczowy warunek dotyczy jakości odwzorowania układu. Gdy model optyczny jest gotowy, tworzy się strukturę mechaniczną układu, tj. określa się geometrię, materiały i warunki obciążeniowe. Następnie analizuje się naprężenia i przemieszczenia struktury oraz elementów optycznych wywołane działaniem na układ sił zewnętrznych.
W kolejnym kroku uwzględnia się wpływ temperatury na układ optyczny (liczba analiz termicznych jest zależna od liczby rozpatrywanych przypadków). Wpływ temperatury na układ optyczny może być dwojaki. Po pierwsze, zmiany temperatury struktury mechanicznej prowadzą do jej dalszych odkształceń i przemieszczeń, co z kolei generuje odkształcenia i przemieszczenia na elementach optycznych. Same elementy optyczne również odkształcają się na skutek zmian temperatur. Po drugie, właściwości optyczne materiałów, z których wykonano elementy optyczne, również zależą od temperatury.
Zmiany te prowadzą do pogorszenia jakości odwzorowania, co jest badane w ostatnim kroku analizy STOP. Zależnie od przeznaczenia danego instrumentu i postawionych mu wymagań, analizie podlegają różne kryteria odwzorowania. W przypadku kosmicznych instrumentów obrazujących, najczęściej jest to funkcja transferu modulacji (modulation transfer function – MTF).
Najczęściej, zwłaszcza podczas początkowych iteracji, okazuje się, że układ optyczny nie spełnia wymagań dotyczących jakości odwzorowania. W takiej sytuacji trzeba skompensować powstałe odkształcenia i przemieszczenia, przeprojektowując strukturę mechaniczną, a czasem nawet sam układ optyczny. Przeprojektowanie może się wiązać przede wszystkim z ograniczeniem rozszerzania termicznego elementów, usztywnieniem struktury lub z zastosowaniem systemów optyki aktywnej.
Analizy STOP warto przeprowadzać dla układów optycznych, które będą pracować przy zmiennych warunkach środowiskowych lub gdy kluczowa jest jakość odwzorowania układu. Analizy te mają więc zastosowanie w wielu dziedzinach inżynierii, w tym w branży kosmicznej. Instrumenty optyczne wysyłane w kosmos narażane są bowiem na wiele niekorzystnych wpływów środowiskowych, zarówno podczas wynoszenia w przestrzeń, jak i w trakcie pracy. Jeszcze przed znalezieniem się w kosmosie, ładunek doświadcza silnych wibracji oraz działania sił zewnętrznych. W przestrzeni kosmicznej jes natomiast narażony jest na ekstremalne wahania temperatury oraz niejednorodne rozkłady temperatury, wynikające przede wszystkim z promieniowania. Dodatkowo układ pracuje w warunkach mikrograwitacji lub nieważkości.
Analiza teleskopu katadioptrycznego
Aby pokazać istotność wpływu warunków środowiskowych na instrument optyczny, warto przyjrzeć się wynikom krótkiej analizy teleskopu katadioptrycznego, poddanego jednorodnemu ochłodzeniu z 20 do 0o. Symulację optyczną przeprowadzono w module STAR (structural thermal analysis and result) oprogramowania Ansys Zemax OpticStudio. Moduł ten jest narzędziem umożliwiającym bezpośredni import wyników analiz strukturalnych i termicznych na powierzchnie optyczne oraz analizę wynikowej jakości odwzorowania. Importując wyniki analiz strukturalnych i termicznych, oprogramowanie jest w stanie rozróżnić lokalne odkształcenie danej powierzchni od jej przemieszczenia, co pozwala na osobną analizę wpływu deformacji i przemieszczeń na jakość odwzorowania instrumentu optycznego, a tym samym – na łatwą identyfikację czynników, które mają największy wpływ na pogorszenie obrazu i muszą zostać wyeliminowane w pierwszej kolejności.
Na rys. 2 przedstawiono schemat optyczny teleskopu oraz kształt i rozmiary plamek, na rys. 3 – profile zwierciadeł, na rys. 4 – odkształcenia termiczne tych zwierciadeł, a na rys. 5 – kształty i rozmiary plamek powstałych na skutek odkształceń zwierciadeł.
Rys. 2. Schemat optyczny teleskopu zwierciadlaneg (a) oraz kształt i rozmiar plamek (b)
Rys. 3. Profil powierzchni lustra głównego (a) i wtórnego (b)
Rys. 4. Odkształcenia powierzchni lustra głównego (a) i wtórnego (b)
Rys. 5. Kształty (a) i rozmiary (b) plamek po odkształceniu zwierciadeł. Na rysunku (b) dodatkowo poprawiono pozycję detektora
Jak widać, nawet dla odkształceń rzędu setnych i tysięcznych części milimetra (kolejno lustra głównego i wtórnego) rozmiar plamki rośnie o trzy rzędy wielkości, co z punktu widzenia teorii obrazowania jest zmianą nieakceptowalną. W przypadku analizowanego układu należy więc zredukować odkształcenia zwierciadeł lub w inny sposó skompensować powstały błąd. W tym celu należy ilościowo określić wpływ odkształceń i przemieszczeń poszczególnych elementów na pogorszenie obrazu, a następnie zminimalizować odkształcenia i przemieszczenia tych elementów, których wpływ na jakość odwzorowania jest największy.
Podsumowanie
Podsumowując, analiza STOP jest interdyscyplinarnym procesem, łączącym symulacje strukturalne, termiczne i optyczne. Umożliwia projektowanie instrumentów optycznych działających w zmieniających się warunkach. Na podstawie jej wyników można przewidzieć i wyeliminować czynniki wpływające negatywnie na jakość odwzorowania układu. Cały proces analizy i wprowadzania poprawek zapewniających stabilność układu jest iteracyjny i czasochłonny, ale niezbędny w przypadku znacznej większości instrumentów optycznych, zwłaszcza precyzyjnych, narażonych na pracę w zmiennym środowisku.
Autor: Jakub Orzechowski, Scanway S.A.
Obserwuj nas w mediach społecznościowych i bądź na bieżąco