TMT三镜面形评价过程

TMT 望远镜是一台R-C 式的30m口径光学红外望远镜,其三镜为椭圆形平面镜,口径为3.594m2.568m,质量达到1.8 t。三镜系统需要把来自于次镜的光折转到望远镜两侧奈氏平台的科学仪器上,具有跟踪和快速定向功能,因此三镜位置也是三轴正交运动的结果。三镜支撑系统必须能够在多工况、变载荷的条件下有效保证镜面的面形精度,所以依据TMT 项目组要求面形结果需优于1/5波长(=632.5 nm) 或者斜率均方根小于1 rad。以三镜支撑的一种方案为例详细阐述了TMT 三镜面形评价的过程。这一方案中底支撑采用18 点whiffletree 结构形式,侧支撑采用8 点A-frame 结构形式。首先通过ANSYS 建模仿真,然后使用MATLAB 进行数据后期处理,依次去除结果中包含的刚体位移项、离焦和像散等,最后使用9 个子孔径来拼接归一化的三镜,同时计算每一个子孔径的斜率均方根。这一数据处理方法有别于以往圆形主镜镜面评价的过程,但适合对TMT 三镜椭圆镜面面形评价,且在光学系统中斜率均方根比均方根在镜面面形评价上更有意义。对于大口径反射镜镜面面型评价具有重要的指导意义。     

Slope RMS在三镜支撑设计与面形评价中的应用

针对镜面面形均方根（RMS）无法反映表面面形的空间频域特性,借鉴了国际上先进的斜率均方根（Slope RMS）作为面形评价方法。本文以2 m级望远镜三镜作为例子,将Slope RMS作为优化目标函数,计算了支撑点的位置,给出的支撑之后面形误差RMS值为6.88 nm,在空间间隔为0.25 mm时的Slope RMS值为0.17809 μrad。利用Zernike多项式作为面形拟合基底函数,将对成像质量没有影响的刚体位移从面形误差中分离出来,得到最终的面形误差的RMS值为3.30 nm,在空间间隔为0.25 mm时的Slope RMS值为0.15943 μrad。研究结果表明,以Slope RMS为目标函数优化支撑点的支撑结果位置满足光学设计的要求,对更大口径光学元件的支撑设计提供了一种指导方法。     

中心支撑长条形反射镜轻型优化设计

针对轻小卫星相机质量更轻、性能更好的设计要求,对空间某中等口径的长条形反射镜提出一种基于中心支撑形式的轻型优化设计方法。选用背部中心单点支撑形式,不仅从整体上减小了反射镜及其组件的质量,而且大大简化了支撑结构的设计。采用多目标集成优化的方法,提高了反射镜在Z向重力工况下的面形精度。设计了适用于中心支撑的柔性支撑结构,克服了中心支撑刚度低、动态可靠性差的缺点。仿真分析了反射镜及其组件的综合性能,并与背部三点支撑形式进行了比较。结果表明,中心支撑的反射镜质量更轻（3.36 kg）,与实体反射镜相比,轻量化率达到了87%,组件质量也较三点支撑减小了24%;在X、Y、Z三轴方向1 g重力工况下的面形精度RMS值分别达到2.2、2.1、7.5 nm,优于三点支撑形式;4℃均匀温升载荷工况下的面形精度RMS值为2.8 nm,远小于设计要求的RMS 12 nm;反射镜组件的一阶固有频率为135 Hz,重力作用下镜面的最大刚体位移为3.96 m。该设计在极大地减小了反射镜及其组件质量的同时,保证了反射镜的面形精度和组件的动、静态刚度,满足设计要求,为同类型空间反射镜的轻型优化设计提供了一种新思路。     

