（精密仪器及机械专业论文）组合孔径成像光学系统结构设计和装调的研究.pdf

分类号： udc n ! lr l l l l lr l h il ! l l l l f l = r l _ | i f 川胛 y 1 5 2 4 6 7 3 “ 密级： 编号：一 托爹 组合孔径成谢系统结构设计和装调的研究 s t u d yo nc o m p o s i t ea p e r t u r ei m a g es y s t e ms t r u c t u r e d e s i g na n dt e s t 学位授予单位及代码：长壹堡王盍堂( ! q 1 8 2 学科专业名称及代码：擅蜜焦登区扭撼( q s q ! q 12 研究方向：堡墨望住退让申请学位级别：亟 主 指导教师：直云丞研究生_ 型孟壁 论文起止时间：2 0 0 7 1 1 - - 2 0 0 8 1 2 摘要 随着太空、军事科技的发展，下一代太空望远镜要求口径更大、重量更轻、 成像质量更高和可折叠的要求，传统的单个主镜的光学系统已经不能满足要求。 采用组合孔径拼接模式，把单个主镜用多个反射镜构成的组合主镜代替，这样的 拼接式组合孔径光学系统能满足口径大、重量轻、成像质量高和可折叠的要求。 所以拼接式组合孔径光学系统在太空、军事方面具有重要的意义和广阔的应用前 景。 为了详细探讨组合孔径光学系统的加工设计与装调问题，本论文简单的介绍 了子孔径拼接的发展状况，光学系统设计。以卡塞格林系统为例进行了实践摸索。 系统主镜由“8 + 1 式”( 八块子镜、一块母镜) 子孔径拼接而成，主要针对拼接 机械结构设计和装调进行研究，并对其产生的杂散光进行抑制。 关键宇：组合孔径，结构，装调 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es p a c ea n dt h em i l i t a r yt e c h n o l o g y , t h en e x tg e n e r a t i o n s p a c et e l e s c o p ei si nn e e do fl a r g e ra p e r t u r e ，l i g h t w e i g h t ，h i g h e ri m a g i n gq u a l i t y , a n d c o l l a p s i b l e c o n v e n t i o n a lt e l e s c o p eo fs i n g l em a i nm i r r o rc a n tm e e tt h er e q u i r e m e n t s c o m p o s i t ea p e r t u r em o d ew h i c hr e p l a c es i n g l em a i nm i r r o rb ym u l t i m i r r o rc a nm e e t t h ea b o v er e q u i r e m e n t s s ot h ec o m p o s i t ea p e r t u r e o p t i c a ls y s t e m i so fg r e a t i m p o r t a n c ea n da p p l y i n gp r o s p e c ti ns p a c ea n dm i l i t a r y i no r d e rt od i s c u s st h ed e s i g n i n g ，m a c h i n i n ga n dt e s t i n g ，t h et h e s i si n t r o d u c e s s u b - a p e r t u r ed e v e l o p m e n ta n do p t i c a ld e s i g n i n g t a k ec a s s e g r a i nf o ra l le x a m p l e t h e s y s t e mi sm a d eu pb y “8 + 1 ”( 8s u b a p e r t u r e sa n do l l em a i na p e r t u r e ) i ts t u d i e so n s p l i t t i n gs t r u c t u r ed e s i g n ，t e s t ，a n ds t r a yl i g h tr e j e c t i o n k e yw o r d s ：c o m p o s i t ea p e r t u r e s t r u c t u r et e s t 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，组合孔径成像光学系统结构设计 和装调的研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：却聋驻 墨! 12r e _ y _ _ nz 盟h 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定 ，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：塑盈殖星! ! 