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光学系统 | 借助Ansys Zemax从概念到立方体卫星设计(1)

发布日期:
2024-01-09

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在航空航天行业中,立方体卫星已成为一种适用于太空光学系统的低成本、易于制造的解决方案。它们通过一系列更小、更经济的系统,为基于太空的产品开发生产线方法,为我们带来了独特的机遇。


立方体卫星光学系统制造商需要一种准确可靠的方法来开发光学设计,实现系统的光机械封装,以及对进入轨道的系统所面临的结构和热影响进行建模。本系列文章将介绍如何使用Ansys软件套件实现立方体卫星系统的高级开发。我们将详细说明集成的软件工具集如何简化设计和分析工作流程。


几十年来,光学系统一直被开发用于低轨道、中轨道和高轨道的应用。对于许多光学系统而言,封装尺寸和基于此的光机械的设计根据各系统而各不相同。立方体卫星是一类轻型微纳卫星,可以容纳从激光通信到地球成像等应用的光学系统。其独特之处在于它们使用了标准化的尺寸和外形。


在本系列文章中,“Optical Design of a Reflecting Telescope for CubeSat”这篇论文被作为开发立方体卫星光学设计的参考资料。1


在本系列的第一部分中,我们将介绍标准化立方体卫星的外形尺寸,并详细介绍在Ansys Zemax OpticStudio序列模式中构建立方体卫星光学系统的背景知识。


立方体卫星设计背景


该立方体卫星的外形尺寸基于最初由加州州立理工大学和斯坦福大学空间系统开发实验室(SSDL)合作开发的标准。2


标准立方体卫星系统采用边长为10厘米的立方体构建块(1U,即一个单位)。虽然1U是立方体卫星的基本尺寸,但立方体卫星可以通过添加更多的1U构建块来实现更大的外形尺寸。下图是NASA提供的标准化立方体卫星尺寸示意图。3

光学系统 | 借助Ansys Zemax从概念到立方体卫星设计(1)

图1:NASA提供的标准化立方体卫星尺寸

 

本系列文章中引用的立方体卫星光学设计,是一种Ritchy-Chretian类型的离轴分段反射式望远镜。该设计旨在满足标准化的3U立方体卫星外形尺寸,即10 x 10 x 30厘米。为了最大限度地扩大视场,该设计由两个矩形的双曲面镜组成。主反射镜和副反射镜的尺寸分别为80 x 80毫米和41 x 24毫米。


该设计是为了在离地700千米的近地轨道(LEO)上充当高分辨率地球成像仪。其有效焦距为685毫米,可用于在可见光谱中工作。在主波长条件下,该设计的地面分辨距离为9.11毫米,使系统工程师能够对间距大于该距离的两个不同物体进行成像。地面分辨距离可使用以下公式进行计算:

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根据OpticStudio的设计,立方体卫星是假定在室温下运行的,但在轨道上,光学元件预计在15℃(±3℃)的工作温度下运行。该系统的探测器包含一个1280 x 800像素的有源阵列,每个像素为3 x 3微米(μm)。这使得总成像面积为3.84 x 2.4毫米。


该设计的主要性能指标是在每个视场点实现衍射极限光斑尺寸,并在每毫米80个周期时实现值为0.25的调制传递函数(MTF)。这些指标与本设计均引用自同一篇论文。


在序列模式中设计光学元件


根据设计的规格数据,在系统选项(System Explorer)中已设置了全局系统参数,并在镜头数据编辑器中插入了具有正确规格的光学元件。

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图2:初始光学结构指标

 

尽管最终设计中包含具有矩形孔径的反射镜,但在设计的第一个阶段,需让反射镜保持圆形形状。这样做可防止反射镜从流程开始时就受到过度约束。为了将两个反射镜定位在离轴位置,需要让两个反射镜相对于全局光轴偏心。因此,即使光线能够聚焦在正确的位置,像平面也会偏离光线。在这个阶段,像平面在主反射镜的顶部附近浮动,并与坐标系的全局光轴对齐。

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图 3.错误的像面位置

 

为了能够定位到正确的位置,像平面需要使用坐标断点来实现偏心。使用主光线来求解Y偏心测量值,而且像面与实际主光线对齐。现在,像平面已正确定位。

 

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图4:主光线求解

 

完成基本布局后,现在可以开始进行优化了。为了保持系统的F/#为12.455,在评价函数中使用有效焦距(EFFL)操作数,以实现685毫米的目标,并结合使用均方根(RMS)光斑尺寸默认评价函数。在进行了多次优化运行后,其中每个表面的半径和厚度都经过了迭代优化。


由于立方体卫星系统中的空间有限,因此必须密切关注系统的总长度和光线渐晕的区域。该设计的总长度为19.5厘米,其中有2U的空间用于光学元件。剩余的1U空间用于系统电子设备。通过使用光阑和像平面之间的厚度(TTHI)操作数,可以使用评价函数来监测总长度。


在验证了设计符合3U立方体卫星的尺寸限制要求、并确保优化后的性能符合预期之后,将反射镜调整为矩形。通过应用矩形孔径将反射镜调整到合适的形状。


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图5:矩形孔径

 

在调整了孔径设置后,结果发现副反射镜对入射光线束进行了部分遮挡。随着进一步调整副反射镜孔径的偏心,结果令人满意。调整后,使用光迹图来验证整个光迹图是否覆盖系统的每个临界表面。


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图6:光束遮挡

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图7:反射镜1(左图)和反射镜2(右图)上的光迹图

 

在这个阶段,在OpticStudio中对设计进行了布局、优化和调整,使其适合3U立方体卫星外形尺寸的要求。


光斑尺寸在所有视场点都会受到衍射限制,并且MTF在每毫米80个周期时满足0.25的规范要求。在光学性能满足要求的情况下,由于基础模型的最终更新,需要增加反射镜厚度。如果反射镜保持5毫米的厚度,那么在光学元件上应用温度条件时,可能会导致后续产生问题。在物体属性(Object Properties)菜单的绘图(Draw)选项卡中,主反射镜和副反射镜的厚度分别被调整为18毫米和15毫米。


参考资料

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. About — CubeSat.CubeSat. https://www.cubesat.org/about.Accessed February 13, 2022.

3.  Mabrouk E. Cubesat Form Factors.; 2015. https://www.nasa.gov/content/what-are smallsats-and-cubesats.Accessed February 13, 2022.


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