中波红外发射系统光机结构设计与主镜的分析和检测

激光准直扩束系统被广泛应用在光通信、光测量等领域,可实现对出射激光准直和扩束,减小激光发散角,增强远场激光辐射强度。根据设计要求和光学系统特点,设计了口径为290mm的卡塞格林式中波红外发射系统,设计了主、次镜装调结构,并完成主镜支撑结构、次镜支撑结构、透射目镜支撑结构及其他部分的结构设计。用ANSYS Workbench对主镜支撑结构进行分析。主镜面形精度采用ZYGO干涉仪进行波像差检测,得到RMS为0.047λ(λ=4.7μm)。结果表明,设计的中波红外发射系统满足准直扩束系统对像质的要求,可实现出射激光的准直和扩束,且结构简单,易于加工装调,具有较高实际应用价值。     

1 m口径空间相机主望远镜组件设计

为了研究大口径望远镜的性能与稳定性,对1 m口径主望远镜组件进行了材料选取、结构设计与分析计算,给出了完整的设计分析结果.首先,比较常用材料的各项性能,确定1m口径望远镜的主镜材料,并进行轻量化设计.接着,经理论计算确定主镜的支撑方案,并对各个部件进行建模.然后,对主镜组件进行模态分析,验证支撑方案.最后,对主镜组件进行重力变形分析与热分析.轻量化后主镜重76kg,轻量化率达到77%.仿真结果表明:主镜轴向与径向自重变形RMS值分别为8.9 nm与3.5 nm;经i Sight软件优化设计,主镜径向自重变形RMS值从3.5 nm减小到3.3 nm,相比优化前提高了5.7%.当主镜镜体温度梯度为20±0.3℃时,镜面RMS值为10.1 nm,满足望远镜的面形精度要求.     

大口径测量系统主反射镜装调及精度分析

主镜的面形精度与光轴中心偏差影响经纬仪的成像质量与测量精度.为了(减小)调整装配前后主镜的(变形)面形精度,本文介绍了检测主镜面形误差的几种方法及优缺点.为了保证经纬仪的测量精度.首次提出了大口径主镜光轴中心偏差的调整与检验方法并确定主镜光轴中心偏差调整精度小于0.05mm.     

组合孔径光学系统的装调和检测

组合孔径光学系统是一种新型的光学系统,其主镜由多个小口径的子镜拼接而成.这样的拼接式光学系统能够满足口径大、重量轻和可以折叠的要求.传统的光学系统受口径的限制,无法提高分辨率.组合孔径光学系统用易于加工的小口径光学元件拼接成难于加工的大口径光学元件,提高了光学系统的分辨率.组合孔径光学系统的主要技术问题就是它的装调和检测.本论文结合组合孔径拼接项目,总结组合孔径光学系统的装调过程,介绍了具体的装调及检测步骤,用ZYGO干涉仪测量光学系统波前图,根据波前图和ZYGO干涉仪上的数据对光学系统进行辅助装调.装调后的系统经检测,用CCD相机观察分辨率可达到681p/mm,达到了相机的分辨率极限;用显微镜观察系统分辨率可达到96.71p/mm,满足了项目设计指标要求.     

可见光级铝合金反射镜一体化设计与分析

高精度的反射镜对于航空航天载荷具有重要的意义。随着单点金刚石车削加工技术(SPDT)和抛光技术的发展,铝合金反射镜以快速低成本制造等优点用于可见光级的应用中。为了降低系统装调的自由度,设计了一种一体化的反射镜结构,并针对126mm口径主三反射镜进行有限元建模仿真,通过对反射镜自重分析、模态分析和加工离心力分析。得出设计的主三反射镜具有较高的动态刚度,多种工况下反射镜的镜面形变化均低于1/40λ(λ=632.8nm),可应用于可见光系统中,为金属反射镜的集成设计和制造提供一定的参考。     

薄膜加载变形的有限元数值优化反演求解

薄膜加载变形的反演求解问题是薄膜反射镜成形控制的核心问题.为了实现薄膜面形的高精度控制,给出了柔性圆薄膜由平面变为特定矢高的理想抛物面所需离散均布栽荷的算法,并建立了有限元数值优化反演求解模型.通过300mm口径、25um厚的聚酰亚胺薄膜算例求解,分析了边界预张力、优化栽荷对薄膜面形精度和中心变形量的控制规律,为大变形薄膜反射镜面形控制提供了依据.     