至年上月丝f j 指导导师签名：年立月兰日 第一章绪论 随着太空、军事科技的发展，需要口径更大、重量更轻、成像质量更高和可折叠 的光学仪器，传统的单个主镜的光学系统已经不能满足要求。采用子孔径拼接模式， 把单个主镜用多反射镜构成的组合主镜代替，这样的拼接式合成孔径光学系统能满足 要求。目前，主要应用于航天航空相机、天文望远镜、激光通信等系统的研制上。其 中，在天文观测方面的应用，还在初步阶段，技术还不成熟，其它大口径光学系统研 制是首要参考对象。 1 1 组合孔径国内外研究现状 1 1 1 国内研究现状 在国内，子孔径测试技术的研究开始于上个世纪9 0 年代初，主要用于大口径平 面光学元件的检测。上海科技大学应用光学与检测实验室提出了用于大口径光学平面 检验的多孔径扫描测试技术( m a o s t ) ，并提出了基于齐次坐标变换的两两拼接数学模 型。随后引入了映射概念，提出了更符合拼接物理意义的圆柱坐标系下的回转体拼接 模型。近几年，为了适应先进制造技术的要求，该实验室已经将m a o s t 的技术理念应 用于3 6 0 。三维面形的精密测试中。南京理工大学把子孔径测试技术应用到相移平面 干涉仪中，将测试口径范围从2 5 0 m m 扩展到5 0 0 m m 。 9 0 年代中后期，浙江大学现代光学仪器国家重点实验室用子孔径测试技术检验了 某资源卫星的r c 光学系统，并提出了拼接目标函数分析法，在减小子孔径间两两拼接 造成误差累积和传递方面具有积极的意义。 本世纪初，为了以低成本、高分辨率检测i c f 系统中大口径光学元件，四川大学 电子信息学院和成都光学精密工程研究中心也开始对子孔径拼接测试技术进行研究， 并搭建起了一套子孔径拼接实验系统。 ( 1 ) 利用视场光阑实现多镜头成像拼接 提出了一种在成像系统前增加视场光阑实现多镜头二维成像拼接的方法，可同时 满足大视场成像范围和高分辨力的实际要求。运用光学成像原理把大范围视场分成多 个部分，再用多个c c d 摄像系统分别对各个小范围视场成像。导出了光阑尺寸的计算 公式，从而精确地限制了每个摄像系统的成像范围。对参与成像的各要素如光阑，图 像采集镜头，c c d 等元件的参数以及它们的相对位置和相互所成角度都进行了数学推 导和运算。 ( 2 ) 组合孔径拼接技术 作为原理性试验，浙江大学现代光学仪器国家重点实验室用六块扇形的小镜面拼 接完成了口径为1 5 0 珊的镜面，其尺寸大小如图1 1 所示。利用菲索干涉系统及动态 条纹扫描技术可实现六块子孔径镜面的调整及位相探测。 图11 六块扇形的小镜面拼接结构 在每块镜面的背后都有相应的精密调整机构，可实现倾斜及轴向移动。在实验中， 首先把待拼接的六块镜面放入干涉测量系统中，在齐明镜组会聚点处找到来自子孔径 镜面的六个反射点，使它们大小都与该会聚点相同，且都与之重合，即实现共焦。此 时可在监视器上获得干涉条纹，利用实时相位探测技术及子孔径拼接技术可继续进行 精确调整，直至实现位相合成。 ( 3 ) 拼接式合成孔径光学系统 作为拼接式合成孔径光学系统的实验验证，哈尔滨工业大学空间光学工程研究中 心设计并制造了一个折反式系统，主镜为抛物面，由三子镜片拼接而成。为了获得一 定的视场角，增加了两分离校正镜。子镜采用特殊工艺加工，整体面形精度r 惦值小 于 4 0 ，具有良好的光学一致性，避免面形不一致对系统成像质量的影响。如图1 2 所示。 、 皇一 雷1 2 主镜为抛物面，三子镜片拼接结构 多孔径拼接技术的基本原理是利用实时相位探测技术精确地确定待拼接的备子孔 径的相应调整量，从而正确地指导调整，最终实现多孔径的拼接。 装调机构上使用了高精度位移传感器配合z y g o 干涉仪，通过光在回路的反馈方 式，迭代完成装配全过程。光路和主镜如上图1 2 所示。 1 1 2 国外研究现状 1 9 8 2 年，美国a r i z o n a 光学中心的c j k i m 首先提出了子孔径测试概念，使用小 口径平面反射镜阵列代替大口径平面反射镜实现了抛物面镜的自准直检验。随后， j g t h u n e n 等提出了一种基于z e r n i k e 多项式的数据处理算法和性能评估标准。同时， w w c h o w 等提出了一种基于z e r n i k e 多项式的同时拟合算法，其运算速度比 t h u n e n k w o n 算法快2 4 倍，而且对子孔径的调整误差和噪声均不灵敏。j e n e g r o 提出用灵敏矩阵来评估该子孔径测试技术性能，它不必实际处理光程差数据。c r d e h a i n a u l t 等将k a l m a n 滤波技术应用到子孔径测试数据处理中，其精度比以上算法提 高了2 3 倍，k a l m a n 处理对子孔径振动和测量噪声较灵敏，但对调整误差不灵敏。