（航空宇航科学与技术专业论文）大口径、非球面光学反射镜装调和检测技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院1 = 学硕士学位论文 摘要 目前大口径光学系统的研制已经是航天光学遥感发展的必然趋势，本文针对 航天光学遥感的大口径、非球面光学零件的设计、装调、检测进行了研究，在设 计阶段，以背景型号为支撑，重点从边界约束条件确定、设计思路、仿真分析与 计算、方案优化、检测方案优选对比、实验过程等各个方面进行了研究，并通过 实物验证，为大型光学系统的制造提供良好的基础 大口径非球面反射镜的研制是一个非常复杂的工作，目前已经成为高质量光 学系统研制的制约条件，需要大量的仿真机算作为设计的依据，并且要通过大量 的试验验证才能够确保仿真分析的精度和准确性，目前本课题的研究也仅仅是做 了一定的探索工作，并且由于选用材料的约束，不能够选用力学、光学、热学性 能更合理的材料，随着新型光学反射镜材料如s i c 的工程化应用的成熟，在实际 工程化研制中得到应用，必然能够降低反射镜的重量，提高反射镜适应力学环境 的能力；同时作为力学、热学参数可设计的碳纤维复合材料也逐步应用成熟，由 此替代目前的钛合金材料后也必然会带来可靠性的提高和重量的下降，都为以后 的大口径、非球面反射镜组件的研制提供良好的基础。 但是前期有效、精确的力学仿真分析是提高研制质量、缩短研制周期、降低 研制风险的必要保障，针对不同应用背景的高质量大口径、非球面反射镜的研制 需求，提高设计能力以及测试精度，逐步走向精确设计，是发展的必然趋势，这 需要从设计到试验验证的多个循环，才能够提高设计的通用性，为以后新产品的 制造奠定良好的基础。 主题词：大口径长焦距非球面光学检测光学系统装调技术 第i 页 a b s t r a c t l a r g ea s p h e r i cm i r r o ri st h em o s ti m p o r t e n te l e m e n to ft h el a r g e 、h i g h eq u a l i t y o p t i c ss y s t e m ，t h em a n u f a c t u r es t e p s i n t e r f e r o m e t r i ca n dd e s i g no fm i r r o ra r er e l a t e d t e c h n i q u e s t h ef o r m e ri sa w h o l e f i e l dn o n - d e s t r u c t i v et e c h n i q u et om e a s u r et h eo p t i c a l s u r f a c e ，a n di ti sw i d e l yu s e di nt h em e a s u r i n go fh i g h eq u a l i t ym i r r o r ，e s p e c i a l l yf o r d i a g n o s i st h ee r r o ro ft h em i r r o r ；t h el a t t e rf i n d si t sa p p l i c a t i o ni nm e a s u r i n gt h e t o p o g r a p h yo fa $ n r f a c eo ft h em i r r o r , i t sc h a n g e so v e rt i m e ，a n dc h a n g e so ft h e c h a r a c t e r i s t i c so fas u r f a c e b o t ho ft h e mt a k ei n t e r f e r o g r a m 鹪t h e f tm a i no b j e c to f 麟 a r c h , a n db o t ho b t a i nt h el a s tp h y s i c a lv a l u e sf o rm