大口径动态扫描反射镜背部悬浮支撑结构设计

为了消除自重和热应力对大口径平面反射镜面形精度的影响,采用有限元分析方法,对比分析了在-20℃环境温度下采用背部固定约束与背部浮动约束获得的反射镜面形仿真数据,设计了动态扫描反射镜背部悬浮支撑结构以实现浮动约束,搭建了检测平台,并进行了大口径平面反射镜面形检测。结果表明,安装该支撑结构后反射镜的面形峰谷值为0.236,平均值为0.049。背部悬浮支撑结构实现了浮动约束,释放了大口径平面反射镜因自重和热应力造成的变形,有效保证了面形精度。     

天基大口径反射镜支撑技术的发展

为了满足人类对地观测和宇宙探索的更高性能要求,空间望远镜反射镜口径已经从米级向十米量级迈进,呈现不断增大的趋势。大口径反射镜支撑与反射镜面形精度和稳定性直接相关,是决定空间望远镜实际观测能力乃至任务成败的关键技术之一。首先对大口径反射镜的三种主要支撑形式进行了介绍并做出适用性比较。在此基础上,从影响反射镜支撑设计的各个因素出发,讨论了反射镜支撑的设计原则。然后结合设计原则的讨论和国内外研究进展对支撑点数量和位置优化、无热化设计、无应力装配设计等大口径反射镜支撑关键技术及发展方向进行了探讨,期望对我国大型空间望远镜的研制提供借鉴,在新一轮空间探索热潮中实现跨越发展。     

大口径SiC轻量化反射镜组件的结构设计

针对某空间相机1.1 m口径反射镜的光机结构设计任务,为降低反射镜的重量,提高其环境适应性,设计了一种重力变形小、抗振性强、热尺寸稳定性高的空间反射镜结构系统。首先,详细分析了反射镜及支撑结构选材依据及应考虑的主要因素。然后,提出一种背部半封闭式扇形轻量化孔的反射镜轻量化结构方案,并利用参数化建模分析的方法对其结构参数进行了优化设计。采用背部三点柔性支撑方式对反射镜进行支撑,通过柔性铰链的柔性来调节由于装配中的过定位和热环境变化导致的反射镜面形精度降低问题。最后,对反射镜组件的力学和热特性分析结果表明,反射镜在X向1 g重力作用下反射镜面形精度PV为62.4 nm,RMS为5.7 nm,在20±4℃环境温度变化范围内面形精度达到PV为61.7 nm,RMS为6.3 nm,反射镜组件基频为150 Hz,能够满足静态刚度、动态刚度和热尺寸稳定性的设计指标要求。     

长条形空间反射镜轻量化及其支撑结构设计

为保证空间反射镜在空间应用环境中保持高位置精度和面形精度,实现良好成像,从结构材料的选择、反射镜轻量化设计及支撑结构设计三个方面对某长条形空间反射镜进行了详细的结构设计。提出了一种底面局部开口、三角形加强筋的轻量化形式,反射镜采用背部三点支撑方案,通过合理设计柔性支撑结构参数,使反射镜保证了高刚度和热尺寸稳定性要求。采用有限元法对反射镜系统进行了静、动态特性和热特性分析。分析结果表明:自重及5 ℃均匀温变载荷工况下,反射镜面形精度达到λ/10 PV,λ/50 RMS（λ=632.8 nm）;反射镜组件一阶固有频率230 Hz,具有足够高的动静态刚度和热尺寸稳定性,满足空间应用要求。     

大口径光学遥感器主反射镜支撑设计

大口径主反射镜作为光学遥感器的重要部件,它的面形精度直接影响成像质量的好坏,其支撑结构设计一直是研制光学遥感器的关键技术。本文对某大口径光学遥感器主反射镜的支撑结构进行了研究,根据设计要求和理论计算方法确定了支撑点数量及分布位置,通过有限元方法分析和优化了支撑点的分布位置,结合大口径反射镜的特点加入侧面辅助支撑,得到了理想的面形精度。     

大口径主反射镜的轻量化方案设计

随着空间探测技术的不断发展,对光学系统中大口径主镜的需求越来越迫切。本文针对大口径主镜所面临的技术难题,通过有限元的方法研究了不同减轻方式对其结构稳定性的影响,并从中选出了最优方案,为今后的实际工程应用打下了坚实的基础。     

大口径空间反射镜轻量化设计及其柔性支撑

设计了空间相机1.5 m口径反射镜组件的结构系统。首先,根据反射镜材料选取原则,选用SiC作为反射镜镜坯材料。初步确定了反射镜支撑方式、镜体结构参数,并对反射镜进行轻量化设计。通过对反射镜结构参数进行优化,得到重为152.4 kg的反射镜结构,轻量化率达到83%。然后,设计了一种双轴柔性铰链结构,并找出了在装调方向柔性铰链安装位置对面形精度的影响规律,利用有限元法对反射镜组件进行了动、静态特性及热特性分析,结果表明,反射镜组件一阶固有频率为100.6 Hz,在1 g重力及4 ℃均匀温升工况下反射镜面形精度RMS值分别为7.7 nm和8.4 nm。最后,对反射镜组件进行动力学试验及面形精度检测,结果表明反射镜组件完全满足设计指标要求。     