空间遥感器Ф2 m量级大口径SiC反射镜镜坯结构设计

空间遥感器的大口径反射镜的设计目标是高比刚度。为限制发射成本,尽可能降低镜体质量;为保证反射镜的功能需求,尽可能提高镜体自身的刚度,随着反射镜口径的增大,反射镜的轻量化设计更加重要。针对某Ф2 m口径天基大口径反射镜镜体的轻量化设计,采用了传统经验设计、拓扑优化设计和尺寸参数优化设计相结合的综合优化设计方法,相对大口径反射镜镜体的传统轻量化设计方法,这种综合优化设计方法可使设计结果快速收敛,获得最优化的设计结构。采用综合优化设计方法完成镜体的优化设计后,Ф2 m口径天基大口径反射镜镜体的质量为326 kg,镜体轻量化率高达82.5%,单镜在光轴竖直状态,在1 g重力载荷作用下,取决于镜体刚度的评价镜体成像质量的镜面面形精度RMS值的变化量优于4.9 nm,单镜在光轴水平状态,在1 g重力载荷作用下,镜面面形精度RMS值的变化量优于4.3 nm。结果表明,镜体质量优于设计要求的340 kg;镜面面形精度RMS值变化量优于设计要求的5 nm,满足了镜体要求的高比刚度要求。     

基于斜率的TMT 三镜面形检测方法

为了完成对于30 m望远镜(TMT)三镜面形的检测,引入了基于斜率的测量方法。首先,针对斜率信息分别提出了对于低阶像差拟合以及中频误差分析的方法,并利用数值仿真以及实测数据对于之前提出的理论进行验证;最后,针对所提出的方法进行了基于蒙特卡洛法的误差分配,讨论了在TMT招标方所提出的精度要求下,各个检测仪器的精度如何分配。文中使用的方法,不仅对于TMT三镜的面形检测有很好的指导作用,同时对于类似的大口径平面镜的检测也有一定助力作用。     

离轴三反光学系统主三反射镜支撑结构设计

主三反射镜支撑结构是离轴三反生物成像系统研制过程中的关键技术难点之一,为了减少工作环境下主三镜面形变化,满足支撑系统稳定性要求,利用有限元方法对主三镜组件进行了优化设计。首先,根据光学系统设计要求确定了反射镜及其支撑结构的材料和支撑方式。接着,优化布局了反射镜底部3点和侧面6点支撑位置,设计了轻量化镜室结构。根据优化数学模型设计了圆弧悬臂梁式柔性铰链结构,分析了在重力工况下和温度载荷工况下各参数对镜面面形精度的影响。然后,对反射镜支撑组件进行了静力学和热力学仿真分析,分析结果为重力工况下镜面均方根值RMS为1.529 nm,温度变化4 ℃时镜面均方根值RMS为2.426 nm。最后,采用Zygo干涉仪对支撑作用下的主三反射镜和系统波像差进行检测,实测反射镜镜面RMS值为0.025 λ,系统波像差RMS值为0.102 λ (λ=632.8 nm),基本满足了生物成像系统技术指标（主三镜镜面RMS≤λ/40,系统波像差RMS≤λ/10）要求。     

400 mm跟踪望远镜结构设计和分析

针对主镜口径为400 mm口径的跟踪望远镜的设计要求,提出了一种有效的结构形式。首先确定了望远镜的光学结构形式和系统参数,并将整个系统分成了几个主要组成部分。接着着重确定了主镜室的结构形式,通过优化最佳支撑位置确定了主镜的支撑结构;同时确定了次镜室以及三翼梁的结构。然后运用有限元建模、分析的方法,重点分析了反射镜的面形精度受重力变形和温度变化的影响,进行了整个望远镜系统的刚度分析和温度变化对主次镜间隔的影响。保证了主镜在极限情况下面形RMS 30/,整个系统具有较好的刚度和环境适应性。分析结果表明,反射镜支撑结构以及整个系统的设计均达到了设计要求,可以为类似结构提供一定的指导。     