e a s u r e m e n tt h r o u g h i n t e r f e r o m g r a mp r o c e s s i n g t h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e do n at h o r o u g he x p l o r a t i o ni n t oi n t e r f e r o g r a r n sp r o c e s s i n g t e c h n i q u e sa sa s o l u t i o nt ot h ep r o b l e mm e n t i o n e d i t so r i g i n a l i t yi so b s e r v e di nt h e f o l l o w i n g2a s p e c t s ：m e t h o do fm o r ei n t e r f e r o g r a m s i no r d e rt oo v e r c o m et h e m a j o rs h o r t c o m i n go ft h ee x i s t i n gf r i n g ep a t t e r n sg e n e r a t i o nm e t h o d s t h es e c o n di st h e e x p l o r a t i o no f t h ed e s i g n k e yw o r d s ：i n t e r f e r o m e t r y , l a r g ea s p h e r i cm i r r o f 、a l i g n m e n t 、s i m u l i a t i o n a n dd e s i g n eo fl a r g em i r r o r 第“页 图目录 图1 1 满足需要的光学零件面形3 图1 2 ) 。( 一6 ，c c d 正样相机装调结果 图2 1 轻量化反射镜坐标系定义 6 9 图2 2 半封闭圆孔轻量化反射镜组成部分示意图l l 图2 3 半封闭圆孔轻量化反射镜模型结构图1 l 图2 4 无凸台形式的反射镜模型1 2 图2 5 有凸台形式的反射镜模型 图2 6 有限元模型1 3 图2 7 镜面厚度为1 2 m m 的半封闭圆孔反射镜有限元模型1 3 图2 8 蜂窝夹层轻量化反射镜有限元模型1 4 图2 9 三角形孔轻量化反射镜模型 图2 1 0 三角形轻量化反射镜有限元模型图。1 5 图2 1 1 未轻量化反射镜有限元模型图1 5 图2 1 2z y g o 干涉仪光路图1 7 图2 1 3w y g o 干涉仪光路图。 图2 1 44 d 干涉仪的光路图1 8 图2 1 5 传统的零补偿法。1 9 图2 1 6 传统的法线补偿法1 9 图2 1 7 检测原理图。2 0 图2 1 8 四幅移相干涉图和一幅加入离焦误差的干涉图2 1 图2 1 9 四幅移相的莫尔图。2 1 图2 2 0 实验装置测试光路。2 3 图2 2 1 四幅移相的莫尔图像。2 3 图2 2 2 处理结果的灰度图形和三维图。2 4 图3 1 镜面厚度为1 2 t i n 的半封闭圆孔反射镜有限元模型2 8 图3 2 反射镜在工况( 2 ) 、( 3 ) 下的主矢变形变化曲线3 1 图3 3 反射镜在工况( 2 ) 下的镜面轴向变形变化曲线3 2 图3 4 反射镜在工况( 3 ) 下的镜面轴向变形变化曲线。3 3 图3 5 反射镜的最大变形量与镜背厚度的变化曲线3 4 图3 6 反射镜的镜面轴向变形与镜背厚度的变化曲线3 5 图3 7 轻量化反射镜轴向变形图。 图3 g6 个背部支撑点位置图 第1 页 图3 9 工况( 1 ) 和工况( 2 ) 的变形图3 7 图3 1 01 2 个背部支撑点位置图 图3 1 1 工况( 1 ) 和工况( 2 ) 的变形图 图3 1 21 8 个背部支撑点位置图 3 8 3 9 4 0 图3 1 32 4 个背部支撑点位置图4 l 图3 1 43 0 个背部支撑点位置4 2 图3 1 5 工况( 1 ) 的变形瞳线4 3 图3 1 6 增加背部支撑后反射镜有限元模型图。