g n l a w r e n c e 和r d d a y 又研究出了一种能将被测球面不同位置的干涉测量数据合成全 孔径数据的处理算法。 1 9 8 8 年，a r i z o n a 光学中心的y m l i u 在上述子孔径测试技术的基础上，提出 了环形子孔径和重聚焦控制相结合的大口径非球面检测方法。其数据处理算法跟t h k 算法类似，并进行了原理验证性实验，实验中使用了两个互补的子孔径，将一块f 3 、 1 9a m 抛物面反射镜自准直检验和环形子孔径检验的实验结果进行比较，初步证明了 该技术的可行性。同年，e r c o c h r a n 和k c r e a t h 研究了综合子孔径技术和双波长 技术来扩展光学表面轮廓仪的测量范围，提供的实验结果表明这两种技术的综合应用 使得轮廓仪的横向动态范围扩展了约5 倍，而纵向动态范围扩展了近8 0 倍。 上个世纪9 0 年代初，随着计算机控制及数据处理技术的不断发展，该技术逐步 转入到应用研究阶段。 s t t h e o d o r e 将子孔径测试技术应用于一种改进的r it c h e y - c o m m o n 配置中，该 配置比通常的r i t c h e y c o m m o n 配置具有较短的光程，能够有效减小大气扰动的影响， 而且返回光学元件的直径小于准直测试光束的直径。j g e o r g e 用口径为1 2m 的标 准平面拼接检测了口径为1 5m 的望远镜主镜。 1 9 9 7 年，m b r a y 制造出实用化的用于大口径光学平面元件检测的子孔径拼接干 涉仪。随后几年，m b r a y 将功率谱密度( p s d ) 概念引入到拼接干涉仪特性分析中，分 析表明它能较准确地描述由子孔径边缘效应引起的拼接“噪声”。在2 0 0 4 年s p i e 国 际会议的光学制造、测试和计量专题中报道了该仪器的最近检测结果。 1 9 9 8 年，s t a n g 首先尝试将子孔径拼接技术应用于表面微结构测量的干涉显微 镜中，它在不降低测量空间分辨率的同时扩展了物镜的有效视场，且不增加硬件花费。 2 0 0 1 年，德国的b c a t a n z a r o ，j a t h o m a s 和e j c o h e n 利用子孔径测试技术 检验了由6 块扇形子镜拼接而成的口径为2m 、曲率半径为4 2m 的球面实验镜， 开始了该技术在赫歇耳空间天文台( h e r s c h e ls p a c e o b s e r v a t o r y ， 由3 5m 空间望 3 远镜构成) 中主镜测试的应用探索，其实验数据为该技术应用潜能的评估具有重要的 意义。 2 0 0 3 年，美国q e d 技术公司研制成功了s s i 自动拼接干涉仪，能够高精度检测 口径2 0 0 m 以内的平面、球面、适当偏离度的非球面。其拼接算法在继承了早期算法 的优点外，还补偿了通常算法所校证的相对调整误差之外的系统误差，进一步提高了 拼接精度。 一、美国n a s a 的天文计划 ( 1 ) “下一代空问望远镜”( n g s t ，n e x tg e n e r a t i o ns p a c et e l e s c o p e ) 是哈 勃望远镜( h s t ) 的后续项目，如图l3 所示。n g s t 覆盖波段从可见到中红外，h s t 则 是紫外到近红外。新一代空间望远镜取名叫“詹姆斯韦布”，主镜有1 8 块六边形反 射镜组合而成，全口径达65 米，其同尺寸模型已在华盛顿亮相。1 。 剀13 “詹姆斯韦布”空间望远镜模型 ( 2 ) 世界上最大也是观测能力最强的地面望远镜有望在2 0 1 6 年之前落户智利中 部山区。这部被称为“大麦哲伦望远镜”的新型仪器的观测能力是现役“哈勃”空间 望远镜的1 0 倍。由七片镜面拼合而成，每片镜面的直径为8 4 米，有一片镜面位于中 间，而其他六片则均匀地分布在其周围。望远镜的实际口径高达2 45 米，几乎是现役 最大“科克”望远镜( 位于夏威夷) 的25 倍。长期以来，“科克”望远镜一直被认 为是世界上晟大的地面望远镜和最大的光学望远镜。“大麦哲伦望远镜”预计2 0 0 9 年 完成镜面抛光工作，每片镜面的面形误差将不会超过2 5 纳米，在2 0 1 3 年完成装配工 作。如图l4 示。 幽l4 “大麦哲伦望远镜” ( 3 ) n a s a 的空中红外线天文台项目s o f i a ，为25 米的同温层红外线天文台，安 装在一架波音7 4 7 4 喷气机上，设计高度在1 3 公里处，以避开超过9 9 水气的大气层， 以更加清晰地观察太空现象“3 。之前受资盒限制而停顿，目前a s a 决定追加资金重启浚 项目。如图l _ 5 示。 目l5s o f i a 空中红外线天文台 二、e s a 的部分天文计划 ( 1 ) 欧洲空间局将建造“极大望远镜”( e x t r e m e l yl a r g et e l e s c o p e ) ，主镜面 直径将达到4 2 米，超过了现在所有的光线望远镜，能分辨出在月球表面上与普通人身 高一样大的物体。希望“极大望远镜”能克服地面天文望远镜拍摄宇宙照片清晰度差 的缺点。