簡介

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此篇文章為本系列的第2部分，我們將光學(xué)設(shè)計轉(zhuǎn)換至非序列模式，并演示將光學(xué)系統(tǒng)導(dǎo)入 OpticsBuilder 的過程。然后，我們將演示如何使用 OpticsBuilder 來建立方體衛(wèi)星的光機結(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。（聯(lián)系我們獲取文章附件）

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使用非序列模式為?OpticsBuilder?做準(zhǔn)備

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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)計從序列模式導(dǎo)入到 OpticsBuilder 時，“OpticsBuilder 文件準(zhǔn)備”工具會在其保存為 ZBD 文件之前，自動將光學(xué)設(shè)計轉(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)計的特殊性質(zhì)，此編輯過程必須在非序列中手動實現(xiàn)。

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

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圖1：導(dǎo)入非序列模式后的初始狀態(tài)

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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實體，光線會從主鏡上反射回來。我們可以使用原生布爾物體類型運用布爾邏輯來創(chuàng)建一個開孔。

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

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圖2：實現(xiàn)主鏡開孔

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主鏡開孔后，基礎(chǔ)的光學(xué)設(shè)計部分就已完成。為了驗證從序列模式導(dǎo)出后光學(xué)系統(tǒng)性能沒有改變，可以在非序列模式中使用探測器查看器來查看每個視場點的光斑尺寸。在使用“轉(zhuǎn)換為 NSC 組”工具將模型轉(zhuǎn)換至非序列時，軟件會生成與序列模式下像面上的視場點相對應(yīng)的非序列光源和探測器。執(zhí)行光線追跡并分析每個探測器上的光斑，將生成的光斑的形狀和尺寸與序列模式下的點列圖的分析結(jié)果進行對比。

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

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圖3：序列（左）vs非序列（右下）光斑大小

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對于軸上視場，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探測器查看器底部的“光斑信息”選項卡來確認(rèn)。另外請注意，在序列模式下的點列圖中的單位是um，而對于非序列探測器查看器，單位則是mm。按照這種方法，我們依次對比每一個視場點的光斑形狀和尺寸。最終，比較完所有視場點在兩種模式下的 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。

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將光學(xué)設(shè)計導(dǎo)入到 OpticsBuilder

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在 OpticStudio 中完成光學(xué)設(shè)計后，我們就可以開始著手光機結(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結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要考慮因素。此光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計適用于3U立方體衛(wèi)星的外形尺寸，因此留給光機結(jié)構(gòu)的空間非常有限。并且還要考慮到，雖然光機結(jié)構(gòu)可以對光學(xué)系統(tǒng)起到安全防護的作用，但其本身會在設(shè)計中引入應(yīng)力的影響。

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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)計直接導(dǎo)入到CAD環(huán)境中。

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在將光學(xué)系統(tǒng)導(dǎo)入到 CAD 軟件時，OpticStudio 會將相關(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”工具會自動為用戶自完成一些操作。

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

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ZBD 文件中包含了三個不同的系統(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，以驗證每個度量標(biāo)準(zhǔn)是否在用戶允許的改變量內(nèi)。這將確保導(dǎo)入后的光學(xué)系統(tǒng)的性能沒有變化。下圖展示了立方體衛(wèi)星光學(xué)設(shè)計最初導(dǎo)入到 CREO Parametric 環(huán)境下的 OpticsBuilder 的結(jié)果。

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圖4：導(dǎo)入 OpticsBuilder 后的模擬結(jié)果

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模擬完成后，我們看到三個度量標(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)計并創(chuàng)建光機結(jié)構(gòu)。對設(shè)計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。通過這種簡化的工作流程，光學(xué)工程師和光機工程師可以直接對設(shè)計進行迭代調(diào)整。

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立方體衛(wèi)星設(shè)計的光機結(jié)構(gòu)注意事項

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在設(shè)計太空有效載荷時，需要考慮在軌工作溫度、有效載荷以及在發(fā)射過程中將經(jīng)歷的振動等因素。在本例中，工作溫度是我們在設(shè)計時主要考慮的因素。

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在設(shè)計在近地軌道上運行的光機結(jié)構(gòu)時，光機結(jié)構(gòu)和光學(xué)器件將受到溫度波動的影響。由于立方體衛(wèi)星有效載荷在軌道上會經(jīng)歷不同的溫度，光學(xué)系統(tǒng)和光機結(jié)構(gòu)的膨脹和收縮會降低光學(xué)性能。因此，應(yīng)仔細(xì)考慮反射鏡基板和光機結(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 模塊進行模擬評估。

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

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此外，光機結(jié)構(gòu)對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，可用于光機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的空間有限，這對我們的光機設(shè)計來說是一個挑戰(zhàn)。光機結(jié)構(gòu)設(shè)計的是否成功可以使用 OpticsBuilder 仿真工具進行評估。此功能將在 CAD 環(huán)境中運行光線追跡，并考慮所有相關(guān)的光機結(jié)構(gòu)的影響。如果某些機械組件對結(jié)果不會產(chǎn)生影響，則可以利用 OpticsBuilder 中的 Region of Interest 功能在仿真時排除它們。然后我們可以重新計算在添加光機系統(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)為光機結(jié)構(gòu)不會對光學(xué)性能產(chǎn)生不可接受的負(fù)面影響。這些設(shè)計注意事項是我們在建立此立方體衛(wèi)星案例的最終光機結(jié)構(gòu)時必須要考慮的。

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立方體衛(wèi)星光機結(jié)構(gòu)設(shè)計

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首先，我們設(shè)計立方體衛(wèi)星的外部框架，為滿足3U設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)外形尺寸約束，其中2U的空間用于光學(xué)設(shè)計和光機結(jié)構(gòu)，最后1U的空間分配給電子設(shè)備和探測器。

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為了設(shè)計立方體衛(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。

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圖5：3U立方體衛(wèi)星的外部框架規(guī)格2

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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。

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圖6：3U立方體衛(wèi)星的外部框

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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，設(shè)計了如下的3U立方體衛(wèi)星的光機結(jié)構(gòu)。

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圖7：立方體衛(wèi)星光機設(shè)計

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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，以防止整個系統(tǒng)膨脹。為了補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。光機結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，可以使用 OpticsBuilder 仿真工具直接在 CREO Parametric 中測試這些組件對光學(xué)性能的影響。對于圖8所示的最終仿真，整個模型被保護層包裹。

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通過運行仿真，我們可以看到所有設(shè)計指標(biāo)都已滿足。在 OpticsBuilder 中完成光機結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計后，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模塊進行進一步分析。

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圖8：最終光機模型的仿真

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結(jié)論

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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證其光學(xué)性能。然后演示了如何將最終的光學(xué)設(shè)計導(dǎo)入 OpticsBuilder，并詳細(xì)介紹了用于封裝3U立方體衛(wèi)星的光機結(jié)構(gòu)。最后，我們詳細(xì)介紹了如何在光機結(jié)構(gòu)最終確定后使用OpticsBuilder仿真工具驗證光學(xué)性能。

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參考文獻

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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
2.Cubesat Specification Drawings.;2020. https://static1.squarespace.com/static/5418c831e4b0fa4ecac1bacd/t/621941d8e53eb916a609611d/1645822427304/CDS+Rev14_1+Drawings.pdf. Accessed May 19, 2022.