薄膜反射镜的成形控制

针对望远镜发射系统承载空间与承载质量的限制与大口径、高分辨率反射镜使用需求之间的矛盾,开展了轻质柔性薄膜反射镜地基试验研究,实现了静电拉伸式薄膜反射镜的精确成形控制.针对口径为300 mm的同心环分布式电极静电拉伸聚酰亚胺镀铝薄膜反射镜,基于泊松方程的薄膜小变形近似求解.并通过确定每环电极对面形的影响函数来确定分布式电极对反射镜薄膜成形的控制矩阵,进而利用最小二乘法求得了分布式电极对面形精确控制所需的分布电压.用ANSYS有限元分析法对比结果,分析相关误差并总结控制方法.结果显示,在薄膜中心变形量超过2.5 mm以后,基于泊松方程的理论求解和ANSYS有限元分析结果相差很大,计算面形与理想面形偏差也很大;认为只有综合运用数值计算和有限元分析,通过确定分布式电极对面形的控制矩阵,运用最小二乘法求解分布式电压,才能准确地实现薄膜小变形面形的预知和控制.     

薄膜反射镜的单电极控制静电成形

考虑薄膜反射镜具有质量轻、柔韧性好、可折叠等优点,研究了由静电拉伸法制备薄膜反射镜的新技术.介绍了薄膜反射镜的静电成形机理,计算了单电极模式下薄膜所受力场,设计了单电极式薄膜反射镜的控制实验.给出了控制成型所需的主要参数,设计了薄膜反射镜的夹持结构和控制电路,并利用刀口仪测量了形成的反射面的焦距.实验结果显示,未通电时薄膜反射镜面形的PV值达到11.14λ, RMS值为1.86λ,在10 000 V的高压下可以形成焦距约为2.1 m的反射镜面.通过Zernike拟合验证了数据的可靠性,结果表明,通过改善夹持结构精度和选取性能优良的薄膜材料,反射镜面形精度可进一步提高.     

空间相机反射镜镜面面形处理

镜面面形误差是空间相机反射镜的重要指标之一,对空间相机反射镜结构的设计及优化具有重要的指导意义。为分析空间相机反射镜在各种工况下的面形误差情况,以球面镜为例,对镜面面形误差的计算方法进行了研究。采用三种不同的球面拟合方法对变形后的反射镜镜面进行球面拟合,并计算得变形后反射镜镜面面形误差的RMS值和PV值。最后,通过计算实例对三种面形误差计算方法进行了比较,结果表明三种计算方法精度均满足空间相机反射镜镜面面形误差计算精度要求(优于1nm),综合考虑计算精度及效率,高斯-牛顿法为最佳计算方法。     

新型薄膜反射镜的有限元分析

薄膜反射镜是实现大口径、低面密度空间光学系统的最新方向之一,材料采用柔性薄膜,具有重量超轻、体积小的特点.由于薄膜反射镜的挠度特性,利用传统的方法来获得面形的变化很困难.介绍薄膜反射镜的成形原理,建立符合实际情况的有限元模型,通过施加一定的边界条件,对薄膜反射镜进行非线性分析,得到一系列的挠度值,并和理论值进行比较分析,最大误差为0.07%.所得到的结论对于进一步研究反射镜成形和面形控制,以及薄膜厚度的选择具有一定的指导意义.＃     

静电拉伸薄膜反射镜成形控制方法研究

摘要：目的：针对发射系统承载空间与承载重量的限制与大口径、高分辨率反射镜使用需求之间的矛盾,开展轻质柔性薄膜反射镜地基试验研究,实现静电拉伸式薄膜反射镜精确成形控制。方法: 首先,基于泊松方程的薄膜小变形近似求解,针对口径Φ300mm的三环分布式电极静电拉伸聚酰亚胺镀铝薄膜反射镜,通过确定每环电极对面形的影响函数来确定分布式电极对反射镜薄膜成形的控制距阵,进而利用最小二乘法求得分布式电极对面形精确控制所需的分布电压。并用ANSYS软件有限元分析进行结果对比,分析相关误差因素,总结控制方法。结果：在薄膜中心变形量大约超过2.5mm以后,基于泊松方程的理论求解和ANSY有限元分析结果相差很大,计算面形与理想面形偏差也很大。结论：只有综合运用数值计算、有限元分析方法,通过确定分布式电极对面形的控制矩阵,运用最小二乘法求解分布式电压,才能准确地实现薄膜面形的预知和控制。     

