空间指向摆镜的轻量化研究

摆镜轻量化研究的问题主要有两个:一是摆镜的材料,二是摆镜的结构形式和结构参数.在综合比较材料的力学和热学特性后,选取碳化硅和融石英作为摆镜的初始材料;摆镜采用了失芯式结构和蜂窝状轻量化单元,通过计算和分析选定了摆镜的初始结构参数后,对摆镜进行了有限元分析,结果证明轻量化摆镜在保持摆镜刚度不变的情况下有效地减轻了摆镜的重量.     

快反系统中平面反射镜的轻量化设计

根据快速控制反射镜系统(快反系统)对平面反射镜的设计要求,对快反镜的轻量化结构进行了优化设计。选择比刚度大、热变形系数小的碳化硅为镜坯材料,采用背部开槽式结构减重,背部3点式支撑,对不同筋宽和镜面厚度等多种轻量化方案进行了有限元分析。结果表明:筋宽越大,镜体刚度越好,但筋宽增大到一定程度时,反射镜刚度的改善程度减缓;镜面越厚,镜体内应力、自重变形越大。结合反射镜设计要求和有限元分析结果,加工制备了筋宽为4 mm,镜面厚度为4 mm的碳化硅反射镜,镜体轻量化率达55%。实测反射镜的面形精度,其RMS值不超过λ/30,与分析结果相符,满足系统的使用要求。     

Schwarzschild物镜装卡应力对光学元件面形的影响

为了实现接近衍射极限的分辨率,工作在极紫外波段的Schwarzschild物镜要求其光学元件的面形精度达到约1 nm（RMS值）;而在物镜的装配过程中,装卡产生的应力会影响光学元件的面形精度,定量计算装卡应力对元件面形的影响是获得高分辨率成像的关键。在光学设计、公差分析的基础上,采用有限元模型系统地分析了应力对Schwarzschild物镜光学元件面形精度的影响。结果表明:采用自行设计的物镜结构,应力对主镜面形的影响可以达到0.7 nm,而对副镜的影响可以忽略;应力所产生的光学元件面形变化会使系统的几何传递函数(5000 lp/mm)从0.76下降到0.61。     

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。     

多节点激光通信天线紧凑型摆镜组件设计

为了减小多节点激光通信天线的工作包络尺寸并提高二维摆镜的运动控制精度,提出了一种紧凑型摆镜组件。采用高体分铝基碳化硅(SiC/Al)支撑板与H-K9L反射镜直接黏接的方案,提高了摆镜面形的热稳定性,摆镜回转中心至镜面的距离被缩短至20mm。黏接面采用三点薄圆环的设计,在保证摆镜组件动态刚度的前提下有效降低了黏接应力对摆镜面形的影响。有限元分析结果表明,摆镜组件的基频为1319.96Hz,在(20±5)℃工作温度范围内,面形峰谷(PV)值优于λ/4(λ=632.8nm),面形均方根(RMS)值优于λ/22。使用ZYGO激光干涉仪对摆镜的面形进行检测,结果表明,在(20±5)℃温度范围内,摆镜面形的PV值优于λ/4,RMS值优于λ/29,满足激光通信天线RMS为λ/15的指标要求。     

大口径标准镜绝对面形精度传递方法

提出了一种大口径干涉仪标准镜绝对面形精度的传递方法,在已知一台干涉仪参考镜绝对面形的前提下,可向待测标准镜进行精度传递。由于检测温度与使用温度的不同,待测标准镜在另一台干涉仪作参考镜时,绝对面形会发生变化,变化集中在离焦量上;在待测标准镜使用状态下,通过对经典三板互检法得到的竖直方向直线绝对面形的分析,得到标准镜使用状态离焦量的估计,以此修正直接精度传递结果,最终得到待测标准镜使用状态下的绝对面形。比较同一块光学元件在两台干涉仪上标定前和标定后的测量结果,标定后的面形差值更小且分布一致性更好,证明了本方法的有效性和可行性。     

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。     

用于超低温环境的轻质反射镜制造技术

以椭圆形平面反射镜实例为研究对象,介绍了轻质反射镜材料的选择以及反射镜在真空超低温环境中的应用。分析了各种轻量化孔的特点,设计了一种反射镜结构;在吊带支撑方式下,建立整体结构的有限元模型,对由于镜体自重及超低温环境引起的镜面变形进行了有限元分析。由数控系统在图形方式下控制实际轻量化加工,加工后的反射镜轻量化率达到33％;采用化学方法消除加工过程中产生的应力与微小裂纹;运用环形抛光机结合局部修磨进行光学抛光加工,抛光后面形精度达到0．022A（均方根,λ=633nm）;在实验室进行小范围温度拉偏实验,实验结果表明,面形精度变化量为0．03nm。     

指向摆镜的精度分析

在光学反射矢量公式的基础上,通过坐标变换和矢量分析,对指向摆镜的位置对地面观测目标的影响进行了分析,得出了在允许的光谱成像仪对地观测误差的条件下,指向摆镜的转角准确度和定位准确度,为指向摆镜的设计与装调提供了理论依据.     

