700mm光学望远镜结构设计与分析

针对某700mm口径高分辨率光学成像望远镜,提出了一种结构设计方案。对主镜支撑采用9点whiffle-tree底支撑加球头芯轴侧支撑的结构方案,保证主镜具有高面形精度;望远镜镜筒采用碳纤维桁架式结构,既满足望远镜整体重量较轻,又可以保证系统刚度;建立了望远镜有限元模型,分析主镜支撑面形、主次镜相对偏心及系统整体模态特性,其中主镜支撑面形精度可达到λ/40,主、次偏心为0.015mm(水平状态)、0.008mm(竖直状态);使用激光干涉仪及平行光管对望远镜光学指标进行定量检测,光学系统RMS可达到λ/14,鉴别率板检测望远镜分辨率可达到46lp/mm,均接近光学极限水平。为同类望远镜的结构设计提供一定参考价值。     

大口径光学系统在轨调整补偿能力

随着航天遥感需求的不断提高,光学遥感器的口径越来越大,光学元件的支撑和重力变形对光学系统的影响难以消除,因此需要在轨调整光学元件位置变量,来补偿主镜面形误差引起的系统光学性能的下降。以一个大口径同轴三反射式光学系统为例,在理论上分析了次镜的倾斜、偏心和轴向位置引起的初级像差的变化,得出次镜的在轨补偿能力。利用Zernike多项式模拟主镜面形误差,通过调整次镜的位置自由度,分别补偿主镜的球差、彗差和像散,给出了仿真结果,并进行了工程可实现性分析。结果表明,次镜的位置自由度调整能够补偿主镜的彗差,并能够补偿一定量的像散,但是只能补偿小量球差。     

大口径平背形主镜支撑方式的选择

支撑方式对主镜面形的变化有十分重要的影响。为了使主镜的安装支撑既能保证面形变化最小,又能保证在不同仰角时位置不变动,需要对主镜的支撑方式进行分析和选择。通过对一个口径为600mm、中心孔径为200mm、光学表面曲率半径为2130mm的实体镜在各种支撑情况下的变形大小进行分析,并综合考虑加工、一阶共振频率及工作时的旋转因素后,最终确定了一种满足设计要求的优选支撑方案。     

经纬仪主镜在支撑系统下的面形变化

为研究在重力作用下主镜支撑系统对经纬仪主镜处于不同工作角度时面形误差的影响,以600 mm口径主镜为研究对象,利用Abaqus软件分别建立了600 mm主镜在加工状态下和工作状态下的有限元支撑模型,并进行了重力变形分析,然后借助4D干涉仪对在不同支撑系统下的主镜进行相关的面形检测。实验结果表明,在吊带支撑系统和主镜室支撑系统下,主镜的自身面形误差RMS为16.18 nm和16.90 nm。利用有限元分析了理想状态的主镜在不同仰角工况下的面形误差,结合主镜自身的面形误差,计算得到了主镜面形误差在光轴由水平变化到竖直的过程中逐渐变大,其RMS最大为19.58 nm,表明该主镜室支撑系统具有良好支撑效果,可满足工程要求,同时也验证了主镜室支撑系统有限元理论模型的准确性。     

考虑接触边界条件的经纬仪主镜面形误差分析

为了精确分析经纬仪主镜的面形均方根,对主镜支撑连接球绞的仿真方法进行研究.建立了主镜支撑系统的有限元模型,对比了刚性连接、约束节点自由度和接触边界条件三种球绞的仿真方法.采用接触边界条件方法仿真得到的主镜面形均方根值为16.37nm,应用干涉仪检测得到主镜在径向支撑状态下的面形均方根值为17.53nm,仿真结果与实验结果的偏差为6.62%.实验结果显示三种方法中,接触边界条件法能较准确地获得主镜面形均方根值,用此方法对主镜径向支撑结构进行了参数化分析,获得径向支撑位置、长度和宽度对主镜面形的影响规律,可以为主镜面形的精确分析及主镜支撑结构设计提供参考.     

