光电跟踪系统Φ1000mm主镜的装调

1 000mm口径主镜的光机装调质量直接影响望远镜光学系统的成像效果。为了改善大口径光电跟踪系统的成像质量,本文对主镜的装调技术进行了研究。首先,对影响主镜面形精度的误差进行分配;其次,结合具体的主镜支撑结构的形式,采用典型装调方法对800mm口径主镜进行详细的装调研究,实时测得主镜的面形精度;最后,综合分析产生装调误差的来源,提出了一种加工、检测、装调一体化的高精度装调方法。该方法使得1 000mm主镜在装调后的面形精度波像差RMS值达到了λ/40,在提高装调质量的情况下显著提高了装调效率。     

临近空间816mm口径望远镜复合支撑主镜组件设计

针对某临近空间望远镜高面形精度和0°~65°观测角度的要求,设计了816 mm口径的SiC主镜组件。依据经验公式和拓扑优化方法,完成了主镜的设计,基于大口径反射镜复合支撑原理、功能分配和指标分配以及解耦标准设计了主镜支撑组件,最后根据支撑结构形式和装配公差要求设计了主镜组件装配工装并制定了装配工艺流程。对主镜组件进行了静力学和动力学仿真验证,然后对主镜组件进行振动、面形检测和倾角等试验验证。试验结果表明,主镜组件在光轴水平,1 g重力作用下面形精度RMS值为0.019λ(λ=632.8 nm),反射镜翻转180°后的面形RMS为0.02λ;总质量为102.7 kg,基频为171 Hz,振动前后RMS值基本不变,与分析结果吻合。证明该主镜组件的设计与装调工艺的合理性,满足临近空间望远镜的设计要求。     

620mm薄镜面的主动支撑结构及面形校正

为了提高大口径薄镜面望远镜主镜在不同俯仰角度的支撑面形精度,采用模态振型模式定标实时对主镜面形进行了主动校正.针对口径为620 mm,厚度为18 mm,底支撑采用36点主动支撑,侧支撑采用6点切向被动支撑的薄镜面主动支撑系统,分析了主镜自由振动时的模态振型;在进行主动校正前将其前10阶模态振型的RMS值归一化为1000...     

4mSiC轻量化主镜的主动支撑系统

针对4 m光电望远镜中SiC轻量化主镜比刚度大,面形精度要求高的特点,提出采用液压whiffletree被动支撑并联力促动器主动支撑的轴向液压主动支撑方案。液压被动支撑承担镜重,主动支撑仅输出校正主镜面形误差所需的主动校正力,从而减小主动支撑元件力促动器的作用力范围,提高主动校正力精度。借助于有限元法完成了轴向和侧向支撑系统的优化,确定了轴向54点和侧向24点等间距等力（β=0.5）支撑系统设计。当仅有被动支撑作用时,主镜水平和竖直状态下重力引起的镜面变形误差RMS值分别为37.8 nm和82.9 nm。采用主动校正后,主镜水平和竖直状态下的镜面变形误差RMS分别减小到12.0 nm和9.8 nm。不同俯仰角下主镜的镜面变形均能满足面形误差RMS不大于λ/30（λ=632.8 nm）的指标要求。     

中型主镜的柔性半运动学支撑

针对中型反射镜提出了一种柔性半运动学支撑方式,以便简化主镜的支撑结构,降低安装应力对主镜的影响,以及提高主镜支撑对温度变化的适应性。对比小口径主镜的刚性半运动学支撑,详细阐述了柔性半运动学支撑的特点和优势。运用该原理对一口径为710mm的主反射镜的支撑进行了设计、分析、和检测,其中反射镜的轴向采用6点带有柔性细杆的Whiffletree支撑,径向采用带有柔性环的中心轴支撑。然后,利用有限元方法进行了详细的结构优化设计。最后,利用4D干涉仪对主镜竖直和水平两个工况进行了检测。检测结果显示:反射镜的支撑面形与加工面形误差分别为8.7nm和8.4nm,与有限元分析结果基本吻合,验证了文中有限元建模和分析方法的合理性。提出的柔性半运动学支撑很好地保证了主镜面形精度,综合性能良好,达到了设计预期,为中型主镜的支撑设计提供了重要的参考。     

