Ф210mm超薄超轻SiC反射镜多目标集成优化设计

为了提高轻小型碳化硅反射镜的面形精度并减轻其加工成本,针对某空间相机的Φ210mm SiC反射镜进行超轻量化设计.采用背部三点支撑并优化支撑点的位置,通过拓扑优化,得到反射镜背部需保留和可去除材料的分布情况.结合背部开放式、三角形孔的轻量化方案,确定反射镜轻量化结构的初始模型.应用多目标集成优化方法,建立以反射镜重量和X向自重工况面形为目标,Z向自重工况面形值为约束的优化模型,对该反射镜进行了优化设计.优化后反射镜的X向自重工况下RMS值仅为0.18nm,Z向自重工况下RMS值为2.38nm,重量仅为0.568kg,面密度达到16.9kg/m~2,X、Y、Z三向基频都在500Hz以上.本文设计的反射镜结构有良好的力学性能,本文优化设计方法是合理有效性.     

等截面反射镜椭圆压弯机构变像距压弯

针对新设计的等截面反射镜椭圆压弯机构在固定物距(即反射镜在光路中位置不变)的情况下,研究了实现大范围像距调整(即样品位置发生改变)时镜面面形误差等问题。通过理论分析并借助有限元分析软件计算等截面平面镜压弯至不同(反射点处像距不同)椭圆柱面时的理论斜率误差,最后对椭圆压弯机构样机进行了实际压弯测试。实验结果与计算分析均表明:保持物距、掠入射角不变,压弯镜面与理想椭圆柱面之间的斜率误差会随着像距的减小而增大,并且像距越小,镜面斜率误差的增加速度越大。实验测得在反射镜面初始斜率误差为0.397μrad的情况下,全部像距范围(21.5～3.8 m)内压弯镜面的实际斜率误差在0.402～0.560μrad之间,重复精度为0.051μrad,均满足上海光源光束线的设计要求。本文研究证明了使用等截面反射镜压弯机构进行椭圆柱面压弯可以实现聚焦镜工作像距在大范围内的连续调节。     

超大口径光学制造均力支撑布局优化

为降低支撑控制难度和节约制造成本,同时又保证在线光学加工-检测所需的支撑精度,提出超大口径反射镜的支撑布局优化方法。研究支撑状态下的反射镜面形精度,解决面形拟合和优化目标提取的问题;以斜率均方根(SlopeRMS)为目标建立非圆形口径的超薄反射镜加工支点布局优化模型,使其具备自适应有限元分析的功能;针对工程中大量使用的轻量化反射镜,设计出适应其几何变化的支撑转换结构,并展开以面形均方根(RMS)误差为目标的支点位置的优化设计;通过30m口径望远镜(TMT)第三镜和某2m口径反射镜的支撑布局优化,验证了所采用方法的效果。算例结果表明,所提方法具有较好的几何适应性,布局优化后支撑系统的精度满足超大口径反射镜的光学制造要求。     

光刻物镜中透镜高精度支撑结构的设计及分析

光刻投影物镜中透镜的面形精度是影响光学系统成像质量的关键因素之一。为实现透镜面形精度均方根(RMS)值优于2nm的高精度指标,提出一种轴向多点挠性支撑、径向三点可调式定位的光学透镜支撑结构。基于自重变形对支撑结构进行优化设计,深入分析在此支撑结构下自重和热载荷对透镜面形影响。结果表明,重力引起的透镜上表面面形RMS值为0.186nm,下表面面形RMS值为0.15nm。热载荷引起的上表面面形RMS值为0.55nm,下表面面形RMS值为0.54nm。采用这种透镜的支撑结构,能够满足光刻投影物镜中透镜的高精度面形要求。     

利用调整技术补偿离轴抛物面反射镜面形误差

为了提高光学系统的成像质量,对离轴抛物面反射镜的面形准确度要求越来越高,这大大增加了反射镜的加工难度.本文基于波像差理论,分析了在离轴抛物面反射镜中调整量引入的波像差,提出通过适当调整离轴抛物面反射镜的位置补偿反射镜的面形误差,可以降低离轴反射镜的加工难度、缩短其加工周期、减少加工成本.并借助于ZEMAX软件对一块面形准确度低于λ/40RMS(λ=632.8nm)离轴抛物面反射镜进行仿真实验,根据理论计算的调整量调整反射镜的位置,得到了补偿后的离轴抛物面反射镜的面形误差小于λ/60RMS,仿真结果表明在离轴抛物面反射镜中引入适当的调整量可以有效地补偿反射镜的面形误差.     