薄膜反射镜静电成形机理研究

摘要：薄膜反射镜是一种正在发展中的新概念技术,它将解决反射镜孔径与重量相互制约的问题。采用静电拉伸法控制薄膜反射镜面形,具有结构简单、反射镜面形易于控制等优点,其原理为利用静电场上库仑力作用使薄膜产生面形变化,生成所需的光学曲面。由于薄膜变形力学,以及静电场理论的复杂性,目前薄膜成形及其面形控制在理论分析上仍未有定量的结果。本文主要从理论上分析了静电场中空间电势分布特性,以单电极静电场中的薄膜反射镜面形为考察因素,通过数值计算的方法得到薄膜反射镜上的静电力分布,运用有限元分析获得该分布下的反射镜面形,并将其与理想面形进行了比较。提出采用多电极闭环控制可获得更高的控制精度,对静电拉伸薄膜的研究工作具有重要的指导意义。     

Bipod反射镜支撑结构的柔度计算及分析

为了改善反射镜在环境温度波动情况下的面形精度下降问题,设计了一种联杆型双轴Bipod柔性支撑结构,并基于柔度理论对它进行了参量优化。首先,对支撑结构的柔度进行了分析和计算,推导出柔性支腿以及反射镜组件的柔度理论公式。然后,以保证反射镜轴向支撑刚度和卸载能力为目的,计算得到一组针对口径为200mm反射镜的柔性支撑结构尺寸参数。最后,通过有限元分析和振动试验,对支撑结构的柔度公式、动态特性、温度适应性进行了分析验证。分析结果显示,在一定作用力下,柔性支腿的理论值与有限元分析值的误差在10%以内;振动试验得到组件的一阶频率为358.5Hz,与理论计算值的相对误差为8.8%;在20℃温差下,反射镜面形精度为7.7nm(rms)。试验结果验证了理论模型的有效性,同时说明Bipod柔性支撑结构能够降低温度波动对反射镜面形的影响。     

Bipod柔性结构在小型反射镜支撑中的应用

设计了一种由3组Bipod组成的柔性支撑结构,用于提高在实际工作条件下小型反射镜的面形精度。首先,利用伴随变换建立了Bipod及由其组成的支撑结构的柔度矩阵;利用MATLAB优化Bipod的结构参数,以满足径向刚度最小时轴向刚度最大的要求。然后,对优化后的支撑结构施加力和热载荷进行了仿真验证。最后,利用zygo干涉仪验证该支撑结构的热稳定性。结果表明,Bipod柔性支撑结构在保证反射镜良好热稳定性的同时,可以有效降低外界动态载荷对反射镜的影响;不仅具有良好的动态特性,且能在力热耦合载荷下保持较好的面形。分析显示其1阶固有频率达到1 781.7Hz,与理论计算相比,相对误差约为1%。     

大口径长条形反射镜组件自重变形的仿真与试验

研究了空间光学遥感器的大口径长条形反射镜组件在自重载荷作用下的面形变化,实验验证和定量分析了Zernike多项式拟合法以及球面方程拟合法得到的仿真分析结果的精度。介绍了Zernike多项式拟合法以及球面方程拟合法的基本原理,分别用这两种算法对大口径长条形反射镜组件在自重载荷作用下的面形变化进行了仿真分析。根据误差合成原理,提出了依据翻转前后两个状态的面形检测结果计算镜面面形变化的方法;针对离轴反射镜在面形检测过程中存在离轴量与镜面像散互相补偿的现象,求解了离轴量变化量与镜面像散的关系。试验结果显示:Zernike多项式拟合法的计算精度为74.2%,而球面方程拟合法的计算精度为12.6%;对仿真分析结果的误差评价表明,采用有限元法得到的仿真分析结果的理论精度值为10%左右,与球面方程拟合方法的计算精度12.6%基本吻合。研究表明,由于Zernike多项式拟合法自身的局限性,不适合对长条形反射镜面形变化进行拟合,而球面方程拟合法的计算精度能够满足工程要求。     

薄膜反射镜静电成形单电极控制

静电拉伸薄膜反射镜是近年来发展起来的一种新型技术,薄膜反射镜具有质量轻、柔韧性好、可折叠等优点,在航天领域具有广阔的应用前景。静电拉伸薄膜反射镜的原理为利用静电场上库仑力作用使薄膜产生面形变化,生成所需的反射曲面。由于薄膜变形力学,以及静电场理论的复杂性,目前薄膜成形及其面形控制的研究工作都还不完善。本文在薄膜反射镜成形控制机理研究的基础上,设计了单电极式薄膜反射镜的控制试验,详细计算了控制成形所需的主要参数,设计了薄膜反射镜的夹持结构和控制电路,并利用刀口仪测量了形成的反射面的焦距,试验结果表明在10000V的高压下可以行程焦距约为2.1m的反射镜面,面形的PV值达到11.14λ, RMS值为1.86λ,通过改善夹持结构和选取性能优良的薄膜材料控制面形精度可进一步提高。     