可见光粗跟踪成像镜头光机结构设计

为某在研地基光学望远镜设备设计了300 mm口径的可见光粗跟踪成像镜头的光机结构。采用弯月形结构优化使主镜重量减少了41.2%。针对传统胶粘接固定结构的不足提出了采用弹性压紧方式的主镜支撑结构,采用Patran有限元仿真软件对不同倾角、不同温度状态下,带支撑的主镜面形精度进行了分析;制定了装调方案,室内采用Zygo干涉仪检测带支撑的主镜面形精度检测结果为0.04λ(RMS),可见光波长λ的设计参考值为0.633μm,长焦端和短焦端的系统波像差均为0.132λ(RMS);室内采用平行光管进行星点检验、分辨率检验和外场对北极星成像试验结果显示,系统成像质量满足设备要求;验证了主镜支撑结构和镜头光机结构设计的合理性,为研制同类型镜头的光机结构提供了设计依据和技术途径。     

1.25m口径宽波段测试设备设计

多光轴一致性是衡量多光轴系统性能的一项重要技术指标。在研制某多光轴光测设备中,为提高测试精度,需要研制一台以口径1.25m,焦距15000mm的平行光管为主体的检测设备。对检测系统的组成和原理做了简单介绍;针对设计要求,提出了侧面柔性钢带支撑和杠杆平衡重锤的组合浮动支撑方式来解决主镜受重力影响而带来的面形问题;对支撑点个数,位置及重锤重量等参数进行优化,以达到最优的面形精度;确定了次镜室及三翼梁的结构;设计焦面水冷方案抑制辐射杂散光;利用接触非线性方法对主镜在重力作用对的面形精度进行了分析拟合结果为11.19nm(λ/56);最后,利用4D动态干涉仪对已完成的平行光管进行检测,其系统面形精度RMS达到了35.05nm(λ/18),实验结果表明,反射镜支撑结构以及整个系统的设计均达到了设计要求。     

1.2m微晶主镜的新型支撑

针对1.2m微晶主镜,提出了基于6套柔性切向杆机构的侧向支撑与基于18点半柔性Whiffletree机构的轴向支撑相结合的新型主镜支撑方案,用于保证该主镜在较大温差范围以及不同俯仰角度下始终保持良好的面形精度及较高的系统刚度。分析了该机构的工作原理,实验测试了主镜的面形精度及支撑系统的模态。机构分析表明该支撑方式可有效保证主镜定位精度和面形精度,并具有热解耦能力;有限元分析确认系统具有良好的支撑性能;面形精度检测得出主镜光轴垂直面形精度RMS达15.25nm,光轴水平面形精度RMS为20.75nm,模态测试则获得主镜支撑系统的一阶固有频率为60.3Hz。实测结果验证了该新型主镜支撑系统具有良好的面形保持能力及支撑刚度,分析结果与实测结果符合度较好,主镜光轴垂直和水平状态面形精度RMS的相对误差分别为14.0%和17.8%,一阶固有频率相对误差为10.8%。得到的结果验证了有限元建模及分析的可信性,支撑系统设计方案的合理性及相关理论推导的正确性。     