基于光机集成仿真技术的摆镜特性分析

为考察相关跟踪系统摆镜在静力和动力载荷工况下面形参数是否满足工程需求,基于光机集成仿真技术对相关跟踪摆镜特性进行了分析,得到了在静力和时间历程载荷所对应的三种工况下的面形变化分布和面形表征参数,并对仿真结果的数据可靠性进行了数值角度验证。结果表明,光机集成仿真方法可以有效地消除由动力载荷产生的主动刚体位移,可得到摆镜面形参数和在动力载荷作用下不同时刻的摆镜面型变化,弥补了在实验条件下难以测得由动力载荷作用的面形参数和面形分布情况。当1g加速度载荷在摆镜光轴方向上时,静力载荷对面形的影响起主导作用;当1g加速度载荷不在摆镜光轴方向上时,动力载荷对面形的影响起主导作用。通过光机集成仿真结果对所设计的摆镜在相应工况下的面形进行有效评估,获得了有意义的设计指导数据。     

Research on OEF geometry control algorithm in dual-galvanometric laser scanning manufacturing

For the dual-galvanometric laser scanning manufacturing, the traditional geometry algorithm-fθ only considered the distance between the two swaying mirrors, the distance between the swaying mirror and the convex lens, the mirror swaying angle, and the lens focal length. And it could not correctly express the manufacturing track which was made geometry distorted. Based on analysis, a creative geometry control algorithm - optical entire factors (OEF) was brought forward. From the creative algorithm it can be known that OEF geometry control algorithm was concerned with not only the distance of the two swaying mirrors, distance between the swaying mirror and the convex lens, mirror swaying angle, and lens focal length, but also the lens central height, lens convex radius, and medium refractive index. The manufacturing system can manufacture satisfied geometry with the creative double ends approach (DEA) control model based on OEF in the experiments.     

空间SiC反射镜背部中心支撑特性

基于特定的轻量化形式和支撑结构,采用有限元方法研究了口径为500mm的空间SiC反射镜的背部中心支撑特性.通过分析镜体结构参量对反射镜性能的影响,确定了最佳的支撑孔直径与反射镜口径的比例为0.23,指出对不同口径的反射镜需通过优化确定最佳的背部形状,当重力沿径向作用时,增大支撑深度有利于提高面形准确度.支撑结构分析结果表明,柔性连接件底部螺栓圆半径是影响温变载荷工况下的面形准确度和反射镜组件的一阶固有频率的关键因素,要确定最佳的底部螺栓圆半径需综合考虑面形准确度和结构基频两方面的指标要求;背部中心支撑的反射镜面形准确度受外界装配应力的影响较小,且对柔性连接件切槽深度的变化不敏感;支撑长度主要影响结构的动态刚度,减小支撑长度能提高反射镜组件的一阶固有频率.最后确定了空间SiC反射镜背部中心支撑的最大适用口径为750mm,对口径小于750mm的SiC反射镜在结构允许的前提下采用背部中心支撑均能满足设计要求.     

空间太阳望远镜主镜支撑结构的优化设计

空间太阳望远镜主镜是有效口径为1m的抛物面镜,工作状态需要达到衍射极限,因此光学系统要求主镜面形误差小于λ/40(RMS),精度主要靠主镜支撑结构来保证。主镜支撑结构应满足地面调试、在轨及发射状态的需要。支撑结构试验样机已经加工完成,地面调试结果表明主镜的镜面变形满足整个光学系统的要求。试验样机强度和刚度还有较大余量,结构本身比较复杂。用有限元分析方法进行优化设计,优化后的主镜支撑结构满足地面调试、在轨及发射状态的需要,也能保证主镜的面形满足整个光学系统的要求,有效减轻仪器重量、简化支撑结构的同时,提高了整个仪器的可靠性。     

