Journal of Applied Optics, Volume. 46, Issue 3, 580(2025)
Design and analysis of thickness dimension for large aperture plane optical window of aerial electro-optics
Figures & Tables(18)
Fig. 4. Aerodynamic thermal and pressure response of optical window
Fig. 5. Composite action stress response for pressure and temperature of optical window
Fig. 6. Coordinate system definition of optical window and carrier attitude
Fig. 8. Directional displacement extreme response for composite load of window surface
Fig. 10. Window surface RMS wavefront error results for directional composite load
Fig. 11. Laboratory test and wavefront errors contour of optical window
Table 1. m-ZnS material property parameters
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属性 参数名称 参数值 物理参数 热膨胀系数/10−6 ℃ 6.5（−65 ℃～200 ℃） 密度/103 kg·m−3 4.09 热导率/W·（m·℃）−1 27（25 ℃） 力学参数 断裂强度/MPa 69 弹性模量/GPa 74.5 泊松比 0.318±0.001
Table 2. Window applied loads and influences
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序号 载荷 载荷特点 作用来源 作用影响 1 重力（含机动过载） 与机动过载相同，属于静态载荷，对窗口作用会随窗口工作姿态位置变化 重力1 g，机动过载源于载机机动 系统工作过程中玻璃法向作用载荷，造成窗口内外表面变形，形成新的曲率半径，造成光学系统离焦和光程差；玻璃平面方向作用载荷对入射光线造成波前误差 2 压力 作用在窗口表面法向，窗口内外表面压力存在差异 源于飞行过程中环境压力以及大气与窗口相对运动；任务舱内环境气压 作用类似于窗口表面法向力，形成新的曲率半径，造成光学系统离焦和光程差 3 温度 在厚度方向和径向呈梯度分布 源于飞行过程中环境温度以及大气与窗口相对运动；任务舱内环境温度 厚度方向温度梯度造成窗口内外表面变形，形成新的曲率半径，造成光学系统离焦和光程差；径向温度梯度会造成“塌边”或者“翘边”，对入射光线造成波前误差 4 振动 沿载机航向、垂向、侧向3个方向作用 源于载机平台在飞行机动过程中的动态激励 造成窗口结构变形，入射光线在窗口内外表面上产生波前误差
Table 3. Structural modal property of optical window
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阶次 谐振频率/Hz 振型 主响应激励 1 151.17 Z向弯曲 Z向线性 2 209.78 X向转动 3 220.82 Y向转动 4 276.59 Z向转动 Z向旋转 5 299.72 Y向移动 Y向线性， X向旋转 6 306.68 Y向转动， X向移动 X向线性， Y向旋转
Table 4. Displacement and stress extreme response for composite load of window surface
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参数 坐标 X向组合工况 Y向组合工况 Z向组合工况 最大位移/mm X 0.185 886 0.001 800 0.003 925 Y 0.038 729 0.166 598 0.018 454 Z 0.229 895 0.076 745 0.631 165 最大应力/MPa 1.02 0.77 6.15
Table 5. Window surface fitting parameters and RMS wavefront error results for directional composite load
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Zernike面型参数 X向 Y向 Z向 内表面 外表面 内表面 外表面 内表面 外表面 面型拟合结果 归一化半径/mm 276.9989063 276.9989131 276.8349300 276.8358800 276.9851900 276.9966061 1阶系数：平移 0.262254715 0.262245068 0.027328299 0.027333184 0.526604345 0.5265942593 2阶系数：X轴倾斜 0.000828909 0.000830881 − 0.000116196 − 0.000116363 0.000404496 0.0004043515 3阶系数：Y轴倾斜 − 0.002961901 − 0.002964867 0.001715877 0.001717946 − 0.074438728 − 0.074439059 4阶系数：璃焦 0.224762549 0.224754626 − 0.006876250 − 0.006878576 − 0.084764406 − 0.084778920 5阶系数：0°像散 0.446830467 0.446811085 − 0.063721412 − 0.063746553 0.053903969 0.0538589429 6阶系数：45°像散 0.000858146 0.000834739 − 0.000723699 − 0.000723958 − 0.000212343 − 0.000212356 7阶系数：X轴彗差 0.000486215 0.000488836 − 0.000200022 − 0.000200175 0.000018786 0.0000187045 8阶系数：Y轴彗差 − 0.001401989 − 0.001402429 − 0.001475794 − 0.001472842 0.001730019 0.0017229696 9阶系数：球差 0.002379907 0.002379864 − 0.022546090 − 0.022551892 0.0148966053 0.0148877640 RMS波前误差 （−15° 0°） 0.020910 0.093245 0.061374 （波长632.8 nm） （−12° 0°） 0.022 347 0.073 680 0.049 426 （−9° 0°） 0.024 178 0.055 118 0.038 603 （−6° 0°） 0.025 939 0.036 968 0.029 094 （−3° 0°） 0.027 515 0.020 215 0.022 680 （0° 0°） 0.029 283 0.009 413 0.021 299 （3° 0°） 0.031 347 0.020 643 0.026 096 （6° 0°） 0.033 608 0.037 371 0.034 372 （9° 0°） 0.035 707 0.055 512 0.044 736 （12° 0°） 0.037 636 0.074 048 0.055 959 （15° 0°） 0.040 064 0.093 565 0.068 238
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Gang CHENG, Huilin WANG, Bo ZHANG, Tao WANG, Heng LU, Yinqi CAO, Fan ZHOU. Design and analysis of thickness dimension for large aperture plane optical window of aerial electro-optics[J]. Journal of Applied Optics, 2025, 46(3): 580
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Received: Jun. 13, 2024
Accepted: --
Published Online: May. 28, 2025
The Author Email: Gang CHENG (627820446@qq.com)
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