离轴反射式平行光管结构设计及主镜背部柔性支撑仿真分析北大核心CSCD

设计了一款可用于白光瞄准镜多参数检测的离轴反射式平行光管。针对在使用工况中,低频振动环境对主镜面形误差影响过大的问题,提出一种主镜背部柔性支撑方案,并对主镜柔性支撑的重要结构参数进行了优化。同时对RTV胶的特性进行分析,计算出环形RTV胶的有效属性和等效模量倍率。仿真结果表明,主镜组件在1-g重力作用下,面形误差RMS值和PV值分别为0.79nm、3.66nm,能满足系统指标对于平行光管面形的要求。平行光管整体的一阶模态频率为496.38Hz,具有良好的抗低频振动的能力,在热力耦合作用下,主镜面形误差均满足RMS值≤λ/30,PV值≤λ/10的设计要求,1000N力作用下的最大应力小于材料的屈服极限。主镜采用柔性支撑的离轴反射式平行光管的动态性能与面形精度能满足设计要求。     

某空间遥感器主镜支撑方案设计与分析

从满足某空间光学遥感器主镜在复杂的工况下综合面形误差要求的角度出发,介绍了长圆形主镜及其支撑结构材料的选择.讨论了主镜的优化设计及其支撑结构的设计方法,并运用CAD/CAE工程分析软件对其进行了分析及优化,应用有限元法优化出了一种合理的主镜柔性支撑结构.     

视频空间相机Φ330mm口径主镜组件设计

为满足视频空间相机中反射镜组件的轻量化、高刚度、高稳定性和短加工周期的要求,采用基于ZERODUR微晶玻璃的背部单拱形镜体轻量化方案,设计了一种外圆芯轴粘接的柔性支撑结构.通过有限元工程分析与基于响应面优化设计,确定了支撑结构的最优尺寸.对反射镜组件进行了模态试验,并完成了镜面的非球面光学加工与检测.试验结果表明:主镜组件的一阶自然频率为332.5 Hz,与分析结果之间的相对误差为2.5%;主镜组件在绕光轴分别旋转0°、120°与240°方向进行光学检测时,面形精度均方根值均优于λ/40,实现了地面重力对反射镜面形检测零影响,组件满足设计要求.     

1m口径主反射镜支撑系统的优化设计

应用有限元法并借助有限元分析软件建立了主镜的三维实体有限元模型,对1m主镜的支撑系统进行了优化设计。分析比较了两种常用主镜侧支撑结构,优化确定了轴向支撑半径、侧支撑方式和侧支撑点位置。分析计算显示主镜处于不同俯仰角位置时的最大面形精度RMS值为5.3nm,满足设计指标要求,该有限元优化设计方法和过程不受主镜直径及厚度的影响,适用于平面、球面、非球面甚至异形面主镜的设计。结果表明了所设计的支撑系统方案的合理性与可行性。     

有限元在大口径镜面研制中的应用

大口径光学反射镜镜面受自重影响变形较大,研究它在磨制和检测中的支撑结构和形式是非常重要的。采用有限元软件从理论上分析了Φ1330mm平面反射镜和Φ616mm非球面轻量化碳化硅主镜在磨制和检测中的支撑结构和形式,以使反射镜面形变形最小,保证其光学成像质量达到一定的技术要求。通过实际测量Φ616mm非球面碳化硅主镜在不同支撑状态下的面形变化情况,验证了理论分析结果。根据实际效果值用有限元进一步优化组合了最佳的支撑结构和形式,为今后对更大口径反射镜面的磨制和检测提供了指导。     

Ф750mm口径望远镜光学系统的检测(英文)