主镜面将由多个较小的镜片组合而成，其操作过程将完全通过计算机完成。 如图1 6 所示。 图17 世界最 的红外天文望远镜g t c 三、图像拼接方面 由于大孔径望远镜难以达到衍射极限，所以采用多孔径的望远系统组合在一起来 代替大孔径，如图1 8 所示。 其结构有两种，如图1 9 所示。 h o u s i n g b a t i i ( s 图1 8 结构示意图 图1 9 结构剖面示意图 图1 9 中( a ) 是把各个独立的光学系统拼在一起，具有各自的外壳，互不影响。 而图1 9 中( b ) 是把各个主镜用机械均匀连接，构成一个系统。但都是各自接收，有 自己的光纤传输光信号，再把各自接收的图像拼接叠加成一幅图像。 1 2 课题的研究意义和主要工作内容 1 2 1 课题的研究意义 参考现代天文光学望远镜的研制，为实现系统的大i = 1 径化，在光学方面绝大多数 7 都采用了组合孔径技术，并成为了突破传统光学系统高分辨率极限的关键技术之一。 从单个大口径光学系统的实现方式上考虑，存在着难以解决的问题： ( 1 ) 加工方面：目前，大口径光学系统的通光口径能够达到5 0 0 1 0 0 0 0 m m ，如此 大口径的光学元件在加工上是很难实现的。受限于加工技术，设备等条件，另外大口 径加工还带来了光学元件的光学参数难以达到，成本过高的问题1 。 ( 2 ) 保存运输方面：一般光学元件属于易受损坏的物件。在加工完成后，需要较 高的保存条件，以免镜体和镜面受到损坏，影响光学系统整体成像质量。大口径的光 学元件不仅尺寸大，而且自身重量大，在保存和搬运方面会带来很大的困难。例如： 天文望远镜一般设置在海拔较高、观测环境较好的山顶位置，要将如此之大的光学元 件一一搬运上去而不受损伤，实在是很困难的。 ( 3 ) 装调方面：光学元件为了减小其面形随周围环境变化而发生显著的变化，特 别是反射镜，一般适当的增加元件的厚度，这样必然造成镜体重量的增加。而巨大的 镜体即使做过轻量化处理，仍然会给装调人员带来很大的困难。 ( 4 ) 成像质量方面：光学系统处在一定的环境下进行工作，周围环境的变化和镜 体自身的重力会给整个光学系统的成像质量带来难以把握的影响。例如：工作环境温 度的变化，大口径光学元件的面形、膨胀变化要比小口径的来得严重；镜体自身巨大 的重力也会因光学元件装调结束后所处的姿态，给面形带来变化口1 。 为了很好的解决大口径光学系统实现的固有问题，利用组合孔径技术。组合孔径 技术就是将大口径光学元件化整为零，用若干个小孔经的组合代替单个大口径的光学 元件。这种技术具有以下五个显著的优点： ( 1 ) 光学加工方面：加工适合现有加工条件的较小口径光学元件，降低了加工难 度和成本，具有较强的实用性。 ( 2 ) 模块化设计方面：引入拼接技术的同时，也引入了模块化设计。将原单个大 口径光学元件划分成同一口径大小的子孔径组，或是若干个口径大小的孔径组。 ( 3 ) 加工精度方面：在实际的加工过程中，相同光学性能参数的光学元件在加工 设备能够加工的尺寸范围内，可以同时加工多个元件。这样的同批次加工，使得所加 工的光学元件具有完全相同的光学结构参数，面形接近随1 。提高了加工精度，从而能够 较好地保证子孔径拼接后所得到的组合面形质量旧1 。 ( 4 ) 保存运输方面：口径的减小，对于光学元件的保存运输，有着显而易见的好 处。 ( 5 ) 成像质量方面：系统处在一定变化范围的工作环境中，温度、气压和传输介 质( 如：大气湍流) 对系统的成像质量产生影响n 们。在天文光学中，自适应光学的应 用能够有效地降低这些客观因素造成的不良影响。原单个大口径光学元件要做到很薄 的厚度来实现对波前面的修正是不太可能的，而现在拼接孔径技术的引入，各个子孔 径尺寸减小，能够利用现有技术成熟的自适应光学工艺和各子孔径间相互配合的方式， 修正扭曲的波前面以得到理想的成像质量n 。 8 综上所述，纵观大口径光学系统存在的固有问题和组合孔径技术带来的直接显著 的好处，利用组合孔径方式设计大口径光学系统是切实可行的。所以组合孔径光学系 统在太空、军事方面具有重要的意义和广阔的应用前景。 1 2 2 课题的主要工作 本论文的主要工作是： ( 1 ) 光学系统的机械结构设计。 ( 2 ) 组合孔径光学系统装调及测试。 9 第二章光学系统 弟一早尢孚承现 在光学系统结构设计中，设计指标为1 ：3 径5 0 0 m m ，焦距为3 0 0 0 l i 业主反射镜由一 t _ - _ ， 块中心主镜和八块边缘子镜组成，中心主镜口径：2 5 0 m m ，子镜口径：l o o m m ，其c c d 像元数1 0 0 4 1 0 0 4 ，并且全口径光学系统分辨率不低于边缘单个子镜光学系统分辨率 的4 倍，光学系统装校精度为2 0 ”。 2 1光学系统结构型式的确定 光学望远系统的结构型式有：离轴式牛顿系统，卡塞格林系统，离轴式格里高利系 统，附加透镜式卡塞格林系统，加施密特校正板式卡塞格林系统，马克斯托夫卡塞格 林系统等重要形式n 2 1 。各型式对比见表2 一l 。 