自由电子激光光束线反射镜无应力夹持设计与分析

反射镜是自由电子激光光束线中的重要光学元件,反射镜自重引起的面形误差会严重影响光束线的成像质量。为减小自重引起的面形误差,基于Bessel点理论提出了重力补偿方案,并设计了无应力夹持装置,利用有限元软件对该装置进行仿真分析。以尺寸为440 mm×50 mm×50 mm的反射镜为例进行分析,传统支撑方式下反射镜下表面面形误差为1.647μrad,采用本文提出的夹持方案后面形误差降至0.085 7μrad,优于工程指标0.1μrad。为防止反射镜在工作模式切换时发生窜动,可对反射镜添加不超过2 N的微小夹持力,此时反射镜的面形误差为0.093 9μrad。此外,还对装置进行了动力学分析,结果显示:该设计方案可有效防止装置存在较低的固有频率,在使用过程中不会产生共振现象,满足光束线的使用需求。     

利用调整技术补偿离轴抛物面反射镜面形误差

为了提高光学系统的成像质量,对离轴抛物面反射镜的面形准确度要求越来越高,这大大增加了反射镜的加工难度.本文基于波像差理论,分析了在离轴抛物面反射镜中调整量引入的波像差,提出通过适当调整离轴抛物面反射镜的位置补偿反射镜的面形误差,可以降低离轴反射镜的加工难度、缩短其加工周期、减少加工成本.并借助于ZEMAX软件对一块面形准确度低于λ/40 RMS (λ=632.8 nm)离轴抛物面反射镜进行仿真实验,根据理论计算的调整量调整反射镜的位置,得到了补偿后的离轴抛物面反射镜的面形误差小于λ/60 RMS,仿真结果表明在离轴抛物面反射镜中引入适当的调整量可以有效地补偿反射镜的面形误差.     

非球面碳化硅反射镜的加工与检测

为了获得高精度非球面碳化硅(SiC)反射镜,对非球面碳化硅反射镜基底以及改性后碳化硅反射镜表面的加工与检测技术进行了研究。介绍了非球面计算机控制光学表面成型（CCOS）技术及FSGJ-2非球面数控加工设备。采用轮廓检测法和零位补偿干涉检测法分别对碳化硅反射镜研磨和抛光阶段的面形精度进行了检测,并采用零位补偿干涉检测法及表面粗糙度测量仪对最终加工完毕的碳化硅反射镜的面形精度和表面粗糙度进行检测。测量结果表明：各项技术指标均满足设计要求,其中非球面碳化硅(SiC)反射镜实际使用口径内的面形精度（RMS值）为0.016λ(λ=0.6328μm）,表面粗糙度（RMS值）为0.85nm。     

大口径空间反射镜Cartwheel型柔性支撑设计

针对同轴三反式空间光学遥感器对大口径主反射镜组件的高刚度、高强度、高热稳定性等特殊要求,提出一种基于Cartwheel型双轴柔铰的三点柔性支撑结构。首先利用无量纲方法研究了单个柔性支撑的柔度特性,然后利用有限元方法对反射镜组件的静力学、动力学与热特性进行灵敏度分析,确定了支撑结构中柔性环节的几何尺寸参数,并进行了有限元数值仿真。最后,利用面形值为λ/40均方根(RMS)的非球面镜进行了反射镜组件面形检测实验并利用等效球面镜组件进行了动力学实验。仿真与实验结果表明:当柔性环节尺寸为:壁厚t=8mm,直梁高度h=4mm,直梁长度L=8mm时,在正交三向自重与15℃稳态温升作用下,反射镜面形精度RMS小于12nm;反射镜组件一阶固有频率实验值为296Hz,与仿真结果相差6%,能够满足使用要求。     