为了探测更高轨道的空间目标,研制了一台通光口径为Ф750mm的望远镜.该望远镜为主焦点光学系统,由一片二次非球面反射元件和四片透射元件组成,具有大视场(4°),大相对孔径(1∶1.32)和宽光谱(500～800nm)的特点.本文以该望远镜的研制为基础,介绍了其光学系统各个元件的单独检测和系统装调完成后的整体检测方法和过程.采用样板法对系统中的球面透射元件进行了单独检测,采用透射无像差补偿器法对二次非球面反射镜进行了单独检测,采用反射无像差补偿器法对组合起来的透射校正镜组进行了检测,并且对系统装调对准之后的光学系统进行室内平行光管和室外对星观测两种方法进行检测.测量结果均满足设计要求,其中球面透镜的面形误差小于0.1个光圈,反射元件和透射元件非球面表面的面形误差均优于λ/30(λ=632.8nm),透射校正镜组的波像差优于λ/30(λ=632.8nm).光学系统整体检测结果表明,室内和室外检测结果一致,其像面的80%能量集中度直径在4°的全视场范围内均小于2个像元,达到了设计的成像要求.     

贝塞尔高斯涡旋光束在大气湍流中的传输特性

为了探测更高轨道的空间目标,研制了一台通光口径为Ф750 mm的望远镜.该望远镜为主焦点光学系统,由一片二次非球面反射元件和四片透射元件组成,具有大视场(4°),大相对孔径(1∶1.32)和宽光谱(500~800 nm)的特点.本文以该望远镜的研制为基础,介绍了其光学系统各个元件的单独检测和系统装调完成后的整体检测方法和过程.采用样板法对系统中的球面透射元件进行了单独检测,采用透射无像差补偿器法对二次非球面反射镜进行了单独检测,采用反射无像差补偿器法对组合起来的透射校正镜组进行了检测,并且对系统装调对准之后的光学系统进行室内平行光管和室外对星观测两种方法进行检测.测量结果均满足设计要求,其中球面透镜的面形误差小于0.1个光圈,反射元件和透射元件非球面表面的面形误差均优于λ/30(λ=632.8 nm),透射校正镜组的波像差优于λ/30(λ=632.8nm).光学系统整体检测结果表明,室内和室外检测结果一致,其像面的80% 能量集中度直径在4°的全视场范围内均小于2个像元,达到了设计的成像要求.     

极大口径光学望远镜凸非球面副镜的补偿检测法研究

提出了一种检测大口径、快焦比凸双曲面反射镜的补偿检验方法,补偿系统由一组小透镜和一块大口径反射标准镜组成,标准镜的口径约为被检验镜的1.8倍,该方法为极大口径光学望远镜凸非球面副镜的检验提供了一种有效的解决方案。以美国30 m望远镜（TMT）3.1 m,F/1的凸双曲面副镜为例,进行了补偿光路的设计优化。设计结果表明,该方法可以直接检测到直径达3.1 m的大口径、快焦比凸双曲面副镜的整个表面质量,补偿系统像差被校正得很好,PV值约为/100,弥散斑直径在衍射极限范围内。     

温度和支撑方式对1.2 m SiC主镜面形的影响分析

为了研究温度和支撑方式对大口径SiC主镜用于地基望远镜的影响,基于1.2 m SiC主镜建立了有限元模型,分析了主镜在被动支撑和自由膨胀时,恒定温度场,轴向温度梯度,径向温度梯度和内外温差等对主镜面形的影响.结果表明,存在温度梯度时,支撑方式影响不明显,无论是被动支撑还是自由膨胀,镜面面形均很大.在达到热平衡后,即稳态温度场下,支撑方式的影响明显,只有在主镜自由膨胀时,温度对主镜面形的影响比较小,镜面的RMS<0.02 nm/℃.因此如果主镜采用柔性支撑或浮动支撑方式,大口径SiC主镜可以应用在地基望远镜中.     

空间可展开式望远镜反射单元镜支撑技术

介绍了下一代空间望远镜的可展开式反射镜的概念及设计方案,分析了展开式反射镜单元镜的支撑方案,目的是确定单元镜支撑点数量及排布方式。用有限元方法分析了12_6_1、12_8_1和16_8_1型三种支撑点排布方式下各自的镜面自重变形。计算结果表明,采用16_8_1型的排布方式较为合理。计算带有支撑座的单元镜在1g惯性载荷作用下,通过调节支承座位移,获得镜面RMS值为16.52nm,小于1/4波长(632.8nm)的面形,表明将该支撑方案应用于单元镜具有可行性。     

