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...     

主动光学镜面支撑结构的优化设计

对主动镜面的工作原理以及镜面支撑系统与面形精度之间的关系进行了理论分析.以口径400mm,厚10 mm的薄镜面主动镜为例,利用有限元软件以及相关面形分析软件对其进行参数化建模,并对轴向支撑点的位置参数进行了敏感度分析及优化,从而给出了最佳的支撑点位置.     

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。     

0.5m超薄镜主动支撑面形校正及实验

为了研究主动支撑条件对超薄镜面形误差的校正能力,以一个直径0.5m的超薄镜为例进行了面形校正的仿真分析及实验验证。分析了致动器作用力与超薄镜面形的关系,引入了一些需校正的面形误差,如初级球差、慧差、像散及重力变形等,确定了致动器作用力的优化目标,用求解非线性约束问题的优化算法——序列二次规划法计算了校正面形误差所需的致动器作用力,得到了超薄镜面形残余误差。仿真分析表明,对于归一化系数为1的初始球差、慧差、像散以及它们的叠加,用本文提供的致动器排布方式可以将面形误差校正到RMSλ/24以内,且对初级像散的校正能力最强,慧差和球差次之;竖直放置时的重力变形加上3种低阶像差的叠加也可被校正到RMSλ/24。在得到主动支撑的0.5m实验镜的初始面形结果后,重新计算了优化力和面形误差,结果表明,计算结果和实际装调结果基本一致,RMS约为λ/7。计算分析了超薄镜面形未能达到预期目标的原因,提出了适当增加致动器和提高超薄镜初始面形精度的改进方案,并最终使超薄镜面形达到RMSλ/20的要求。     

1.23m SiC主镜的本征模式主动光学校正

采用直接最小二乘法和自由谐振法对大口径高刚度SiC主镜进行主动校正易引入较多解算误差,故本文提出以主镜的本征模式进行主镜面型校正来优化解算校正力幅值,以改进系统校正效果。该方法首先对主镜的响应矩阵进行一系列数学转换,得到一组相互正交的主镜本征模式,然后以各模式面形拟合校正目标,解算校正力。对1.23m SiC主镜和主动支撑系统进行了有限元建模,通过仿真验证了提出方法的正确性。在此基础上,在搭建的1.23m SiC主镜主动光学实验系统上进行了主动光学校正实验,并针对实验系统进一步优化了提出的方法。实验结果显示:利用该方法可将实验系统主镜面形误差由0.23λRMS校正至0.048λRMS,表明以主镜本征模式进行主动校正,可有效抑制解算校正力幅值,提高系统校正能力。该方法适用于大口径、高刚度SiC主镜的主动校正。     

展开式反射镜单元镜支撑技术

基于展开镜结构工作原理,运用有限元方法分析了展开式反射镜单元的裸镜及其支撑方案.目的是确定镜子支撑点数量及排布方式,并具体分析了12-6-1、12-8-1和16-8-1型三种支撑点排布方式,分别计算了各支撑点排布方式下的镜面自重变形.计算结果表明,采用16-8-1型的排布方式较为合理.支撑结构的优化设计是在裸镜支撑点优化位置加入支撑组件综合分析镜坯与支撑组件,以镜面面形误差及结构总体刚度为目标函数,考查、修改支撑组件以保证镜面RMS值在可调节范围(30μm)内.计算带有支撑组件的单元反射镜在自重作用下的变形,得出的镜面RMS值为16.52nm,小于1/4波长(632.8nm),表明将该支撑方案应用于单元镜具有可行性.并提高整个反射镜面的面形质量.     

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。     

利用相位差异法检测镜面面形

为了验证相位差异波前检测器演示系统利用自带光源独立完成波前检测任务的能力,搭建了基于相位差异法检测镜面面形的实验平台。测试时在焦面和离焦面上同时采集短曝光图像,在已知离焦量的前提下解算出波前相位分布并恢复出目标,从而实现对大镜面像差的估计。为了进一步验证相位差异测量方法的准确性,对相位差异法与高精度的ZYGO干涉仪得到的测量结果进行了比较分析。实验结果表明:两种方法获得的面形误差分布及误差的峰谷值(PV)和均方根值(RMS)一致性很好,而波前RMS的测量精度达到了2.83/1 000λ。得到的结果表明提出的相位差异法能有效地检测出镜面的像差,且准确性很好。     

主动光学系统力促动器的设计和测试

设计了一套用于控制薄镜面主镜面形的力促动器,并进行了实验测试。分析了常用的可以实现高精度、高稳定性的力促动器结构形式;结合实际情况和目前薄镜面主动光学实验系统的要求,设计了由步进电机驱动谐波减速器、精密丝杠传动,S型Loadcell反馈输出力变化的力促动器结构。最后,通过开环和闭环实验对结构进行了测试。实验结果表明,该力促动器行程为0~10 mm,输出力为—100 ~100 N,精度优于0.05 N,满足大行程、高精度微量输出和高稳定性要求,可以应用于主动光学支撑系统,同时也适用于其他精密调整结构。     

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。     

主动调节刚性支撑薄膜型反射镜面形调整机构的研究

空间光学的发展对光学系统的轻量化提出越来越高的要求,作为一种超轻量化的方法,介绍了主动调节刚性支撑薄膜型反射镜的概念,这种薄模型反射镜由美国率先提出,并制造出口径500mm厚2mm的模型镜,反射镜的面形通过均匀分布的致动器的微量移动来调整,致动器的最小位移是20nm.美国使用压电陶瓷做致动器,有利于实现系统的轻量化.在试验阶段,设计一套机械微动装置来代替压电陶瓷做致动器,它的微动原理是利用杠杆减速机构及球面上的不同点的矢高变化来得到所需要的微位移,这套机构具有结构简易,重量轻,易于加工制造的特点,同时具有较高的灵敏度.     