表2 - 1 各望远系统型式对比 中心遮视场角视场 类型相对长度相对重量镜筒 拦( 度) 光阑 离轴式牛顿系统无1 4长无轻不封闭 卡塞格林系统有 1 2 短无中等不封闭 离轴式格里高利 无 1 2长 有中等不封闭 系统 附加透镜式卡塞 有 l短 无中等 不封闭 格林系统 加施密特校正板 有 l 短偏中等无中等偏重 封闭 式卡塞格林系统 马克斯托夫f 塞 有 l 中等无重封闭 格林系统 根据全系统结构简单化、降低尺寸和实际装调的可行性等要求，系统设计选择卡塞 格林望远系统的结构形式。考虑到设计指标要求像质接近衍射极限，需要在主次反射 镜外，增加相应的校正透镜组n 引。添加校j 下组的方式有两种，分为i j 校正式和后校正式， 如图2 1 、图2 2 所示。 1 0 。一 ； y 7 _ 一一 跳 仁 、崖翼 次镜主镜校正组 图2 7 卡式系统结构 h28 实体结构 第三章机械结构设计及分析 总体结构主要由光学系统和机械结构两大部分组成，光学系统在满足像质条件下， 需要机械结构保证技术指标。在光学系统中透镜间的距离要求精度非常高，而且光学 系统主镜由多块反射镜拼接而成，要把这些块反射镜调到一个球面上，子镜和次镜存 在多维调整，这样就会使结构设计存在很高的难度，所以机械结构也是实现整个系统 技术要求的不可缺少的重要部分。 结合上一章对大口径光学系统设计方案，对其光路进行结构设计，其主要有主镜 的子镜和次镜调整结构及接收系统等机械结构，下面进行逐个介绍。 3 1主镜架结构设计 在空间相机中，主镜不仅直接决定空间相机地面像元分辨力等光学性能，而且影 响空间相机的力学特性、热稳定性以及相机的制造难度和成本，因此，主镜的设计必 然成为空间相机研制过程中需完善解决的一个关键技术n 引。 大口径空间望远镜对光学系统的像质要求严格，而主镜面形是影响像质的直接因 素，应用光学技术和综合控制方法在空间环境实时来探测和校正主镜的面形，是大型 空间望远镜的重要技术。目前，大口径空间望远镜主镜采用分块式反射镜，分块式主 镜一般由固定不动的中心子镜和若干块旁瓣子镜构成，每块子镜的背部布置了若干个 三维调节系统，控制系统对镜面施加大小不同的作用力来达到所要求的面形的。 大型光学玻璃在光学测量仪器设备中的地位是十分重要的，它的精度直接决定了 仪器的精度。对于一块光学镜片而言，在使用过程中，其最终成像质量的决定因素，除了 本身的加工误差外，还包含以下几方面的误差：镜子在重力作用下的变形；在装配过程 中镜筒和支撑对其作用力产生的变形；弹性变形部分恢复后剩余的永久残余变形；环 境温度改变后镜体材料内部由于温度变化产生的温度变形等。对于大口径的主镜，在其 加工完成后，由重力等产生的变形已经很小，本文由于主镜是多块圆形反射镜组合而 成，所以能调整成同心，起到一块主镜的作用是主要的影响因素啪1 。下面介绍分块式 主镜结构的调整设计。 主镜架是系统中最主要的部分，主镜是用一块圆形母镜与其环绕的八块圆形反射 镜组成( 第二章图2 4 所示) 。 3 1 1 主镜中母镜的固定 主镜的支撑方式有： l 、吊带式支撑方式与结构 反射镜通过软质吊带悬挂于支撑结构上，通过调节螺栓调整其在平行光管中的上 1 7 下位置。由于重力的作用，反射镜自动位于两调节螺栓位置的中央。反射镜的重量由 吊带平衡，并通过调节螺栓传到支架结构上。吊带通常用柔性纤维带( 如尼龙带、棉 质带等) 制造。在反射镜外圆上，制作出一定宽度和深度的槽( 比吊带的宽度和深度 略大) 。吊带装于此槽内，防止反射镜安装时产生大的偏移瞳1 1 。如图3 1 所示。 图3 1 吊带式支撑方式与结构示意图 这种装置在地面设备上使用很普遍，其结构简单、价格便宜，平行光管结构上的 变形不会传到反射镜上。缺点是反射镜受力不均，这是因为吊带与反射镜之间为圆弧 接触，吊带对反射镜径向的作用力大小按正弦规律分布( 以接触面中心为对称轴) ，在 最低点处最大，在两侧切点处为零。 由于其光学系统主镜是由多块反射镜组成，所以不可能都用吊带来实现。 2 、镜框式支撑方式与结构 反射镜安装在刚性很大的框中，由径向和轴向垫块及限位器保持反射镜在框中的 位置。在装配时，使反射镜中心与框的中心基本重合，反射镜中心面与框平面平行。 调整好位置的反射镜，只由下面两个径向垫块托着。轴向垫块和限位器不与反射镜接 触。因此，反射镜在框中完全处于自由状态口刳。如图3 2 所示。 剐 屡 匡 垂l 匡 图3 2 镜框式支撑方式与结构示意图 1 8 这种支撑方式的优点是外部结构的任何变形都不会影响到反射镜。缺点是反射镜 的自重完全由底部两个垫块支撑，因此局部受垫块的反力，局部变形比较大。 3 、框架式支撑方式与结构 这种支撑方式由刚性框架和卸载机构相结合，形成一个整体。中心定位件使反射 镜中心与框架中心保持一致。反射镜与框架组合时，由轴向调节器保持反射面中心轴 与框架安装面垂直。反射镜被若干个独立卸载机构( 杠杆机构) “挑起 ，通过调节杠 杆机构上的平衡块的力臂使平衡块对支点的力矩与反射自重对支点力矩相等。各卸载 机构对反射镜的作用所组成的平面与反射镜质心面重合拉3 1 。如图3 3 所示。 中 轴 二 霍 ： 筐 苫 詈 皇 ： 匡 ： 匡 i 莲 r 图3 3 框架式支撑方式与结构不葸图 这种支撑方式和结构的优点是，由于外部结构只与框架连接，外部的任何变形与 作用力只会作用在框架上，对反射镜无影响。