宽温变环境的空间反射镜结构分析与研究

相机在从地面到太空的过程中,需要经历重力、温度、气压、辐射等多种环境因素的变化,而这些因素都可能导致空间相机分辨率下降、像质变坏、功能失效甚至系统破坏。所描述的系统工作于18±15℃的温度环境,要求光学反射镜在30℃温度变化范围内仍能正常成像。经优化设计,应用计算机仿真手段进行了静、动态及热特性的分析,提出了一种采用中心粘接结合Bipod柔性支撑形式,解决了在大跨度环境温度范围下的反射镜结构支撑问题。     

空间高分辨率CCD相机次镜支架最佳结构设计

根据某空间高分辨率CCD相机的结构设计方案,利用结构设计软件Solidedge建立了次镜支架的结构分析模型,并利用有限元分析软件Vnastran对不同结构和尺寸的次镜支架进行了动力学分析计算,提出了次镜支架的鼓型偏置式四翼梁结构.该结构具有较高一阶谐振频率和良好的机械加工性能,特别适合用于大口径的空间相机中.     

离轴反射式平行光管设计及次镜检验方案研究

平行光管是光学实验室常用的光学精密仪器,通过光源照射靶标模拟无穷远目标,是光学系统装调、测试必需的设备。设计了一个有效口径为200 mm、焦距为5 000 mm的平行光管,采用离轴两反射式系统结构,视场角为0.35°,主次镜都为非球面,次镜为凸双曲面,系统中心视场波像差设计值达到1/62 λ,边缘视场波像差设计值达到1/21 λ。对该平行光管次镜检验方案进行了研究,提出了一种简单可靠的凸双曲面次镜正面检验方案。     

1 m太阳望远镜光电导行镜无热化分析

作为1 m太阳望远镜（NVST）导行系统的重要组成部分,导行镜的成像稳定性至关重要。环境温度载荷造成的镜体变形会造成热离焦从而影响导行镜的成像质量。采用有限元方法分析NVST导行镜在-5 ℃、20 ℃和35 ℃等不同环境温度状态下的温度分布,并计算了温度变化产生的轴向结构变形,即最大离焦量为6.45 m。计算结果表明:主镜到靶面的距离变化最大值常温下为7.14 m远小于系统焦深（35 m）, 达到了对NVST导行镜无热化结构设计的目的。     

通光口径2.16m天文望远镜凹双曲面主镜的磨制工艺

2 16m光学望远镜是目前我国研制的口径最大的反射式天文望远镜 ,主镜通光口径为 2 16m ,边厚为330mm ,重量约 2 2 0 0kg ,顶点曲率半径R0 =12 960mm ,偏心率平方e2 =1 0 95 134 7[1] ,相对口径为 1/3,最大非球面度δ0max≈ 2 1μm。由于所用玻璃毛坯为原苏联制造 ,质量极差 ,通体充满气泡、结石、折叠 ,是块等外品。更致命的是磨出的表面各处硬度不均匀 ,出现大面积、形状不规则的高、低区 ,不得不用手持小抛光盘进行手修 ,像雕刻一样去掉那些不规则形状的硬的局部高 ,保留不规则的软的局部低 (所谓修光程 ) ,并把它拼凑成一个较为接近的理想双曲面。可以想像得出 ,这样做会遇到多麽大的困难。在大家的努力下 ,终于用手把它磨修到尽可能完善。最后望远镜在由该主镜、凸双曲面副镜及熔石英像场改正镜组成的R C卡塞格林 (Ritchey ChretienCassegrain)光学系统的焦面上拍摄了星团底片。经鉴定委员会测试组专家测量后认为 ,在全视场 ( 30 0mm× 30 0mm )内 ,不管是边、角还是中心像均很圆 ,暗星像直径达0 18mm。说明主镜的加工工艺是成功的 ,同时也说明凸双曲面副镜的加工、检验[2 ] ,熔石英像场改正镜的设计[1] 、选料、加工[3] 及光学系统的调整[4] 也是成功的。