光学拼接镜面微位移主动调节机构的设计和实测

设计和制造了一套微位移主动调节机构和支撑系统,用以实现拼接镜面天文光学望远镜的每块平面子镜精密地调节倾斜和轴向平移,并在典型的仰角工况下对该机构进行了实测。设计技术要求子镜主动调节行程须达±1 mm,同时分辨率须达50 nm以下。选用了工作行程为6 mm和分辨率为50 nm的位移促动器,并引入杠杆机构提高位移分辨率和抑制误差;采用平衡配重和预拉弹簧机构使工作中位移促动器上保持恒定负载,以保护位移促动器和保证其输出位移精度。依据拼接镜面的工作原理,建立了子镜微位移调节系统性能测试的数学模型,并在实验室内采用分辨率为5 nm的位移传感器进行了实测。结果表明其位移分辨率可达12 nm,线性良好,与理论值相对误差为5.6%,验证了该机构设计的合理性和在不同工作位置良好的灵敏度。     

300 mm干涉仪参考镜的设计及测试

针对一台有效口径为300 mm的斐索立式移相干涉仪的参考镜,采用有限元方法对其水平状态不同支承方式下的表面变形进行了分析及优化设计,根据设计结果在对镜坯抛光时留出变形余量,并用液面基准法进一步验证了分析结果,其PV的差值为0.008 λ,RMS的差值为0.005 λ。实验结果表明,此干涉仪参考镜支撑结构的设计满足技术要求。     

基于单压电变形镜的可控环形焦斑整形

为了实现可控环形焦斑的整形,提出了一套基于单压电变形镜的整形方法。首先结合波前衍射理论和随机并行梯度下降算法模拟迭代出环形焦斑整形所需的调制相位,进而利用波前传感器探测光束的波前信息,控制变形镜重构目标光斑对应的调制相位,实现聚焦光斑的整形。搭建了一套基于62单元单压电变形镜的光斑整形实验平台,采用焦平面上的CCD记录远场聚焦光斑。实验结果表明,该方法实现了对不同直径(0.32,0.4,0.6 mm)和宽度(0.05,0.08,0.1mm)环形焦斑的整形,可有效应用于激光束整形。     

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。     

4m口径SiC反射镜原位检测用静压支撑系统

研制了一套用于4m SiC反射镜原位检测的静压支撑系统,以降低超大口径SiC反射镜离线检测的风险,提高其制造效率。首先,推导了单元刚度的解析式,确定了其中关键因素;然后,对支撑单元进行抽样测试,结合解析式预测了支撑群组中单元的工作刚度。最后,通过密封性测试和反射镜原位检测,验证了支撑系统的稳定性;通过有限元模拟,计算了系统的重力卸载面形精度。结果表明:5个单元连组时,单元刚度约为1.9kN/mm,刚度值分布在±3%误差区间;独立单元刚度可高至15kN/mm;3种分组单元刚度预测值分别为1.7,1.1和0.8kN/mm。支撑系统空载时管路压强变化缓慢,表明密封性良好;用该系统支撑4m反射镜时,11天内高度绝对变化量小于50μm,相对变化量小于20μm。54个单元刚度随机分布时,镜面面形高阶残差(RMS)为20nm。提出的系统基本满足原位检测的稳定性和精度要求。     

Multi-probe scanning system comprising three laser interferometers and one autocollimator for measuring flat bar mirror profile with nanometer accuracy

This paper describes a multi-probe scanning system comprising three laser interferometers and one autocollimator to measure a flat bar mirror profile with nanometer accuracy. The laser interferometers probe the surface of the flat bar mirror that is fixed on top of a scanning stage, while the autocollimator simultaneously measures the yaw error of the scanning stage. The flat bar mirror profile and horizontal straightness motion error are reconstructed by an application of simultaneous linear equations and least-squares method. Measurement uncertainties of the flat bar mirror profile were numerically evaluated for different installation distances between the laser interferometers. The average measurement uncertainty was found to be only 10 nm with installation distances of 10 and 21 mm between the first and second, and first and third interferometers, respectively. To validate the simulation results, a prototype system was built using an X–Y linear stage driven by a stepper motor with steps of 1 mm along the X direction. Experiments were conducted with fixed interferometers distances of 10 and 21 mm, as in the simulation, on a flat bar mirror with a profile known to an accuracy of λ = 632.8 nm. The average value of two standard deviations (95%) of the profile calculated over ten experiments was approximately 10 nm. Other results from the experiment showed that the system can also measure the yaw and horizontal straightness motion errors successfully at a high horizontal resolution. Comparing with the results measured by ZYGO's interferometer, our measured data excluding some edge points showed agreement to within approximately 10 nm. Therefore, we concluded that our measurement profile has an accuracy in the nanometer range.