4 4 图3 1 7 半边胶圈与反射镜有限元模型图 图3 1 8 自由状态下反射镜的前十阶模态振型图 4 5 4 8 图3 1 9 包带状态下的变形图。4 9 图3 2 0 反射镜的镜面轴向变形与镜背厚度的变化曲线。5 0 图3 2 1 反射镜变形和轴向变形图5 0 图3 2 2 反射镜自重变形图5 4 图3 2 3 质量分布不均匀引起变形示意图5 4 图3 2 4 反射镜的轴向变形图。 图3 2 5 反射镜结构三维示意图。 5 5 。5 5 图3 2 6 反射镜背部支撑示意图5 6 图3 2 7 支撑点数对反射镜变形量影响5 7 图3 2 8 反射镜背部支撑、卸载形式设计结果5 7 图3 2 9 增加背部支撑后反射镜有限元模型图 5 8 图3 3 0 框底结构模型图5 9 图3 3 l 镜框变形图 图3 3 2 补偿器的球差曲线与非球面的法线像差曲线 图3 3 3 测试光路结构图 6 0 6 l 6 2 图3 3 4 波像差曲线图。6 2 图3 3 5 软件处理过程框图。6 3 图4 1 背景型号光学图6 5 图4 2 反射镜光轴垂直测试示意图6 6 图4 3 反射镜裸镜光轴水平状态测试结果 图4 4 反射镜组件光轴水平状态测试结果 图4 5 反射镜裸镜光轴铅垂状态测试结果 6 8 6 9 图4 6 反射镜组件光轴铅垂状态测试结果6 9 第1 v 页 图4 8 反射镜组件光轴铅垂状态测试结果6 9 第v 页 表目录 表1 1 不同用途空间这侦察的分辨率需求：l 表2 1 处理结果分析。 表2 2 去除倾斜和离焦后数据处理结果分析2 2 表2 3 部分补偿透镜的结构参数 表3 1 未轻量化反射镜的变形计算结果2 7 表3 2 无凸台半封闭圆孔反射镜变形计算结果2 7 表3 3 有凸台半封闭圆孔反射镜( 镜面厚度1 5 r a m ) 变形计算结果2 8 表3 4 有凸台半封闭圆孔反射镜( 镜面厚度1 2 r a m ) 反射镜变形2 9 表3 5 有凸台半封闭圆孔反射镜( 镜面厚度1 2 r a m ) 反射镜轴向变形2 9 表3 6 三角形轻量化反射镜最大变形和轴向变形3 3 表3 7 蜂窝夹层轻量化反射镜最大变形和轴向变形3 3 表3 8t - 6 1 5 - 4 0 1 5 2 5 自由边界模态分析4 6 表3 9 反射镜吊带状态下的变形分析 表3 1 0 反射镜结果最终设计计算结果 表3 1 l 未轻量化反射镜自由边界模态分析5 2 表3 1 2 结构材料性能参数对比。5 2 表3 1 3 无凸台形式自重变形计算结果 表3 1 4 自重变形计算结果 表3 1 5 部分补偿透镜的结构参数 ! ；6 6 1 表3 1 6 单片部分补偿透镜结构参数6 2 表3 1 7 校准镜的结构参数 第页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：盘望筵：韭壅亘左堂区射焦装溷狸揸型挂盔盈窥 学位论文作者签名：士a 墨i 堑日期：一年，2 月z 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留，使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：友望笙：韭韭耍发堂丛蕴篮装凋塑揸型拉盔盈窥 学位论文作者签名：5 互墨垂翌 日期：一占年l l 月1 日 作者指导教师签名：啦奎二 日期：2 一f 年f 乞月乞日 第一章绪论 1 1 研究背景 由于光学遥感器获取的信息是景物的光学信息，接近人类日常观察到的图像 信息；以可见光波作为信息载体，是被观测景物的基本外观信息，容易提高分辨 率，且系统设计理论成熟，工程经验丰富。由于这些明显的优点，所以在世界军 事和经济强国得到了广泛的应用，应用前景非常乐观。 在空间光学遥感器水平提高的进程中，世界各国在此领域的发展，大部分是 以国防需求为牵引的，在应用取得突破性成果后，广泛应用于民用项目，我国航 天光学遥感器的发展也应如此，从目前我国光学遥感的发展现状分析，在航天侦 察的分辨率指标上，还属于战略普查水平；在航天军事测绘方面，已经进入战略 目标的定位阶段；民用空间观测中，在气象预报、资源探测、测绘、海洋监视领 域进行了很好的尝试，应用前景良好。