空间反射镜的轻量化及支撑设计研究

大型空间遥感仪器为适应苛刻的发射和工作环境,通常要求具有很高的热、力学性能,并且对重量有严格限制。这对大口径反射镜及其支撑结构的质量、刚度和环境适应性提出了很高的要求。针对某型号620 mm口径光学遥感仪器的主镜及支撑结构进行了详细的分析计算、设计和试验验证。通过对比多种支撑方式的不同特性,选择了符合仪器要求的质量轻、刚度高的中心支撑;并利用等强度原理设计了放射状轻量化形式;在支撑环节上,利用柔性材料解决了因温度变化产生的局 部接触应力增加的问题,有效减小了结构对光学镜面的影响。经测试反射镜重15.2 kg,轻量化率71.2%,支撑零件3.5 kg;组件一阶模态420 Hz;面形精度优于0.03 RMS,满足仪器要求。目前该仪器已投入使用,在轨性能良好。     

空间相机大口径反射镜轻量化技术及应用

空间相机反射镜尺寸和质量对系统的光学性能、机械性能和热稳定性等具有重要影响,因此对其进行轻量化设计具有重要意义。文中从材料的选择、背部基体形状、轻量化孔形式、支撑方式对某空间大口径反射镜进行了详细的结构设计,采用理论论述与有限元分析相结合的方法,提出了一种背部开放式、三角形孔的轻量化结构形式,通过合理设计反射镜支撑点数目和位置,使反射镜组件在重力工况下,镜面面形精度达到成像质量要求,即PV值不大于63.2 nm。     

空间遥感相机大口径变方位反射镜设计

随着遥感技术的发展,新型相机对变方位反射镜提出了口径更大,精度更高的需要。针对1 000 mm×700 mm大口径变方位反射镜提出了一种新式背部高稳定支撑设计,相对于常规变方位反射镜设计,具有体积包络小、重量轻、适应性广的特点。反射镜采用ULE材料,蜂窝夹层的轻量化结构形式,通过背部三点关节球铰卸载了反射镜的装配应力和在轨热变形应力,达到反射镜的无应力静定支撑。通过重力卸载结构的设计和卸载力的优化,解决了光学反射镜地面测试结果天地一致性问题。仿真分析表明地面重力环境下,在90°反射镜面型测试方位时,面型为0.006λ(λ=632.8 nm);在75°整机成像方位Ⅰ测试时,面型为0.005λ;在45°整机成像方位Ⅱ测试时,反射镜面型为0.011λ。反射镜组件的一阶频率达到83.2 Hz,具有较高的刚度,能够满足发射时力学环境要求。这种大口径变方位反射镜组件设计能够满足新型遥感相机的需求,也可为同类反射镜的设计提供参考。     

大口径离轴折反式中波红外连续变焦系统设计

基于制冷型320240凝视焦平面阵列探测器,设计了大口径离轴折反式中波红外连续变焦光学焦系统。系统工作波段为3.7～4.8 m,焦距范围250～2 000 mm,F数为4。光学系统分离轴无光焦度系统和透射式连续变焦系统两部分设计,匹配对接后优化。解决了透射式连续变焦系统因材料限制不能做到大口径、共轴折反式连续变焦系统短焦遮拦比大和离轴三反不能做到100%冷光阑效率的缺陷。满足100%冷光阑效率,在空间频率16 lp/mm处系统的MTF值大于0.5,具有像质好,分辨率高等特点,满足设计要求。     

大口径望远镜主镜保护盖设计

针对某米级光学望远镜设计了四门对开花瓣式主镜保护盖。简要介绍了国内外已建成大口径望远镜主镜保护盖的主要结构形式,利用铰链四杆机构的演化偏置曲柄滑块机构为基体进行优化设计,得出一种不需曲柄存在的四杆机构,建立运动学模型,对其受力状态进行分析,计算了电机所需的驱动力矩、滑块的移动位移及镜盖开关时间。实际工程应用表明,该保护盖对主镜能够有效防尘及保护,单次打开或关闭时间约为62.5 s,在长春地区无故障使用时间大于一年,免维护开关次数大于500次。满足系统设计要求,为后续研究者提供了设计参考。     

基于ZPL宏指令的大口径反射式平行光管设计

大口径、长焦距离轴三反射镜系统的设计过程中会出现透镜的挡光问题.传统的优化方法降低了光学设计的效率,对成像质量有负面影响.实践表明用ZPL宏指令可以解决这个问题.反射式平行光管设计指标为:通光口径500 mm,焦距4000mm,波长范围为400～1400 nm,有效视场2°×1°,点列图优于6 μm.根据设计指标计算了同轴三反射镜(TMA)系统的初始光学结构参数,借助Zemax软件中的ZPL宏指令得出最终设计方案.结果表明:各个视场的点列图均优于6 μm,波像差均优于λ/25,满足设计指标.ZPL宏指令辅助设计在离轴多反射镜系统中能控制系统结构,避免挡光,提高设计效率和成像质量.     