极轴式望远镜主镜支撑结构对镜面变形的影响

根据极轴式望远镜的工作特点,以口径为700 mm的极轴式望远镜主镜室系统为例,确定了一套主镜支撑方案。借助于有限元分析软件MSC.Patran详细地建立了系统的有限元模型,选取多种工况,分析了系统在自重作用下的镜面变形情况,绘制了镜面变形误差PV值和RMS值的变化曲线。结果表明:镜面变形主要受角的影响,随着的增大而减小,径向支撑效果优于轴向支撑效果,镜面变形误差满足设计指标要求。在主镜室系统竖直放置时,利用Zygo干涉仪测得带支撑结构的镜面变形误差RMS值为28.48 nm,表明主镜在该支撑结构作用下的面形接近于加工检测时的状态,同时也验证了有限元模型的准确性。     

超大口径平面反射镜的光学检测（特邀）

在简要总结了各种检测大口径反射镜难点的基础上,为了实现30 m望远镜（TMT）超大口径第三反射镜的高精度检测,提出了一种融合五棱镜扫描技术和子孔径拼接测试技术的新方法。大口径反射镜分阶段依次进行了五棱镜扫描测试和子孔径拼接检测,对该技术的基本原理和基础理论进行了分析和研究,制定了检测30 m望远镜第三反射镜（口径为3.5 m×2.5 m）的方案,对其测试流程、五棱镜设计、五棱镜扫描像差拟合、拼接最优化算法等进行了详细分析,并对30 m望远镜第三反射镜的原理镜进行了实验验证,其最终拼接检测面形的均方根值（RMS）和斜率均方根值（slopeRMS）分别为28.676 nm和0.97 μrad。     

193nm光刻投影物镜单镜支撑仿真分析及实验研究

光刻是大规模集成电路制造过程中最为关键的工艺,光刻的分辨力主要取决于光刻投影物镜的光学性能。光刻投影物镜光学元件面形精度为纳米量级,其对光学元件的加工及物镜单镜支撑提出了极高的要求。为193nm光刻投影物镜高精度的单镜面形,设计了一种运动学单镜支撑结构。运用有限元法(FEM)分析光刻投影物镜单镜运动学支撑结构在重力下物镜镜片的面形变化量,经分析物镜镜片的峰值(PV)值为15.46nm,均方根(RMS)误差为3.62nm。为了验证有限元计算精度,建立了可去除参考面面形及被测面原始面形的方法。经过分析对比,仿真结果与实验结果面形的PV值为2.356nm,RMS误差为0.357nm。研究结果表明,所设计的基于运动学193nm光刻投影物镜单镜支撑结构能够满足193nm光刻投影物镜系统对于物镜机械支撑结构的要求。     

SiC轻量化主镜液压whiffletree支撑系统的改进

针对2 m SiC轻量化主镜设计了液压whiffletree被动支撑系统,通过在轴向液压支撑点处并联杠杆配重机构的方式,实现了不同支撑圈上轴向支撑力的优化分配,将轴向支撑下主镜的镜面变形RMS值从7.1 nm优化到4.8 nm.针对SiC主镜热膨胀率大的特性,提出了采用具有热解耦能力的切向连杆结合液压whiffletree的侧向支撑系统,并借助于有限元法预算出主镜光轴水平状态下侧向支撑引起的镜面变形误差RMS值为39.7 nm.当温差为20 ℃时,轴向和侧向支撑结构作用下的主镜镜面变形误差RMS值仍保持在4.8 nm,验证了侧向支撑良好的热解耦能力.     

大口径望远镜主镜支撑系统装调

针对1.2 m大口径望远镜主镜支撑系统,为保证主镜面形精度均方根要求,提出了一种有效的装调方法。该主镜支撑系统结合运动学原理,分别设计了Whiffletree轴向支撑和柔性切向杆侧向支撑结构,以保证其在较大温差范围内（-20~60℃）以及不同俯仰状态下（垂直-水平）始终具有较好的面形精度。机械加工误差及安装误差使柔性机构在组装过程中极易引入装配应力,明显地增大主镜表面变形。借助于有限元软件对装调过程中可能出现的误差进行仿真分析,根据结果制定装调流程,并对实际装调进行指导。完成主镜支撑系统装调后,采用补偿器和干涉仪对主镜的垂直检测及水平检测,检测出两种状态下主镜的实际面形误差分别为/42和/31（=632.8 nm）。     