静电拉伸薄膜反射镜的多电极成形控制

针对现有薄膜反射镜成形控制方法存在求解复杂,工程实用性差等问题,提出了基于反演求解的半解析成形控制方法.首先,基于Karman方程和静电场理论推导了所要拉伸的抛物面面形与施加压强分布的关系及实验所需的离散电极环电压值;其次,利用有限元软件建模和分析,验证所推导的压强分布;最后,在口径为300 mm的三环电极的静电拉伸反射镜实验平台上进行了验证实验.实验显示,拉伸面形最大变形量与理论值基本吻合,面形误差与传统均匀压强下的相比有所减少,最好的实验结果得到的PV值和RMS值较均匀压强下的值分别减少了9.76％和15.38％.仿真及实验结果表明:所描述的方法可以控制面形并提高面形精度,与传统的成形控制方法相比较具有简单实用等优点.     

Zone-plate inteferometer to measure the positioning error of a cutting tool

A simple type of zone-plate interferometer has been developed to measure precisely the positioning error of a cutting tool. Interference fringes obtained by the interferometer are little affected by air turbulence in the optical paths and by machine vibrations. The shape of the mirrors surface being tested is spherical and is manufactured with an ultraprecision lathe. A zone plate is set at the midposition between the vertex of the spherical mirror being tested and the center of curvature of the mirror. The error in the shape of the mirror and the positioning error of the tool can be determined by analyzing the interference fringes. Two spherical concave mirrors were measured. One mirror was manufactured with a tool that had same positioning error. The positioning error was observed as distortion of the interference fringes. The images obtained by the zone-plane interferometer agree well with the images obtained by a Fizeau interferometer and a computer simulation based on the experimental results. The other mirror was manufactured with the tool after the positioning error had been eliminated, based upon the results of the above experiments. The interference fringes of the mirror show no distortion, and the error in the shape of the mirror is small.     

傅里叶变换红外光谱仪动镜倾斜误差分析

通过建立傅里叶变换光谱仪中动镜、定镜和干涉面的坐标对应关系,对动镜存在多个方向倾斜时的干涉光路进行了详细的分析。建立了非准直状态下干涉面光强分布的二维数学模型,确立了干涉图函数的数学表达式,从调制度、相位误差和频率噪声的角度,对动镜倾斜造成的影响进行了系统分析。在动镜的运动中,左右方向的倾斜和俯仰方向的倾斜对系统的影响彼此具有独立性,又具有叠加性;干涉图中初相位因子随光程差改变缓慢变化或快速变化,对相位误差的影响也不全相同。在倾斜误差分析的基础上,对动镜的最大倾斜角度和减少误差的方法进行讨论,并提出了两种动态准直校正的思路。     

应用在拼接镜面中的电容位移传感器的结构性误差分析及校正

分析了子镜运动和电容传感器极板运动之间的理论关系并探讨了电容位移传感器读数的"结构性"误差的处理方法。基于电容位移传感器的工作原理,对极板为圆形的电容位移传感器提出了采用以位移的测量值和子镜转角为自变量的多项式拟合的校正方法。计算表明该误差处理和校正方法是简洁可行的。对于转角的拟合只需2阶,同时位移测量值只需4阶的多项式进行拟合即可使输出位移达到3 nm的精度。进一步分析表明,直接使用位移传感器读数计算极板转角,并对误差的主动校正控制非常有利于该多项式拟合,可一次性达到优于5 nm的校正误差,完全满足拼接镜面主动光学工程应用的技术要求。     

Shape error measurement using ray-tracing and fringe scanning methods: projection of grating displayed on a liquid crystal panel

We present an improved Hartmann test, which has high spatial resolution with respect to the measuring points, for measuring projection mirrors. In the method, grid lines with a sinusoidal transmittance distribution are displayed on a liquid crystal panel and illuminated with a collimated laser beam. The beam transmitted through the liquid crystal panel reflects off the mirror surface being tested and reaches a screen. A charge-coupled device camera detects the projected images, which contain information about the inclination of the surface being tested. Any error in the shape of the mirror surface is identified by integrating the inclination. To increase the spatial resolution, the fringe scanning method is performed by shifting the grid lines on the liquid crystal panel. The grid lines are optimized for the shape of the mirror being tested. Because the grid lines are displayed by an electrical method, the shifting operation is easy and rapid, and furthermore, the displacement can be done precisely. The shape error of an off-axis parabolic mirror made of plastic is measured by the proposed method.     