Shack-Hartmann波前传感器非零位在轴检测离轴非球面反射镜

在离轴非球面反射镜研磨后期和粗抛光阶段,被测反射镜面形与理想面形存在着较大的偏差,表面反射率较低,采用干涉测量会因局部区域干涉条纹过密或条纹对比度过低,造成普通干涉仪无法进行全口径测量,而普通接触式轮廓仪测量精度此时已经不能满足加工要求。鉴于Shack-Hartmann波前传感器较大的动态范围和较高的测量精度,提出了采用Shack-Hartmann波前传感器非零位在轴检测离轴非球面面形,研究了该方法的检测原理并搭建了检测系统,分析了系统误差来源,并制作了用于在轴检测离轴非球面的参考波前,对两个不同加工精度的离轴非球面反射镜进行了测量,并与干涉仪的测量结果进行了对比。对比结果表明,Shack-Hartmann波前传感器的测量结果是正确可靠的,并且可以弥补轮廓仪测量和干涉仪测量的不足,从而证明了采用Shack-Hartmann波前传感器在轴检测离轴非球面的可行性和正确性。     

主三镜一体化离轴三反光学天线设计

为提高空间激光通信离轴三反光学天线的装调效率,需要对反射镜总的装调自由度进行优化设计。基于共轴三反无焦系统的设计原理,提出一种主三镜一体化的设计方法,并推导了光学系统结构参数之间的关系,利用Zemax光学软件设计了一种结构紧凑、主三镜一体化的离轴三反光学天线。设计结果表明:全视场光学像质优于衍射极限,主镜和三镜空间位置相接近,可共母板加工和面形共基准检测,为主三镜的一体化加工提供了方法。光学天线的装调自由度减少了6个,降低了装调难度,提高了装调效率。     

一种大口径大非球面度天文镜面磨制新技术

主动抛光盘技术是近年来因天文望远镜的口径越来越大,焦比越来越快而发展起来的一种能够根据需要将抛光盘面实时地主动变形成偏轴非球面来磨制大口径非球面度高精度天文镜面的磨制技术。非球面表面的曲率不仅各点不一致,而且同一点的径向与切向曲率也不相同,所以经典的大的抛光盘不可能使其表面形状始终与所接触的非球面表面形状相吻合;常用的小磨盘抛光的致命缺点是解决不了高频切带,抛光效率也低。而主动抛光盘技术正好解决这些难题。与传统方法相比,它具有较高的磨削速率和较大范围内的自然平滑(无切带)。这是一种用计算机控制的磨镜技术,通过它可以像加工球面一样来加工一个深度的非球面。介绍了我国成功研制的主动抛光盘以及它在直径910mm,焦比F／2抛物面镜加工中的成功应用和加工的结果,以及此项技术将在2m以上直径天文镜面,特别是30m巨型天文光学／红外望远镜的分块子镜磨制中的应用前景。     

主动光学薄镜支撑及驱动研究

随着光学遥感器分辨能力的不断提高和口径的不断增大,导致遥感器的重量越来越重,使得载体无法承受.针对此问题,提出了对薄反射镜进行主动支撑的方式,以解决口径大、重量重的问题.利用有限元分析和数学理论相结合的方法在对反射镜施加垂直镜面1g加速度(g=9.80665m/s2为重力加速度)和10℃的温升载荷情况下,对薄反射镜的位...     

A novel design of membrane mirror with small deformation and imaging performance analysis in infrared system

A method of diminishing the shape error of membrane mirror is proposed in this paper. The inner inflating pressure is considerably decreased by adopting the pre-shaped membrane. Small deformation of the membrane mirror with greatly reduced shape error is sequentially achieved. Primarily a finite element model of the above pre-shaped membrane is built on the basis of its mechanical properties. Then accurate shape data under different pressures can be acquired by iteratively calculating the node displacements of the model. Shape data are applicable to build up deformed reflecting surfaces for the simulative analysis in ZEMAX. Finally, ground-based imaging experiments of 4-bar targets and nature scene are conducted. Experiment results indicate that the MTF of the infrared system can reach to 0.3 at a high spatial resolution of 10l p/mm, and texture details of the nature scene are well-presented. The method can provide theoretical basis and technical support for the applications in lightweight optical components with ultra-large apertures.     

Laser beam shaping with magnetic fluid-based liquid deformable mirrors

A new controllable laser beam shaping technique is demonstrated, where a magnetic fluid-based liquid deformable mirror is proposed to redistribute the laser phase profile and thus change the propagation property of the beam. The mirror is driven by an inner miniature actuator array along with a large outer actuator. The inner actuator array is used for deforming the magnetic fluid surface, while the outer actuator is used to linearize the fluid surface response and amplify the magnitude of the deflection. In comparison to other laser beam shaping techniques, this technique offers the advantages such as simplicity, low cost, large shape deformation, and high adaptability. Based on a fabricated prototype of the liquid deformable mirror, an experimental AO system was set up to produce a desired conical surface shape that shaped the incident beam into a Bessel beam. The experimental results show the effectiveness of the proposed technique for laser beam shaping.     

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.