船体变形非接触式测角系统精度检测装置的研制

为了检测因环境因素变化造成测量船船体变形的测量设备精度,研制了一种船体变形非接触式测角系统精度的检测装置.该装置以高精度编码器为基准,利用平面反射镜的反射特性,把船体的变形转换为位移量,通过光电接收管接收,最后经CCD进行处理,给出角偏移量.该装置已成功应用于测量船的测角系统中,检测结果证明该装置具有结构简单,装调方便,测量精度高等特点.     

激光辐照下反射镜热变形特性分析

激光致反射镜热变形引起光束质量下降是强激光系统优化设计的关注热点.为了在不同反射膜和不同基底的多种材质组合中筛选出热变形最小的情况,对反射镜热变形特性开展了理论分析,讨论了激光参数的影响.首先模拟了不同反射镜的温升和热变形,发现温升和热变形的最大位置始终位于被激光辐照镜面上;然后筛选出热变形最小的镜体组合是镀Ag膜的硅基底反射镜,并且随着入射激光波长的增大,反射镜温升变小,热变形量也减小;激光功率越小,反射镜的温升越低,热变形量越小;激光光斑半径越大,最大热变形量越小.研究结果可以为反射镜的优化设计,以及反射镜的激光损伤等方面提供理论参考.     

4m SiC主镜的轻量化及支撑技术

为设计出结构合理的4mSiC轻量化主镜,本文借助于有限元法完成了扇形轻量化主镜的参数设计,确定了90个支撑点的排布方式,并提出了将36组轴向和侧向力促动器共同设置在主镜背面的力分散器上的支撑方案。通过建立轻量化主镜的有限元模型,计算出不同的俯仰角下主镜的重力变形和不同温度载荷下主镜的热变形情况。重力变形分析结果表明主镜光轴水平时,镜面最大变形误差RMS仅为14．7nm,满足设计指标要求;热变形分析预算出1℃的轴向温差引起的镜面面形误差RMS值为278．0nm。若要保证4mSiC轻量化主镜的镜面面形,则必须设计出合理的热控装置,保证主镜的轴向温差不大于0．1℃。     

超大口径凹非球面反射镜的动态干涉测量技术

为了克服超长光路造成的振动和大气扰动的影响,采用动态干涉测量结合补偿法进行超大口径凹非球面的精密检测.通过分析超大口径凹非球面反射镜检测的难点,采用动态干涉仪克服检测中振动和大气扰动,并利用Zemax光学设计软件,以口径3.5m的凹非球面反射镜为例设计了干涉补偿光路.误差分析结果表明,采用动态干涉仪和补偿法进行超大口径凹非球面反射镜面形检测,不仅可以克服振动和大气扰动的影响,还能达到λ/90以上的检测精度.     

超高速摄影中转镜力学特性的数值模拟

从弹性力学基本理论和三维应力应变方程出发,利用有限元结构强度分析原理,结合实验结果及转镜具体结构,建立了转镜镜面变形量、应力分布的计算机仿真原理与方法,并对四面体转镜的计算结果做了实验对比,得出了四面体转镜应力分布、应力最大点和镜面变形的定量数值．     

基于ISIGHT平台的大型空间望远镜主镜主动光学系统研究

为了实现大型空间望远镜的高成像质量,建立了主镜主动光学系统模型。对主镜面形校正的算法、主镜面形校正的精度以及主镜面形校正能力等进行研究。首先,对主镜面形校正的算法进行研究。对主镜的镜体结构和支撑方案进行设计,建立了主镜有限元模型。构造了单位主动力矩阵和主镜面形响应矩阵。采用广义逆矩阵法求得了主镜面形校正矩阵。接着,采用多学科分析平台Isight建立主镜面形校正精度模型,以慧差为例,分析了主镜面形校正的准确性。最后,采用Isight平台建立了主镜面形校正能力分析模型,以低阶像散为例,分析了在促动器最大调整力为100N时,主镜面形的校正能力。分析结果表明：主镜慧差的校正精度为4%;力促动器能校正0.467个波长的像散。主镜面形校正算法及模型基本准确,可用来进行主镜面形校正。     

Optimum design of lightweight silicon carbide mirror assembly

According to the design requirement and on the basis of the principle that the thermal expansion coefficient of the support structure should match with that of the mirror, a lightweight silicon carbide primary mirror assembly was designed. Finite element analysis combined with the parameter-optimized method was used during the design. Lightweight cell and rigid rib structure were used for the mirror assembly. The static, dynamic and thermal properties of the primary mirror assembly were analyzed. It is shown that after optimization, the lightweight ratio of the silicon carbide mirror is 52.5%, and the rigidity of the silicon carbide structure is high enough to support the required mirror. When temperature changes, the deformation of the mirror surface is in proportion to the temperature difference.     