大相对孔径紧凑型非制冷光学系统消热设计

对常用光学被动消热技术措施进行了归纳总结。针对长波非制冷光学系统大相对孔径、高透过率、小型化和良好环境适应性等特点,基于640×512大面阵非制冷探测器的应用,利用CODE V光学设计软件,设计了一个焦距f＝70 mm,视场角为10.44°×8.36°,F数为0.85,总长为85 mm的三片式光学系统。在－50～70℃温度范围内,所有视场的MTF 值在25 lp／mm处均大于0.61,光学畸变小于0.5％,光学系统成像质量良好。公差分析结果表明光学零件加工和光机装配工艺成熟稳定,光学系统设计具有良好的工程可研制性。     

大口径光学元件装夹转运结构设计及分析

为了实现大口径光学元件的安全装夹、转运,通过光学元件开槽与不开槽两种装夹方式的分析,得出开槽夹紧转运方式将带来微裂纹、应力集中、成本高等缺陷,提出了利用摩擦力克服光学零件的重力和惯性力的低应力装夹转运方案。通过对光学元件低应力夹紧结构设计,并利用有限元分析方法,得到不开槽装夹方式下,光学元件的最大主应力为1.11 MPa,最大切应力为0.73 MPa,远低于光学元件破坏的强度极限,且受力均匀,无应力集中现象。     

高分辨率大孔径手机镜头设计

为了满足目前人们对手机镜头的大孔径和高分辨 率的要求,本文在几何光学理论基础 上,应用光学设计软件Zemax设计出一款1300万 像素手机镜头。在设计中采用扩展奇次非球面来校正系统像差。该镜头由4块 扩展奇次非球面镜片和1块滤光镜片组成,结构简单紧凑;它的F数为2.17,全视场角为 73.2°,有效焦距3.93 mm,镜头总长6.00 mm;最终实现中心视场在中间频 率处(即223 lp/mm)的子午和弧矢方向MTF值分别大于 0.33,在高频处(即446 lp/m m)分别大于0.13;另外,0.8视场在中间频率的子午和弧矢MTF值分别大于0.33,研究表明优化设计后的手机镜头 成像效果完全可以满足使用要求。     

基于结构函数的子孔径拼接算法研究

为了更好地评价大口径反射光学元件在不同尺度下的起伏情况,提出了一种基于结构函数的子孔径拼接算法.首先,对于算法的基本原理与步骤进行了描述,从理论分析的角度对于计算误差的特性进行了分析;之后针对口径为1.23 m的大型反射镜面形数据,应用文中所提出的方法,利用结构函数进行子孔径拼接并对于其误差特性进行了检验,验证了所提出方法的可行性.最后,将该方法应用于30 m望远镜三镜(TMT M3)的面形仿真数据,得到了其在不同评价尺度下的起伏情况.文中的工作对于TMT M3 的最后完成有着重要的意义,并且对于与TMT M3 类似的大口径平面镜面形评价有着一定指导价值.     

采用液压Whiffle-tree的大口径主镜轴向支撑

轴向支撑对大口径主镜的定位及镜面变形有着重要的作用,为了深入开展该课题的研究,在传统机械Whiffle-tree支撑的基础上引入了轴向液压Whiffle-tree支撑。首先,从三点运动学定位支撑原理出发,介绍了Whiffle-tree支撑的特点与分类,着重对比分析了液压Whiffle-tree和机械Whiffle-tree支撑的优缺点。进而,根据液压Whiffle-tree的特点,分析推导了其建模方法,并运用该方法对一块18点液压轴向支撑的大口径主镜进行了静力学分析与优化,拟合后镜面变形RMS值为18.6 nm,满足设计要求。同时通过对不同建模分析结果的对比,验证了该建模方法的合理性和正确性,为大口径主镜的轴向支撑分析提供了一种参考。     

大口径宽光谱折射平行光管系统设计

介绍了大口径、宽光谱、折射式平行光管物镜的设计理论。结合项目设计实例：工作波长范围400nm~1100nm,焦距2000mm,相对口径1/10的折射式平行光管系统,论述了光学设计初期玻璃材料选取、初始结构选取与光焦度分配等问题。利用修正的相对部分色散P与阿贝数V建立复消色差方程组求解初始结构,使用Zemax软件优化设计出在全谱段范围内复消色差的平行光管系统。最后,给出Zemax软件分析的像差结果,系统中心视场内的点列图优于5μm ,中心波长波像差优于1/60λ,焦距色偏移量为0.33mm,其余像差均在设计指标之内。