缺点是结构复杂、成本高。因此，一般 只用在大型、高精度反射镜上，且一次装调好后基本不再拆卸。 通过比较发现，第三种支撑方式的受力情况和变形，明显好于前两种，但是其结 构复杂，调整较为困难，因此，比较适用于口径大、面型要求高的地面光学设备上。 4 、常用方式与结构 常用方式包括中心支撑、周边支撑、侧面支撑、背部支撑等。小尺寸主镜多采用 周边支撑，通过压圈将镜片固定在镜框上。中心支撑方式适合于单拱形主镜，多采用 中心环定位支撑，有时辅以背部小平面支撑。背部支撑通常为背部多点支撑，有三点、 六点、九点支撑等，大型反射镜一般采用多点、多层背部支撑方式。主镜尺寸越大， 支撑难度越大。 为了保证系统的正常工作，必须严格保证主反镜与次反镜之间的距离，这就是说 在安装时对主反镜与次反镜要有调节机构。比如说，对于卡式系统，调节机构在次反 镜的固定中，利用三个调焦环调节，三个调焦环可以调节次反镜的五个自由度，不包 括沿光轴转动的这个自由度。在调节过程中使用三个预留的工艺孔进行调节，完成之 后，拧紧螺钉。但是对于这个牛顿式系统，主反镜安装位置若不j 下确，将产生拦光现 象，所以我们将调节机构安置在主反镜上，保证主反镜可以在各个方向上能进行调整。 卡塞格林系统中主镜的中心母镜在装调时做为基准保证其中心轴同轴度，一般采 1 9 川母镜l 卜_ 心孔t j 母镜固定结构( 如图34 所示) 配合，采用常用的压圈法丽定，这样 的结构可拆，装调方便。然后整体刚定在人外罩中心，这样就保u ：母镜的中心与后续 接收系统的安装透镜的中心同轴。 旧 5 弹簧凋帮俯仰结构示意蚓 第一种方法与第一种相比，结构去掉了弹簧，在两个零件i b j 央一个球体( 如图36 所示) ，球体在两个零件的球槽中一叮自山转动，用四个螺钉渊整r 镜的俯仰。前后移 动! l i j 要单独调整上面的零件与链接结构的内螺纹配合束实现。 剖37 个球体的旋转铀构示意旧 囤 固蝤 3 2 次镜架结构设计 斟31 3 乐盖 在卡塞格林望远镜系统巾，置光学系统必须经过丰次镜的反射爿能进行跟踪，因 此要求系统结构简单、易丁装配，并且县有良好的刚度和稳定性。对于这类精密光学 仪器，主镜支撑结构一般较易满足要求，薄弱环节往往在次镜支撑结构。次镜框一般 是通过薄粱片支撑，要提高结构稳定性，梁片数量越多越好、厚度越大越好，但粱片 越多、越厚，支撑结构的遮拦比越大，挡光越多，越不利于光学系统优质成像，因此， 如何确定粱片的数量及厚度”1 ，确保支撑结构有足够人的刚性，并且保 正有多维的渊 整，足非常值得研究的， 现在望远镜中常用的次镜支撑结构是三翼对称支撑结构和四翼十字型中心支拌结 构，这蝗结构简单、。，靠、成熟。但足随着对光学成像分辨率要求的提r 苛和光学系统 主反射镜口径的增人，支撑梁h 加长，放镜重量增大，结构的稳定性将受到影响1 4 。 次镜也是系统中非常重要的环节，为了平行光入射到丰镜后完全反射到次镜上， 就要在调整中保证多维调整，次镜机械结构采用主镜中子镜的设计调整结构( 如图34 所示) ，次镜的结构比子镜结构稍大、所以结构强度也相应的加人，渊整原理不变。 但考虑到杂光影响，次镜结构多出r 消除杂光的内部微螺纹( 如图31 4 所不) 。 h 但 幽315 三翼对称支撑结构 调整，与其配 但在保证上下 种好实现些 | 芏 31 6 四舆十字州中心支撑结构 由j ：四翼支撑结构，使支撑梁片的变形情况从弯曲改为拉仲和压缩，增强了结构 的扭转刚度：结构的i 皆振频率随着偏置距离的增加而增加，在一定程度上碱轻了结构 的自身重量。所以采用四翼结构，我们采用如图31 7 所示结构，同样剧上述第二种系 统的巾心部分，四周用钢丝带与外壳链接，啁整赴四个方向拉动钢丝带的螺钉，固定 在大外壳上实现上下左右移动。 阿 1 7 四兕i 字刑架收为钢甜带后狄镜结构 这样设计的结构充伞满足设计要求，在各方位都可以微调，与传统的结构相比要 更适合十奉系统。 3 3 接收系统结构设计 接收系统是光线经过主镜，次镜两反射面后，对其存在的像差进行矫一，并进行 结构微调通过光电转换接收宠牡清晰的像。所以接收系统是实现系统像质的非常重 要部分m 3 。 校j f 成像质量采刚的四块补偿透镜，鲋两块透镜( 第肯r p 所说的后续补偿透镜) 结构与母镜的固定结构共用其结构( 如图3 【8 ( a ) ，( b ) 所不) ，凼为透镜孔径在4 0 m 8 0 r a n l 之叫，所以采用常用的雎圈法固定，这样的结构可拆，装调方便，还可以装入其 它的隔崮和弹性压圈用以调整光学零件与镜框的相对位置，并适用于多透镜组的装配 固紧。在考虑杂光影响方面，根据次镜反射回光线的口径，外加了遮光筒结构来消除 杂光，其遮光筒结构后1 0 节介绍。 蚓31 8 土镜的母镜问定结杠j 后两块透镜与一般的光学系统结构基本相同( 如图31 9 所示) ，“圈法同定，叫 块透镜z 问的距离用螺纹配合实现，用止钉固定锁紧机构。后续总体结构如图32 0 所 示。后接分光系统、c c d 等结构。 