长条形空间反射镜镜体及其支撑结构设计

为了满足长条形空间反射镜的设计要求,从结构材料的选择、镜厚比确定、支撑方式与最佳支撑点位置的选择以及镜体轻量化等方面进行了详细的镜体结构设计。设计了一种空间反射镜柔性支撑结构,以满足温度载荷与装配误差0.05mm工况下镜体面形精度的要求。利用有限元分析软件对反射镜组件进行分析,反射镜组件在Z向1g重力、4℃温升以及0.05mm强制位移三种工况耦合作用下的面形误差峰谷值PV为20.5nm,均方根值RMS为4.75nm,优于PV值小于λ10,RMS值小于λ50的设计指标。组件一阶频率141.83Hz,满足动态刚度要求。组件分析结果表明,反射镜及其支撑结构设计合理,满足空间应用要求。     

磁致液面变形及其光学测量

为获取磁场中气液界面的特性参数,提出基于镜面反射成像与结构照明相结合的方法对磁致液面变形进行测量.根据图像映射和条纹灰度矩阵提取条纹图的相位差进行液面变形量的计算,并重建三维变形液面.得到了结论:液体表面附近处的梯度磁场将引起表面张力的不均匀而使其发生变形,变形量及方向与磁场强度和梯度的空间分布有直接关系,为浮力-热毛细对流的相关研究提供一种新的途径.     

Research Status and Key Technologies of Geo-Electromagnetic Magnetic Induction Sensor

TMT三镜系统方位轴系的抖动测试与研究

张敏^1,2,陈涛¹,李洪文¹,杨飞¹

（1.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所,长春 130033;

2.中国科学院大学,北京 100039）

中文摘要：

TMT三镜系统所面临的挑战是对于系统图像抖动性能的严苛要求。机械结构的设计与设备选型会影响望远镜观测过程的图像抖动。本文针对一个相似配置的望远镜进行了抖动测试实验,以支持三镜系统的设计。测试实验采用了32位绝对式编码器进行位置跟踪的方法,同时针对几种影响系统抖动的干扰源进行了讨论。实验结果表明,在低速跟踪过程中,抖动值小于10 RMS,系统设计能够满足TMT三镜系统的抖动要求,针对于抖动的进一步校正给出了NFIRAOS误差抑制传函。

关键词：TMT三镜系统;抖动;低速;位置跟踪

     

一种基于有限元分析的柔性支撑结构设计

为了满足反射镜较高的面形精度要求,提出了一种基于有限元分析的柔性支撑结构.首先根据反射镜的设计要求确定柔性支撑的结构形式,然后利用有限元分析软件对反射镜组件进行网格划分并提交运算.分析结果表明,当柔性支撑中镶嵌件膜片厚度为1.5mm、柔性杆十字槽厚度为4mm时,反射镜组件的一阶谐振频率达到206Hz,在1g重力作用下镜面综合面形误差RMS值分别达到2.5nm、4.4m、25.3nm,在1g量力和4℃温升共同作用下镜面综合面形误差RMS值分别达到15.2nm、17.7nm、28.5nm,各项指标均满足设计要求.动力学响应分析表明,柔性支撑具有较强的抗振能力.     

基于三角基曲面拟合后视镜的数学建模与仿真

针对后视镜曲面光滑度高的特点,提出采用基于三角基线性分布计算法的曲面拟合技术拟合后视镜,并给出了曲面拟合后视镜流程．首先通过测量得到后视镜的数据,然后根据数字化离散点的三维坐标及各点的法矢量．利用后视镜表面的几何特征拟合计算目标函数．利用Matlab仿真对三角基曲面拟合和最小二乘法拟合进行了比较．结果表明,采用三角基曲面拟合的曲面更光滑,可以用于后视镜拟合．通过拟合得到的曲面几何参数可以为后视镜模型设计打下基础．     

一种新型快速控制反射镜谐振分析

本文通过对传统快速控制反射镜系统(以下简称FSM系统)的分析,从机械振动理论出发提出了一种改善FSM机械谐振频率的方法,并对其进行了分析计算.