由于干分辨率光学遥感器的重要作用，全 力发展高分辨率的空间遥感器，对控制全球、打赢一场现代高科技局部战争具有 十分重大的感器战略意义，高分辨路对地遥感的重要性日趋突出。目前我国航天 光学遥的装备需求一方面是高分辨率的要求，另一方面是缩短研制、装备周期的 要求，只有以上二者的统一，才能实现我国航天光学遥感装备的高水准和系列化、 多元化。 表1 1 不同用途空间这侦察的分辨率需求 发现识别定位 分辨率( 米) 种类比例种类比例种类比例 86 3 0 2 1 0 9 6 4 6 1 2 8 5 1 0 5 0 3 1 7 9 5 1 0 5 0 3 1 5 1 51 9 3 0 1 5 7 5 9 67 3 5 0 9 2 0 1 0 0 1 7 8 5 7 3 5 o 62 0 3 0 2 0 1 0 0 9 4 5 0 32 0 1 0 0 2 0 l o o 1 2 6 0 o 1 52 0 1 0 0 2 0 1 0 0 2 0 i 0 0 由上表中对多种军用和自然目标的统计结果可以看出，为适应当前国际形势 第i 页 旦堕型兰垫垄盔兰塑塞圭堕三兰堡主兰垡丝奎 发展的需要，全面提高军队空间实时侦察能力，监视世界军事动向，评估打击效 果，必须具备较强的空间侦察能力，国家对高分辨率光学遥感器的需求越来越迫 切，只有研制出分辨率更高的高质量传输型侦察相机，才能发现并准确的识别绝 大部分的地面目标，达到战术侦察的目的。 高分辨率光学遥感器必须具备以下几个条件： 长焦距光学系统：为光学遥感器成像系统提供合适的放大率； 大口径：在光学系统衍射极限涉及县的约束下，达到较高的传递函数 ( m t f ) ，从设计上提供良好的基础； 高质量的光学零件制造质量：确保光学系统能够提供良好的光学信噪比， 保证光学系统的制造质量接近设计质量； 良好的光学零件结构刚度：确保光学系统在不同的环境条件下都能够保保 持良好的质量，确保光学遥感器的地面测试质量与在轨运行质量保持较高 的一致性。 以上条件是保证航天光学遥感器的质量必备条件。 航天光学遥感器具备明显区别于其他应用目的和环境下的光学系统的特点， 其一是小尺寸、低重量的需要；特别是在光学系统参数大幅度提高以后，无限大 的光机结构的制造已经面临极大的挑战，甚至是不可实现的；其二是高光学信噪 比成像的需要，光机结构必须简化，降低装调过程中对非球面反射镜零件加工精 度的下降幅度；在以上的设计基础上，提高装调过程中的测试精度，确保过程控 制的精度，提高保障能力。这几个明显的特点就决定了采用的技术方案，非球面 的应用是必然的选择，非球面的采用造成部分光学零件的光学表面光密度大幅提 高，要在光学面形精度、轮廓保持和测量精度、表面粗糙度这三个重点指标要求 上做大量的工作，提高光学零件的加工质量( 由于非球面光学零件的高精度加工 是一个复杂的工艺过程，本课题的研究师给予高质量非球面光学零件加工的前提 条件下，不在本课题的研究范围内) 。 通常意义上讲，高分辨率就代表着长焦距、大口径的大型光学系统，如果按 照以往的设计思想，采用折射式光学系统或者折反混合式光学系统，光学系统的 总长和焦距比将超过l ：1 的水平，光学零件的数量达到近l o 块，系统复杂程度 增加、可靠性下降，外形尺寸和重量都将按照三次方的量级提高，经费投入和研 制周期都将同比例的提高，遥感器有效通光口径的增大，将导致遥感器体积增大， 必然使遥感器的重量大幅度增加，光学反射镜的直径是现有遥感器最大反射镜的2 倍多，其重量达到5 倍左右。如此重量的反射镜，对于它的支撑、卸载、固定、 装调、检测等难题，靠现有的技术条件不可能完全解决。由于反射镜体积、重量 的大幅度增加，在轨失重对高精度反射镜面形的影响极其严重，反射镜必须进行 第2 页 轻量化制造；由于采用非球面反射式光学系统，对单片面形精度要求要比以往的 球面透射系统、折反混合系统的要求严格的多，给系统调试带来很大难度；对结 构材料力学性能的要求也更加严格。 