应用离子束修正大面形误差光学元件

为了获得超高精度面形的光学元件并验证离子束的修正能力,对应用离子束修正大面形误差光学元件的问题进行了实验研究。通过改变离子源光阑尺寸的方式获得了不同束径的离子束去除函数,并对一直径为101mm、初始面形峰谷(PV)值为417.554nm、均方根(RMS)值为104.743nm的熔石英平面镜进行了离子束修形实验。利用10、5、2mm光阑离子源的组合,进行了12次迭代修形,最终获得了PV值为10.843nm、RMS值为0.872nm的超高精度表面。实验结果表明,应用离子束可以对大面形误差光学元件进行修正,并且利用更大和更小束径离子束去除函数的组合进行优化,可以进一步提升加工效率和精度。     

基于有限元分析的小口径离轴抛物面反射镜支撑结构设计

为降低小口径反射镜在复杂环境下的面形误差,满足其动静态刚度和热稳定性要求,通过选用合适的空间载荷材料,对反射镜进行轻量化设计,合理设计可装调的反射镜挠性支撑组件,采用ANSYS对反射镜组件进行有限元分析。分析结果表明:组件一阶固有频率是3 168.5 Hz,在1 g重力作用下反射镜面形误差RMS值可达8.06 nm,在10℃温升载荷作用下RMS可达5.58 nm,在1 g重力和10℃温升载荷耦合作用下RMS值可达11.05 nm,组件在10 g加速度作用下最大应力是2.109 8 MPa,简谐激励作用下最薄弱环节最大响应应力为1.284 6 MPa,均完全满足反射镜组件设计指标要求,验证了支撑结构设计的合理性。     

轻质碳化硅反射镜抛光过程镜面变形影响的研究

轻量化的碳化硅反射镜有自己独特的结构特点,加工中的变形与传统实体反射镜不同,对加工后的面形结果有独特的影响。对一直径为318mm的轻量化碳化硅反射镜进行了传统的研磨抛光,由于镜面变形对抛光结果带来了很大的影响,其面形误差的RMS值在0.048λ(λ=0.6328μma)左右就不再收敛。对抛光状态的镜体进行了有限元分析,探讨了减轻镜面变形对抛光结果影响的方法。采用计算机控制小磨头对该反射镜进行了确定性抛光,有效地降低了镜面形变的影响,使面形满足了精度的要求。     

长条型SiC反射镜轻量化及支撑结构的设计

从满足空间光学遥感器反射镜在复杂工况下综合面形误差要求的角度出发,介绍了长条型反射镜柔性支撑结构材料的选择,讨论了反射镜轻量化及柔性支撑结构的设计方法,采用有限元法进行了工程分析及多次迭代优化,设计出了一种在不同重力方向下引入面形误差变化量RMS值小于λ/40(λ=632.8nm)的反射镜柔性支撑结构。检测实验证明,各项指标均满足设计要求。     

面向多目标集成优化与二次烧结工艺的SiC反射镜组件超轻量化结构设计

为了满足高精密空间光学设备超轻量化要求,运用参数优化技术、有限元分析与先进碳化硅(SiC)制造技术,提出了一种多目标集成优化与二次烧结工艺相结合的Φ600mm反射镜组件超轻量化结构设计方法。X、Z两个方向上的SiC反射镜面形的均方根值(RMS)、重量为优化目标,将反射镜轴向厚度、镜面厚度等参数作为设计变量,获得了轻量化率为90.55%的超轻量化反射镜结构;提出反射镜支撑结构同样采用SiC材料,利用二次烧结工艺方法,将两者直接烧结成型,减少粘接装配环节,获得了轻量化率为92%的反射镜组件;利用有限元分析与试验对超轻量化结构设计方法的正确性和合理性进行了验证。结果表明：在重力载荷、温度载荷、镜面加工残差的综合影响下,反射镜组件面形误差RMS值为10.034nm,优于12.6nm的设计要求,且动态刚度良好,满足使用要求。     

月基极紫外相机反射镜组件的设计

为了使月基极紫外相机反射镜组件在月球环境下具有良好的力学和热学稳定性,从而保证相机的成像质量,本文针对月基极紫外相机所处的严酷的力学和温度条件,设计了一种满足月球环境的反射镜组件结构.通过对反射镜组件有限元模型的重力分析、热载荷分析、动态刚度分析以及结构强度分析,结果表明反射镜组件的一阶谐振频率达到354 Hz,在1 g重力作用和ΔT=50℃均匀温变作用下镜面综合面形误差RMS值分别达到3.62 nm和2.46 nm,满足反射镜面形要求.最后,通过静力学面形检测、力学试验、温度适应性试验及成像分辨率测试,结果显示反射镜镜面面形精度RMS值优于14 nm,反射镜组件的设计满足总体指标,验证了该方案的合理性.     