620mm薄镜面主动光学望远镜校正实验

对620mm 口径薄镜面主动光学望远镜进行了主镜面形校正和系统波像差校正实验。主镜支撑结构由轴向36 个主动支撑点和侧向6 个被动支撑点组成, 其中轴向33 个支撑点用于主动校正,3 个作为虚拟硬点用于控制主镜空间位置;利用研制的Shack-Hartmann（S-H）传感器作为检测设备,采用最小二乘法计算校正力。实验中在对系统校正能力测试的基础上,选择了中低频Zernike 像差参与校正。通过将S-H 传感器固定在主镜曲率中心位置, 完成了主镜在不同俯仰角下的面形校正, 将初始状态约0.6RMS 校正到/12～/15RMS。而后通过平行光管发出的星点目标,对望远镜系统进行了波像差校正,使系统波像差从初始约0.65RMS 校正到约0.2RMS,分辨率由18 lp/mm 提高到45 lp/mm。     

近红外镜头系统的设计与装调

为了使1.23 m 望远镜具有大视场捕获功能,进行了口径为200 mm 的近红外镜头的设计与装调工作。首先,通过光学原理确定同轴反射式光学系统。其次,通过有限元分析方法对比桁架式与圆筒式主支撑结构、三翼梁与四翼梁式次镜支撑结构在不同工况下的变形,确定桁架式三翼梁支撑结构。最后通过设计适当的次镜装调结构和选用适当的CCD 电控平移台,对系统进行装调。装调后对系统进行检测实验,检测得到系统波前误差RMS=0.106 18,PV=0.553 62（=632 nm）。检测结果表明该近红外镜头足够满足光学设计要求及成像要求。     

空间相机反射镜SiC/Al 支撑板轻量化结构优化设计

在保证空间光学遥感相机反射镜组件结构刚度、位置精度、面形精度的同时,最大限度地降低反射镜支撑板的质量,是轻量化设计的一个重要内容。提出了通过拓扑优化确定反射镜用SiC/Al 材料的背部支撑板轻量化形式的方案。采用有限元分析法对获得的优化结果进行分析。分析结果表明: 重力载荷下面形精度达到/10 PV,/50 RMS（=632.8 nm）,PV 值13.3 nm,RMS 值2.9 nm,反射镜组件一阶固有频率239 Hz,均优于传统结构形式的反射镜。拓扑优化的方法获得的轻量化背部支撑板能够满足使用要求。     

Whiffletree结构在主镜侧支撑中的应用研究

Whiffletree结构被广泛地应用在大口径望远镜主镜的底支撑中,但是目前在侧支撑中还没有采用Whiffletree结构的例子。首先探讨了在非薄弯月镜主镜中,采用Whiffletree结构进行侧支撑原理和方法,并结合一个实例,对Whiffletree侧支撑进行计算和设计,然后使用有限元软件MSC.Patran/Nastran进行了分析,最后得到镜面变形的RMS值为1.46nm,低于/40,证实该方案的可行性。     

温度梯度对大口径反射镜热稳定性公差的影响

为了研究温度对大口径SiC反射镜镜面曲率半径和面形RMS值的影响,针对某空间相机2 m口径SiC主反射镜建立了有限元模型,分析了均匀温度场、轴向温度梯度以及径向温度梯度对反射镜曲率半径变化量和面形RMS值的影响程度和规律,通过理论分析和试验验证了仿真结果的准确性。结果表明:温度梯度对反射镜曲率半径和面形RMS值的影响远远大于均匀温度对其的影响,曲率半径变化对轴向温度梯度最为敏感,面形RMS值对径向温度梯度最为敏感。1℃轴向温度梯度引起的曲率半径变化比相同均匀温升引起的曲率半径变化量大48倍。1℃径向温度梯度引起的面形RMS值可比相同均匀温升引起的面形RMS值大202倍。在确定反射镜热控指标时,必须考虑轴向温度梯度和径向温度梯度对稳定性公差的影响。