且由于工艺水平的限制，造成高分辨率光学系统的研制本身难度增加、工程 经济性极低；非球面光学零件和光学系统的应用正是突破了这一工程局限，光学 系统结构总长和焦距比可以达到o 2 ：1 0 3 ：1 ，甚至更低，结构尺寸和重量下降到 原来的1 8 1 9 ，为今后的大型、高分辨率光学系统研制提供了可能性，是未来重 点的发展方向。 以下图l 为例，如果非球面光学零件的加工水平能达到要求的水平，光学系 统的设计就可以趋向极限，从而有效的提高光学遥感器的性价比。 图1 i 满足需要的光学零件面形 大口径非球面的应用带来以下主要技术难题： 大口径、非球面反射镜的面形精度要求提高，精度要求比投射的球面零件 提高4 1 0 倍； 检测难度增加：以往的光学零件面形测试设备比较成熟，测试精度高，但 是都是基于球面和平面光学零件的测试，到目前为止，没有形成针对非球 面反射镜高精度测试的专用设备，造成非球面测试的精度不高，可信度也 不高； 投入成本大幅度增加：由于大口径非球面的材料费用、光学加工成本、检 测设备成本都大幅度的提高，造成投入大幅度增加，加上研制周期大幅度 缩短形成的压力，所以必须提高研制成功率。 第3 页 里堕型兰垫查盔竺竺壅生堕三兰堡兰垡堡茎 按照光学遥感器总体设计的需求，在一般的太阳同步轨道( 5 0 0 公里) 要达到 像元分辨率优于o 5 m 的要求，光学系统焦距应长于l o 米，同时为提高遥感器的 信噪比，得到较高的辐射灵敏度，设计光学系统的相对孔径一般为l l o 一一1 1 l ， 这样光学系统主反射镜的有效通光口径大于l m ，实际反射镜外径还要更大。必须 通过力学仿真分析、结构优化设计，精确、可靠的系统装调及测试技术保障的方 案解决。 本课题研究充分考虑了空间遥感相机对发射和轨道运行环境的条件，研究工 作结束后，成果将直接应用于未来的大口径、长焦距航天详查相机的研制。通过 本课题的研究，掌握光学遥感器大口径反射镜轻量化、镜体支撑、卸载、装校、 检测等工艺技术，可以直接将制造工艺移植到未来的大口径、反射式光学遥感器 的研制中，为缩短大口径、高分辨率空间光学遥感器的研制周期，提高研制质量 奠定良好基础。 小结：高比刚度、高质量的非球面光学反射镜是高质量、低重量、小尺寸光 学遥感器研制的必要条件。 1 2 国内外研究概况、水平和发展趋势 从设计角度来讲，大口径、非球面光学系统设计技术已经不是制约瓶颈，随 着计算机技术的广泛应用，光学c a d 技术有了迅猛的发展，各种先进的光学设计 软件陆续面世。光学设计软件的功能日益丰富和完善，适用的范围越来越广泛， 可以设计出各种球面、非球面、柱面、超环面等各种面形，可以设计同轴、离轴、 折反、甚至多重结构的各类光学系统。同时，可以使用多种评价函数，进行像质 的评价计算，可以进行加工制造的辅助计算等。目前，国际上先进的光学设计软 件有o p t i c a lr e s e a r c h a s s o e i a t i e s ( o r a ) 开发的c o d e v 软件、f o c u ss o f t w a r e 公司 的z e m a x 软件，此外还有a e c o s 、l i g h t o o l s 以及国内自行研制的s o d 8 8 、g o l d 等光学设计软件，这些设计软件都比较成熟，在光学系统设计及优化过程中都起 到了良好的作用。 随着光学材料、光学加工制造技术的发展，大口径、非球面等光学元件的加 工有了重大的进展。美国i t e k 公司和a r i z o n a 大学光学中心率先机行了计算机控制 光学表面成型技术( c c o s ) 的研究，国内长春光学精密机械与物理研究所、南京 中科天文仪器有限公司、苏州大学等单位已经完成或开始加工多个较大口径的非 球面反射镜，加工精度都能够满足系统集成的精度需要。 当光学设计、加工技术取得重大突破后，光学装调技术就成为保证系统质量 的最终屏障，传统的装调工作，往往依靠相对简单的仪器设备还有具有丰富装调 经验的技术人员来保证。这种模式已经无法实现大型、复杂、高精度、高效率的 第4 页 国防科学技术大学研究生院t 学硕士学位论文 光学系统装配工作。