Ф2020 mm口径空间红外相机主反射镜设计

针对某Ф2 020 mm主反射镜,为了保证空间红外相机主反射镜具有良好的面形精度及较高的一阶固有频率,对其支撑结构进行了针对性研究。根据反射镜的尺寸形状和面形精度要求,确定了反射镜的背部支撑方案。设计了采用两种柔性方式串联的柔性结构用于主反射镜的支撑,并确定了柔性环节的应力最大位置。采用有限元方法对反射镜组件在力热耦合状态下进行了仿真分析,结果表明反射镜全口径最大面形误差RMS值为27.02 nm,组件一阶谐振频率为95 Hz。对相机处于装调状态装星状态时反射镜的面形进行了有限元分析,结果表明满足总体对主反射镜的设计要求。     

月基极紫外相机反射镜组件的设计

为了使月基极紫外相机反射镜组件在月球环境下具有良好的力学和热学稳定性,从而保证相机的成像质量,本文针对月基极紫外相机所处的严酷的力学和温度条件,设计了一种满足月球环境的反射镜组件结构.通过对反射镜组件有限元模型的重力分析、热载荷分析、动态刚度分析以及结构强度分析,结果表明反射镜组件的一阶谐振频率达到354 Hz,在1 g重力作用和△T=50℃均匀温变作用下镜面综合面形误差RMS值分别达到3.62 nm和2.46 nm,满足反射镜面形要求.最后,通过静力学面形检测、力学试验、温度适应性试验及成像分辨率测试,结果显示反射镜镜面面形精度RMS值优于14 nm,反射镜组件的设计满足总体指标,验证了该方案的合理性.     

超轻空间相机主支撑背板的优化设计

针对某空间相机超轻和高热稳定性的要求,设计一体化的背板结构,使得支撑背板既是整机主承力板,又是主反射镜支撑背板;采用具有高比刚度、高热稳定性的SiC作为背板材料,通过施加最小尺寸约束的变密度拓扑优化,确定支撑板背部筋的布置;建立以第二代非支配排序遗传算法为优化算法的多目标优化模型,集成反射镜面形误差和背板质量,完成背板的尺寸优化设计,背板质量仅为0.591 kg,筋厚的最小值为2.1 mm;最后利用有限元分析对优化结果进行动、静力学性能分析。结果表明:在5℃温升载荷下,反射镜组件镜面面形方均根为0.158 nm,具有良好的热稳定性;在X向重力载荷作用下(与光轴垂直方向/面形检测方向),镜面面形的方均根为1.169 nm,峰谷值为5.403 nm;反射镜组件的一阶固有频率为397 Hz,镜面边缘随机振动响应(RMS)小于16g,满足空间应用。     

大口径铝合金主反射镜设计与分析

针对铝合金材料,设计了大口径红外相机主反射镜,反射镜口径420 mm。以径厚比、支撑点数量和轻量化结构形式为输入点,设计了一种背部开放式、三角形轻量化结构和背部3点支撑的结构形式。通过有限元分析软件对反射镜的动态刚度及自重和温度载荷下的面形变化进行了分析。分析结果表明:反射镜具有高的动态刚度,反射镜自重工况和-40 ℃均匀温降下,面形精度RMS分别为30 nm和0.2 nm,均满足光学设计提出的/10（=632.8 nm）指标要求,为大口径铝合金反射镜的设计提供了理论依据。     

同步辐射中双压电片反射镜的研究现状

反射镜是同步辐射光束线中应用广泛的光学元件之一,双压电片反射镜由于具有结构简单、面形能动以及自适应可调等优点,逐渐引起同步辐射界的重视.本文综述了同步辐射中双压电片反射镜的研究现状.主要讨论了双压电片反射镜的工作原理和研究概况,包括在几个大型同步辐射装置中的结构特点、制备技术及面形校正结果等;简要介绍了双压电片反射镜面形校正时所采用的反射波前探测技术和反馈控制算法;最后总结了其发展中存在的关键问题,并展望了其未来的发展方向.