1m口径微晶玻璃主镜的单芯轴支撑方法研究

传统经纬仪主镜支撑主要利用侧支撑和底支撑共同支撑的方法,该种方法支撑结构复杂,装调过程繁琐时间周期较长,为了克服传统方法的缺陷,提出了全新的利用单芯轴支撑的方法。对单芯轴支撑方法的主镜结构,轻量化方式,支撑结构,面形精度(RMS)等进行分析,判断单芯轴支撑方法的可行性。首先制定了指标要求并且详细分析了传统方法的缺点产生的具体原因,接着根据指标质量及工程中光学设备所用胶合剂参数计算主镜的极限值胶粘面积。然后通过改变主镜结构参数,分析选用参数(加强筋个数,加强筋厚度,镜面厚度)与面形精度之间的关系,分析各种情况下的主镜镜面变形原因得出变形云图并针对性的修改主镜结构参数直至满足指标要求得到满足单芯轴支撑结构的主镜形式。最后,得出最终主镜形式及支撑结构形式。最终获得轻量化率为26.0%,光轴竖直时镜面面形精度RMSV=6.24nm(λ/101,λ=632.8nm),光轴水平时为RMSH=11.25nm(λ/56)的主镜轻量化结构。主镜结构设计满足指标要求,单芯轴支撑方法可行。     

大口径主镜的侧向定位系统

针对采用Whiffletree式底支撑和推拉平衡重式侧支撑的大口径主镜在主镜室中的准确定位,基于运动学约束原理提出了一种大口径主镜侧向定位方法。介绍了运动学约束的基本原理,提出了一套主镜侧向定位系统实现方案,包括定位点位置的选取、柔性铰链和定位基座的设计,并设计了一种侧向定位系统。利用有限元方法,分析了设计的侧向定位系统对大口径主镜系统的位置、谐振频率和镜面面形精度等方面的影响。结果表明,使用该侧向定位系统的整个主镜系统谐振频率达到13.6Hz,光轴水平时主镜沿Y轴方向的平均位移为-355.863nm,镜面面形未受影响,所有指标均满足设计要求。实验结果验证了提出的主镜侧向定位系统设计方案对大口径望远镜主镜的支撑和定位系统设计具有工程指导意义。     

1.3 m主镜的支承设计

依据1.3 m主镜支承的技术要求,完成了支承结构的设计分析。确定了有中心定位的底面18点支承和侧面水银带支承的技术方案。对于结构复杂的轻质镜,依据均衡原理,利用结构分析并结合插值算法确定了底支承18点的支承位置;在给出了具体底支承结构设计后,对底支承的结构变形和结构设计允差进行了分析。根据主镜立放状态下的受力分析,给出了3个水银带侧支承的设计变量,最终依据镜面Z向变形最小的原则和12种工况下有限元的分析结果,确定了水银带侧支承的设计。在中心定位设计中,考虑到温度变化的影响,选用了特殊的殷钢材料。在具体结构设计中,为减小支承球头与主镜直接接触的不利影响,在支承球头和主镜之间增加了过渡轴套。用Zygo干涉仪检测了装配完成后的主镜,主镜镜面变形PV值为0.7 λ,RMS值为0.15 λ。该支承结构基本满足了设计要求,且结构稳定可靠。分析可知,主镜的厚度可以再适当减薄,进一步减轻重量。     

小型光学遥感器主镜室的光机结构

设计了一种新的光机结构,以使超小型光学遥感器在宽温度范围及恶劣的动力学环境下能够良好成像。研究了该结构中的核心部件-主镜组件的支撑结构的设计原理和实现方法。通过对主镜室初始设计方案的力、热特性分析,说明了主镜传统支撑方式的局限性。然后,以挠性支撑原理为基础设计了一种新型的适用于小口径反射镜支撑的挠性反射镜支撑结构,对该支撑结构的温度适应性及组件的模态进行了有限元分析,说明了采用这种反射镜挠性支撑结构能够满足设计指标要求。最后,论证了小型光学遥感器主镜室的加工及具体实现方法。对装配后的主镜组件进行了热冲击试验和温度拉偏试验,结果表明:在-60℃~80℃进行热冲击试验后,主镜不会出现炸裂现象;而在-20℃~50℃温度下,反射镜面形精度RMS仍保持在0.025λ(λ=632.8nm)水平。得到的结果验证了主镜室的设计可以满足小型光学遥感器的应用环境要求。     

大口径长焦距平行光管主反射镜支撑与调整机构的研究

检验大口径长焦距光学系统,需要相应的大口径长焦距平行光管,而大口径长焦距平行光管的制造不同于短焦距平行光管的制造,环境因素及光学元件的固定方式对光管的成像质量有很大的影响.为了使光管有着较好的质量,光学镜面要有较好的面形及灵敏的调整机构.本文介绍主反射镜的支撑方式对镜面面形的影响及主反射镜的支撑和调整机构.     