因此计算机辅助装调技术就成为解决该问题的关键技术，计 算机辅助装调技术就是特制应用数字激光干涉测量技术为主要手段，以误差定位 和判断为辅的光学系统装调技术。 在空间技术领域，1 9 7 0 1 9 8 5 年美国i t e k 公司提出利用计算机辅助装调的思想， 并对一个高分辨率、全反射、大视场角的系统进行了模拟调试。a r i z o n a 大学光学 中心于1 9 8 7 1 9 8 8 年利用哈德曼法和反向优化法进行了仿真，试验结果表明此方 法可行。美国s a n t ab a r b a r a 研究中心与1 9 8 7 年实现第一台离轴反射式望远镜的装 调，大大缩短了装配周期。 哈勃望远镜1 9 9 0 年入轨后发现主镜残余球差较大，因此在地面，通过计算机 辅助装调技术对校正镜进行调试安装，1 9 9 3 年由宇航员把地面调整好的校正镜在 轨与原系统配装，彻底改善了h s t 的成像质量。 1 9 9 9 年美国b a l l a e r o s p a c e & t e c h n o l o g i e s 公司利用计算机辅助装调技术，在半 个月的时间内完成了q u i c kb i r d 2 相机的系统调试工作，系统的波像差r _ m s 达到 x 2 5 ( = 6 3 2 8 n m ) 。 与此同时，世界许多国家都在致力于这方面的研究。1 9 8 8 年以色列光电工业 公司成功地完成一个口径2 0 0 m m 、相对孔径1 1 0 的两镜系统的装调。 法国高分辨率光学成像公司于1 9 9 4 年对一个小型两镜望远镜( b o w e n ) 进 行计算机辅助装调，同时其利用计算机辅助装调技术装调的“3 s ”相机，在总装 阶段只用了1 周时间。 此外，英国也于上世纪9 0 年代展开这方面的研究与应用工作，分别完成了天 文望远镜以及一些多元件的高质量无像差照相机的调试工作。 另外，对于新型空间激光武器系统、民用光刻机技术都采用计算机辅助装调 技术对其中的复杂光学系统进行装调。 国内从上世纪9 0 年末开始进行计算机辅助装调技术的研究，主要针对三反同 轴、离轴系统以及紫外投影光刻机的装调展开的，另一部分侧重于装调的理论研 究。 2 0 0 0 年长光所开始对离轴非球面光学系统进行模拟装调，2 0 0 4 年利用该技术 完成该相机的装调工作。 2 0 0 2 年长光所应用光学国家重点实验室金春水等人对一紫外投影光刻机进行 模拟装调。 2 0 0 1 年北京理工大学梁列国研究了以畸变为像质评价指标、基于神经网络的 计算机辅助装调技术，对一个c a s s e g r a i n 系统进行了模拟装调。 从上世纪末开始，五。八所开始展开计算机辅助装调的相关研究工作，并应 用该技术完成预研项目“轻型高分辨率c c d 相机”的计算机辅助装调工作。以此 第5 页 垦堕型兰塾查盔竺竺窒生堕三兰堡土竺堡丝苎 为基础，完成了“x x - - 6 ”c c d 相机鉴定相机与正样相机的装调。经过这几年的 研究摸索，已经逐步完善计算机辅助装调的具体技术路线，形成了自己独特的装 调工艺。按照现有的水平，利用计算机辅助装调的技术，完成“x x 一6 ”c c d 相 机装调的时间只需要2 个月。 图1 2 。x x ”c c d 相机光学系统装调结果 虽然国内相关单位在近几年内已经展开了非球面光学反射镜装调的研究与实 际应用，但在“十五”以前期间，主要针对中小口径非球面反射镜进行研究，对 大口径、非球面光学反射镜装调研究尚未完全展开。此外，与国外相比，理论研 究相对薄弱，装调完成的相机还没有经过在轨考验，与国外仍然存在较大的差距。 同时由于该项技术的先进性，对于光学遥感器的研制方而言，都把此技术作为自 己的核心技术。 光学面形测试设备方面，国内主要的干涉仪研制单位有北京理工大学、南京 理工大学等多个单位，研制的多台数字激光干涉仪都已经在球面、平面反射镜的 测试中大量应用，由于这种测试设备已经比较成熟，在此就不再赘述。 第6 页 1 3 论文的主要内容和结构安排 本文的主要研究内容可以从以下几个方面进行论述： 反射镜机构优化设计：提供良好的反射镜比刚度设计结果，为反射镜的加 工、装调、检测提供良好的基础； 反射镜支撑机构设计：为反射镜组建的装调、反射镜组件与主承力机构连 接奠定基础； 非球面测试；通过大口径非球面测试原理、补偿元件研究，为反射镜装调 过程的测试和最终结果的保障提供条件。 