Ansys Zemax | 使用软件建立立方体卫星系统（二）

立方体卫星的高精度光学设计与光机结构集成：非序列模式与OpticsBuilder的融合应用

概览

本文着重探讨了立方体卫星在非序列模式下的光学设计过程与结合OpticsBuilder进行光机结构设计、验证及其在鼻设备优化及性能评估中的应用。得益于非序列模式的引入，光学系统能够被顺利地迁移到OpticsBuilder环境，实现与立方体卫星外形尺寸约束的无缝对接。随后，我们将通过OpticsBuilder仿真工具，深入分析光机结构对光学性能的影响，同时验证立方体卫星光学设计后的性能一致性及在非序列条件下的适应性。该系列文章的第二部分将针对光学设计的非序列转换、下载平台设计、性能模拟及最终光机结构的验证进行全面解析。

非序列模式转换与OpticsBuilder准备

光学设计从序列模式向非序列模式的转变，允许光线路径通过主镜底开口而非封闭模式下的镜面反射。通过引入布尔逻辑运算，可以生成具有精确开孔的主镜结构，确保光线能够闭合路径并追踪至预期像面。使用OpticsBuilder中“文件准备”工具，序列设计能快速转换为非序列格式。这一处理步骤在立方体卫星设计中尤为关键，因为这类设备的空间限制性和高温、低温温度波动的影响要求精确的光学性能对比与验证。

从序列到非序列：性能保持一致

在比较序列模式与非序列模式下的光学性能时，集成了探测器查看器进行了全方位的光斑尺寸分析。设置为“NSC组”的模型能够生成序列模式下光线追踪相同的光源和探测器，在非序列模式中重新计算轨迹和光照效果，以确保光学设计在转变过程中的完整性和一致性。




光机结构的CAD集成与验证

使用OpticStudio与Creo Parametric等CAD软件之间的集成桥接（OpticsBuilder工具），以3U立方体卫星的标准外形尺寸为基准进行了外部框架设计和光机结构的构建。考虑到材料的选择对热膨胀系数（CTE）的影响、位移对光学性能的潜在负面影响以及减少杂散光的必要性，设计了综合性光机结构。通过OpticsBuilder的仿真工具，可以对设计的有效性进行虚拟评估，包括影响光斑尺寸、光束遮挡和像面污染的任何微小变化。这种工具的应用确保了光机结构设计的优化和光机系统性能的稳定性。

结构规范化与优化

已采用加州理工大学的标准规格图作为设计依据，构建了3U立方体卫星的结构框，并在PROE参数制图环境中进行建模（不包含光学元件）。在外部框架成型后，ZBD文件与RFID/CAD生成光机结构，用于固定光学元件到特定位置。结合在温度变化、空间约束和负载效应下的性能考虑，设计了合理的结构，如上述主框架、光学元件的固定方式和防剪切结构。

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