高精度离轴凸非球面反射镜的加工及检测

为了提高离轴凸非球面反射镜的面形精度和光轴精度,研究了离轴凸非球面反射镜的加工与检测技术。首先,描述了离轴三反消像散(TMA)光学系统以及作为该光学系统次镜的离轴凸非球面反射镜的光学参数和技术指标。然后,介绍了非球面计算机控制光学表面成型(CCOS)技术及FSGJ非球面数控加工设备。最后,给出了非球面研磨阶段检测用的轮廓测量法和离轴凸非球面抛光阶段检测用的背部透射零位补偿检测法,并对背部透射零位补偿检测中离轴凸非球面反射镜光轴精度的控制技术进行了研究。检测结果表明:采用背部透射零位补偿检测法检测得到的离轴凸非球面反射镜的面形精度为0.017λ(均方根值,λ=0.632 8μm);用Leica经纬仪测量反射镜的光轴精度其结果达到9.4″,满足光学设计技术指标要求。     

2m SiC反射镜柔性被动支撑系统

针对2 m SiC反射镜在地基望远镜中的应用,结合SiC反射镜热膨胀系数大、重量轻的特点,设计了柔性被动支撑系统。该系统底支撑whiffletree结构中的支撑杆采用柔性细杆,侧支撑杆采用柔性铰链结构,从而使底支撑系统和侧支撑系统分别起支撑作用,不但保证了主镜良好的位置误差和形状误差还很好地消除了装配应力和热应力。对在支撑系统作用下反射镜进行了静力学分析、热力学分析和模态分析,并通过面形检测和主镜倾斜与平移检测验证了分析结果。检测显示:反射镜面形(RMS)达到λ/40(光轴竖直)和λ/16(光轴水平),主镜指向不同俯仰角时最大倾斜变化量为8″,偏心为0.070 7mm,基本与分析结果吻合,达到了设计要求,表明这种柔性支撑系统具有很好的工程应用能力。     

主镜稳定温度场特性分析

论述了主镜热设计及热分析的重要性,并分析了在温度场作用下主镜的变形及其对光学系统成像质量的影响.对材料分别为K9和熔石英的主镜在径向稳定温度场的作用下的面形变形作了详细的分析、计算,发现相同结构的主镜,其镜面不仅变形与主镜的线胀系数和其他材料、结构特性参数有关,而且与温度梯度的大小和方向均有密切的联系.     

弯月薄镜的侧向支撑

弯月薄镜在侧向均匀承重和弯月薄镜在采用侧向均匀承重和等间距竖直推拉侧向支撑方式时,等间距竖直推拉侧向支撑方式时,会产生明显的弯曲变形问题。为消除附加弯矩带来的镜面变形,本文分析了弯月薄镜的结构特点,提出了适用于弯月薄镜的等角间距推一拉一剪切和不等角间距推一拉一剪切两种侧向支撑方式。通过在侧向支撑上增加轴向剪切平衡作用力分量,推导了在上述两种侧向支撑方式下各向作用力分量的表达式。针对1.23 m弯月薄镜,优化出切向分量最佳比率β为0.75。对16点等间距侧向支撑增加轴向剪切分量后,镜面变形RMS值由1259.1nm减小到3.4nm,无需轴向主动校正即可获得较好的支撑面形。不等角间距侧向支撑方式则解决了等间距侧向支撑方式中各个侧向支撑点的作用力大小差异较大的问题,结合弯月薄镜轴向支撑的主动校正能力,在最大校正力仅为-1.01 N的主动校正后,16点不等间距侧向支撑实现了镜面变形RMS为4.6 nm的支撑效果。