通过以上三个方面的研究，覆盖大口径非球面反射镜组件的关键技术环节， 确保能够具备大口径非球面反射镜组件的研制能力。 本文以大口径、非球面光学反射镜为研究对象，以大口径反射镜结构仿真分 析、光机结构设计、非球面测试、实物验证为主线，重点在于理论仿真分析与试 验验证相结合，重点在以下几个方面开展研究： ( 1 ) 大口径、非球面反射镜组件应用环境条件分析； ( 2 ) 仿真分析； ( 3 ) 设计方案、检测方案； ( 4 1 实物验证。 论文共分五章： 第一章为绪论。重点介绍国内外研究现状、背景需求、重点需要解决的难题 等，相关介绍本课题的应用背景、设计依据。 第二章重点介绍设计内容，仿真分析手段以及设计过程中重点考虑的问题。 第三章为设计方案与设计结果、检测方案。详细介绍设计结果、装调方案， 大口径非球面反射镜零件以及组件级支撑状态、检测方案 第四章为实例验证。详细介绍以某背景型号为实例的设计结果及试验验证结 果。 第五章为结束语。对全文的主要研究内容及创新成果进行了总结。 第7 页 第二章大口径非球面反射镜的轻量化研究 2 1 引言 大口径非球面反射镜是光学系统中最为重要的光学零件，其设计及制造质量 能否满足总体性能指标的要求是该相机研制成败的关键。考虑到为满足遥感器发 射入轨阶段的力学环境要求，以及在轨微重力场环境与地面重力场条件下的测试 结果一致性问题，一方面要满足反射镜在不同受力条件下的反射镜变形都在系统 研究范围内，同时也要考虑反射镜结构形式的可加工性，并尽最大程度降低反射 镜重量，需要对主镜以及主镜的支撑结构进行分析及优化设计，主要包括以下内 容： 轻量化反射镜( 微晶玻璃) 结构分析技术研究 大口径轻量化反射镜结构分析支撑技术研究 大口径轻量化反射镜面形精确检测状态研究 本章内容的结构安排如下：以光学系统设计对反射镜光学面形要求指标为依 据，通过对反射镜的多个参数条件下的反射镜面形变化进行定量比较，分析趋势， 得到优化结果，采用的分析方法为有限元力学分析方法，通过有限元模型的建立 和变形量计算对比，得到反射镜的最终优化结构形式。 2 2 轻量化反射镜结构分析技术研究 大口径非球面反射镜尺寸初步选定为m 1 0 0 0 m m x 2 0 0 m m ，材料选用微晶玻 璃，未轻量化实心镜胚质量达3 7 6 k g 。为了达到2 2 节的要求，必须对反射镜进行 清凉化设计，轻量化率应达到5 0 。 反射镜坐标定义如下： 第8 页 图2 1 轻量化反射镜坐标系定义 有限元模型的分析坐标系( 见图) 采用直角坐标系，具体描述如下： 原点：反射镜镜面( 椭球面) 中心； x 轴：指向镜面轴向； y 、z 轴：相互垂直，与x 轴组成笛卡尔坐标系。 有限元模型单位：质量t ( 吨) 、长度h a i t i ( 毫米) 、时间s ( 秒) 。 本文根据设计要求，针对不同结构模型，应用m s c ，p t ra n 有限元软件，建 立大口径反射镜的有限元模型；并采用m s c 小a s t r a n 进行了以下分析内容。在 以下四种不同工作状况下，对不同结构形式的反射镜进行自重变形分析： a 镜体竖直放置( x 轴水平) ，载荷为自重，边界条件分别按以下三种情况计 算。 反射镜周边固支边界条件 下半边1 8 0 ”固支边界条件 下边1 2 0 ”固支边界条件 b 镜体水平放置( x 轴竖直向上) ，镜面朝上，载荷为自重，边界条件为反射 镜周边固支。 根据大口径反射镜的最终轻量化方案计算结果，选定合理的轻量化及结构形 式。 根据光学设计给出的主镜曲面( 椭球面) 方程： y 2 + 0 0 3 3 9 4 7 x 2 - 6 3 1 3 3 8 x = 0 绘制主镜表面曲线，化曲面方程为标准形式，定义相应的参数f l ，值为 1 7 1 3 3 e + 0 4 ；参数b ，值为9 2 9 8 9 e + 0 4 ；参数c ，值为9 2 9 8 9 e + 0 4 选取笛卡尔( c a r t e s i a n ) 第9 页 国防科学技术大学研究生院1 = 学硕士学位论文 坐标系为曲线方程的参考坐标系，曲线方程为： f x = b c o s ( t 1y = a s i n ( t ) - 5 。 