Development of a one-dimensional differential deposition system for X-ray mirror figure correction

A thin-film deposition system was developed for the surface coating of X-ray mirrors of up to 1 m in length. With two coating process areas and four sputtering cathodes, various combinations employing a single layer, multilayered, and co-sputtered thin films are possible. Furthermore, it is possible to correct and modify the mirror surface shape by controlling the speed of the substrate stage. In this study, to evaluate the performance of the proposed coating system, the static coating distribution was measured to check the vertical direction. In a 10 mm area, a 0.9% peak-to-valley error and 0.2% root mean square error occurred. A differential deposition test was also performed for the horizontal direction (stage scan direction). In this study, arbitrary shapes were deposited on 100-mm and 400-mm-long mirrors. After removing the measurement error, the deposition error was less than 1 nm (peak-to-valley). The results demonstrate that this system can correct the surface of an X-ray mirror with ultra-high precision.     

接口前处理在光机系统动力学分析和面形优化中的应用

为了解决光机系统动力学分析与面形优化过程中由于光机接口程序后处理方式所引起的计算数据量大或接口处理失效的问题,提出将光机接口处理过程移到有限元前处理中,并进行了光机系统的集成分析与优化。首先,为了解决标准Zernike多项式在环形离散点域内的非正交性,引入了节点面积加权因子和环域Zernike多项式。提出了通过对镜面施加均匀压强求节点支反力的方式求取节点面积加权因子的计算方法。然后采用最小二乘法推导出镜面刚体位移和拟合镜面变形的Zernike多项式系数与镜面各节点变形量之间的线性关系式。最后,编写接口程序将这些线性表达式以多点约束(MPC)的方式导入到有限元模型中,在前处理过程中完成系统的光机接口处理过程。通过对非稳态风载引起的某1.2m地基望远镜视轴抖动和液压whiffletree支撑下的主镜镜面高阶变形量进行结构动力学随机响应分析,验证了光机前处理方法对解决光机系统动力学问题的有效性。此外,还以镜面面形为优化目标对1.2m轻量化主镜的镜体结构和尺寸进行敏感度分析,证明了光机前处理方法可以有效地简化镜面面形的优化分析过程。     

Shack-Hartmann波前传感器检测大口径圆对称非球面反射镜

针对大口径非球面反射镜在研磨阶段后期其面形与理想面形存在较大偏差,且表面粗糙度较大、反射率较低,采用轮廓仪和普通干涉仪检测无法满足测试要求等问题,提出采用动态范围大且精度高的Shack-Hartmann波前传感器来检测大口径非球面反射镜.研究分析了Shack-Hartmann波前传感器检测系统的原理及系统误差并编写了相应的数据处理软件.为了验证该方法的可行性,对已经加工完成的350 mm口径旋转对称双曲面面形进行了检测,测量得到的面形误差PV值、RMS值分别为0.388λ、0.043λ(λ=632.8 nm);与干涉测量的标准结果进行了对比,得到的面形偏差PV值、RMS值分别为0.014λ和0.001λ.对比结果表明,Shack-Hartmann波前传感器的测量结果正确可靠,从而验证了Shack-Hartmann波前传感器检测大口径非球面反射镜的可行性.     

采用单位激励影响矩阵数值计算的瑞奇-康芒检测技术

在影响矩阵法瑞奇-康芒检验中,恢复被测面形的关键在于构建被检平面面形误差与系统波像差之间的Zernike系数影响矩阵。为了提高瑞奇-康芒法的检测精度,研究了采用单位激励法来精确计算影响矩阵的方法。分别重构平面镜仅包含某一种Zernike波像差下的系统波像差分布,经Zernike拟合得到该种Zernike像差的影响系数向量;由各Zernike像差的影响系数向量组成影响矩阵,然后用最小二乘拟合出被检平面面形。对口径为90mm的平面镜进行实际检验,在瑞奇角为26.5°与40.6°的情况下进行波前恢复,得到被检平面镜PV值为0.141 3λ,RMS为0.019 4λ。与直接采用平面参考镜检测相比,瑞奇-康芒法检测误差PV值为0.082 8λ,RMS为0.010 9λ。该方法能够精确生成影响矩阵,抑制了影响矩阵法中对大F数的依赖,可用于精确恢复平面镜面形。