喇01 9 后两块透镜外部结构 图3 2 0 接收系统外部结构 光接收系统的设计，根据光学设计软件的模拟以及实际的调试结果，得出：所设计 的光接收系统能够较好的满足自由空间光通信的使用要求，在要求的像差范围内，可 承受发射端一定范围内的晃动。 3 4 外壳结构设计 高质量的外壳是获取高可靠元器件的前提条件，尤其在光学系统中，外壳的要求 会更高，对光路的影响很大，而且外壳影响其外观，对系统起着支撑和保护作用。因 此外壳的质量已引起普遍关注。如果外壳质量不好，在装配及调试时会遇见很多困难， 最重要的是光线入射到外壳表面反射回的光线进入光学系统产生杂散光，对成像质量 有很大的影响”“。 外壳是连接整个系统的主要部分，要保证整个系统的稳定性，其余调整部分在其 基础上调解，而且还要保证光学设计中要求的有效光线进入光学系统，无效的要全部 遮挡，不产生杂散光。并且光学件要保证高度清洁，还要保证其结构的密封性。所以 外壳的设计也是不容忽视的。 外壳要与结构中所有要固定不动的结构配合使用，其结构设计方案有： 第一种是外部结构为方形，这样便于放置，稳定性好，在中间为圆形孔与主镜外 罩及前后盖配合( 如图3 2 1 所示) 。但此种方法质量大，费材料，加工上也很困难， 精度要求不高，但不美观。 酗32 第二种足外部结构为圆形( 如图3 第一种比较小仅质最轻，而且节省材料 所以采用此种方窠作为设计的外壳 方形外壳结构示意图 2 2 ) ，加上四角支撑，虽铸造时田难些，但与 铸出来后加工方便，并且美观。 考虑其封闭性加上了前后罩( 如罔32 3 ) 幽32 2 系统外先 幽32 3 外壳手前后罩结构 外壳端与主镜外罩舀己合，另一端与次镜的四个钢矩带链接螺钊配合，内部还铸 成消除杂光的挡光环，四个支撑脚可以调整上下高低俯仰。 3 5 材料的选择 在机械结构制造行业，无论设计或制造什么样的机器没备，首先面临的问题就是金 属材料的选择问题。山于任何材料部不可能m 时具备各个力面的优良性能，因此，金属 材料的选择问题实质上就是用其所长，避其所短。具体地说，就足通过分析零件的l 作 条件、失效形式、经济成本，制造r 艺等几方面的要求，进而选择出最能满足要求而又 切实可行的材料。金属材料的选择实际上是一个系统工程，非常复杂，需要考虑的方面 很多“。 仪器零件在工作过程中，部要承受一定的负荷，有的还要经受热负荷和环境介质的 作片j ，在各种因素的作用l - ，经过一定的时m 仪器零件可能会发生过量变形、表面损 伤、甚至断裂等失效现象。用一定材料4 造的仪器零件的失效实质上就是在特定负荷 和环境介质的作用下，具订特定形状的机件材料的失效。材料具有小同的性能指标，可 以反映对不同形式失效的抗力。通过失效分析，不仅要提出造成材料失效的原因还要 找出能正确评价材料抵抗这种失效的性能指杯判据，根据对这些性能指标的要求，我们 就能针对机件的工作条件和失效特点，选择最适合的材料成分和组织状态，并制定年h 应 的】艺技术措施，制造出既安全可靠，叉经济合理，同时又能满足寿命要求的仪器零什 d 会属材料的选择原则包括 则、? j i - e 批量原则、经济原则 性能使用性原则、失效性选择原皿 光学系统机械结构大部分材料采用铝 加= 工艺选择原 铸铁、钢等。 现代仪器结构都不断的在追求轻量化，日益广泛的使用铝材已经成为一种趋势。 铝的密度约为刚的i 3 ，熔点低，导热、导电性良好，塑性高，质量轻。铝合金的切削 性能好，但铸造性能差。并且不产生电火花，故可用作储存易燃、易爆物料的容器比 较理想。加工方便，但受温度的影响很大。 铸铁常用的主要分为灰铸铁和球墨铸铁两种。灰铸铁材料具有成本低，铸造性好， 可制成形状复杂的零件，且具有良好的减震性能。灰铸铁本身的抗压强度高于抗拉强 度，故适用于制造在受压状态下工作的零件。但灰口铁的脆性很大，不易承受冲击载 荷。球墨铸铁具有较高的延展性和耐磨性，多用于制造受冲击载荷的零件。 碳钢的价格低廉、便于获得，容易加工，通过含碳量的增减和不同的热处理，它 的性能可以得到改善，能满足一般生产上的要求。因此，对于受力不大，基本上承受 静载荷的零件，均可选用碳素结构钢；由于碳钢存在着淬透性低。如果能耐热、耐低 温、耐腐蚀、高耐磨性等，受力过大，承受变压力，工作情况复杂，热处理较高时， 可使用合金钢。 铸钢与锻钢的力学性能大体相近，与灰铸铁相比，其减震性差，弹性模量、伸长 率、熔点均较高，铸造性能差。铸钢主要用于制造承受重载、形状复杂的大型零件。 由于本设计中要求的主镜面形非常高，所以材料强度必须大，受外力才能不会产 生变形量过大，并且不能受温度影响。所以外壳采用铸铁、其余件采用钢等来保证强 度。 3 6 杂散光抑制 光学系统的杂光是指到达系统像面的非成像视场区域内的光线辐射在系统探测器 上形成的背景辐射噪声。杂散光的来源具体有以下几个方面：l 、光束在系统中各折射 面之间的多次反射。2 、光束在光学元件表面和体内的散射。3 、全反射引起的杂光。4 、 膜层的散射等。 3 6 1 杂散光抑制方法 减少杂散光的基本方法，从广义和宏观的角度上讲，分为两种方法。这两种方法 分别为：其一，通过对有害能量的方向控制的杂光控制；第二，通过对有害能量进行 量的抑制的杂光抑制唧1 。 方向控制是指通过变迹技术来达到的，通过改变结构与光阑的衍射边缘的形状来 控制衍射光的空间分布。本章中主镜架结构设计中其内部都用脊形( 如图3 2 4 所示) ， 是用来改变杂光光路，把光线反射到视场以外。 幽32 4 脊形结构示意凹 杂散光控制。”主要包括三部分 第部分为对杂散光的宏观结构控制，其主要措施为果墩诸如挡光环等方式；崩 挡光坏消除光束在光学元件表面和体内的散射，光束在系统中各折射面之问的多扶反 射产生的杂光。 ( 1 ) 前镜筒挡光环设训。前镜筒足指主镜至次镜巾问的镜筒。设训原则是使射 到筒擘的光线在筒壁上产牛的次漫反射光均落在主镜面的外边。如图32 5 所示。 fc ep b粥 下 缮 2 一：鹚 凹32 5 前镜筒挡光环示意崮 l 。为前镜筒长，为外遮光罩k ， 为遮光革前口径的半径，h ：为镜筒内径 半径，圯为由成像光束构成的通光管( 即主镜通光u 径和镜筒前端通光口径边缘的连 线) 半径。镜筒内径半径为给定值，h ，越大，需加的挡光环越少。 具体结构如下图32 6 所示 图3 2 6 主镜至次镜中间的镜筒示意图 内遮光筒与次遮光筒尺寸如下： 在不考虑遮光筒的散射和透镜杂光的情况下，通过光线逆向追踪得到以内遮光筒 为1 5 0 作为基础，改变次镜遮光筒长度( 次镜遮光简直径为1 4 3 r a m ) ，得到的数据如下： 次筒长度杂光占总能量比例成像光能损失比例 3 10 0 0 4 80 0 8 5 3 50 0 0 3 90 0 8 5 4 0 0 0 0 3 0 0 8 5 4 50 0 0 20 0 8 5 以内遮光筒为基础，考虑内遮光筒散射的影响，以内遮光筒为1 5 0 作为基础，考 虑散射的影响，得到的数据如下：如图3 2 7 所示 次筒长度杂光占总能量比例成像光能损失比例 4 50 0 0 3 60 0 8 5 k 一一岜 -il _ j 、 亡七 - i 图3 2 7 杂光示意图 分别以内遮光筒为2 0 0 、2 5 0 、3 0 0 、3 5 0 、4 0 0 等分析后，以下三个结果相对较好： 内遮光筒长度次遮光筒长度杂光占总能量比例成像光能损失比例 2 5 0 4 00 0 0 30 0 2 9 3 2 3 0 0 4 0 0 0 0 20 0 1 8 3 5 04 00 0 0 20 0 0 5 8 针对第三种条件，我们在次镜筒附近每隔l o m m 设定一个光源，最后从光线追击 结果可以看出没有明显光线直接入射或漫反射到像面。所以我们建议选取第三组数据， 内遮光筒入口直径为6 8 6 m m 。 ( 2 ) 后镜筒挡光环计算。后镜筒是指主镜的中心至像面之间的镜筒。这一设计和 计算方法也适用于一般的光学系统口羽。该方法在文献中有介绍。见图3 2 8 所示。 a 一一i 一1 一l 一1 一 1l r l 1 ： a 2 d 图3 2 8 后镜筒挡光环结构示意图 l 为镜筒长，i i l i 为主镜中心孔半径，如为镜筒口径半径。为像高。 第二部分为对杂散光的微观结构控制，其主要措施为反射表面采取诸如表面微螺 纹、表面粗糙度合理化等方案口3 l ；本章次镜结构设计中，其次镜外部结构( 如图3 1 4 所示) 装入次镜后多出的部分用的表面内螺纹来减少杂光。 第三部分为利用表面的涂层特性口引。杂散光的抑制最普通的方法是利用黑色涂层 表面来吸收杂散光。设计中所有内部件均为黑色，并刷吸光漆消除杂光。 3 3 第四章结构装配及调试 本系统t 镜足球两。所以训试时要满足九块反射镜的反射面在同球面l ，即同 心其中主要是对主镜中子镜和次镜调整。其主要凋整流挥为： 4 1主反射镜的安装与调试 4li 卡反射镜的安装 在安装前首先要利硝zy g o 干涉仪对母镜和八块予镜进 i 面形检测，有问题则重新 光学件加工镀麒没有问题之后把母镜安装在连接筒 ：用挚尉、压嘲锁紧用洒梢 己醚混台液清洗反射血安装在支撑上。如图4l 所示。 咧4l 毋镜安装结构 八块子镜与机械件川常用的胶接洼周紧，这样的结构简单、1 。岂简便、且胶接时 无斋另加压紧零件。2 4 小时胶f 后冉进行曲形检测，如果发现问题则为机械什变形 等产生的挤瓜应力使光学什而形改变，这样就要重新安装通常把机械件内孔车 车 犬地，这样就会减少时光学件的挤压应力，之后再进行枪测。没有问题则把反射卣清 洗十净，装到支撑上。如图42 所示， 幽42 把大外掣艘在加工完的球面的毛坯上 所示) ，锁紧球压盖，之后微调俯仰时 现。 于镜安装结构 ，粗调下母镜与八块于镜的位置( 如图43 则用压盖卜的微调螺钉( 如图44 所而) 寅 圈43 粗凋 最后把安装好土镜 幽5 主镜安鞋结构 412 丰反射镜的半精调 调试时先不安装次镜( 光学示意图如崮46 所示) ， 一 幽46e 反射镜光路示意幽 用z y g of 涉仪对其拼接孔径总体检测( 如图47 所示) ，大致调整微调螺钉，使 出z y g o 于涉仪发出的球面光经子镜反射回的八个光点均匀的分靠在母镜反射回的光点 周围。把反身f 光点调到十涉仪视场巾，进行半精稠这九个光点( 如图48 所示) 。 目47 橱整主镜示意图 圈48 视场中光点分布幽 调整时顺次调整单个子镜在z y g of 涉仪的c c d 上显示的光点位置，使其在指定位 置