t 5 。 l - z = o 反射镜轻量化方案有背部直盲孔、半封闭孔和夹层结构三类，其中轻量化孔 又分为圆孔、蜂窝孔和三角形孔等多种打孔方式，本次分析分别对下面三类轻量 化反射镜进行分析： 半封闭圆孔轻量化反射镜 三角形孔轻量化反射镜 蜂窝夹层结构轻量化反射镜 虽然蜂窝夹层结构的轻量化结构形式不具备可加工性，但是从多个研究机构 的研制经验来看，确实是一种比刚度较好的结构形式，所以在此仍然进行部分分 析工作，以验证其他模型和分析结果的正确性。 针对上面不同的构形方案，通过改变轻量化方案的模型尺寸参数进行优化设 计，以满足相机对反射镜的要求。 1 、轻量化反射镜的有限元模型简介 在应用p a t r a n 手工划分单元，建立各种轻量化方案的有限元模型时，首先 需要根据分析要求，对模型进行合理的简化来保证模型计算结果的准确性。 模型材料参数： 根据需要，采用微晶玻璃材料参数分别为： 弹性模量：e = 9 1 0 1 0 9 2 1 0 1 0 n m 2 ； 泊松比：“= 0 2 4 31 0 2 1 ： 密度：p = 2 5 3 1 0 3 2 5 x 1 0 3 蜘。 2 、半封闭圆孔轻量化反射镜模型的简化 根据半封闭圆孔轻量化反射镜的结构特点，将半封闭圆孔轻量化模型分为镜 面、中间体和镜背三部分，其对应部分见图。镜面为椭球面，中间体与镜背分别 打圆孔进行轻量化，其中中间体圆孔的直径大于镜背圆孔的直径。 第1 0 页 图2 2 半封闭圆孔轻量化反射镜组成部分示意图 由于镜面与中间体的交接面是与镜面平行的椭球面，而且存在一个倒角，如 图4 3 所示，这样无法进行手工划分单元；根据轻量化反射镜的分析要求，对镜面 与中间体的交接部分进行简化，在手工建立单元时，将镜面看成一个曲面柱体， 如图4 4 所示。 图2 3 半封闭圆孔轻量化反射镜模型结构图 在对半封闭圆孔轻量化反射镜模型手工划分单元时，采用8 节点六面体实体 单元或者2 0 节点六面体实体单元建模。 半封闭圆孔模型有两种结构形式，其主要区别在于在轻量化反射镜的外边缘 处有无凸台的，其模型结构示意图见下图 第1 1 页 图2 4 无凸台形式的反射镜模型 图2 5 有凸台形式的反射镜模型 ( 在以后的文章中针对有凸台形式的半封闭圆孔的模型全部采用以下的命名 形式：t t 2 - t t 1 h 1 4 3 ) 。 对以下两种无凸台半封闭圆孔反射镜方案的设计模型，采用8 节点六面体单 元和6 节点五面体单元，根据模型简化方法手工建立有限元模性。 第1 2 页 图2 6 有限元模型 镜面厚度1 2 r a m 的半封闭圆孔反射镜的建模与计算 针对镜面厚度为1 2 r a m 半封闭圆孔反射镜模型，通过改变镜背厚度为o m m 、 5 m m ，8 m m ，o m m ，1 4 m m ，2 0 m m ，2 5 r a m ，3 0 m m ，3 5m i l l ，4 0 m m ，4 5m i n ， 5 0 r a m 等1 2 个有限元模型。其有限元模型图如下图5 1 0 所示。 图2 7 镜面厚度为1 2 m m 的半封闭圆孔反射镜有限元模型 3 、蜂窝夹芯结构轻量化反射镜模型的简化 对于蜂窝夹层结构轻量化反射镜模型采用与半封闭圆孔轻量化反射镜模型相 同的方法进行简化。 针对蜂窝夹层轻量化模型的结构特点，采用体单元建立起其有限元模形图， 如下所示。 第1 3 页 图2 8 蜂窝夹层轻量化反射镜有限元模型 4 、三角形孔轻量化反射镜模型的简化 对于三角形孔轻量化反射镜模型，根据三角形轻量化反射镜的结构特点，采 用板单元建立三角形轻量化反射镜模型。 图2 9 三角形孔轻量化反射镜模型 三角形孔轻量化模型的建模与分析： 针对三角型轻量化模型的结构特点，采用板单元建立起其有限元模形图，如 下所示。 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图2 1 0 三角形轻量化反射镜有限元模型图 5 、未轻量化反射镜的建模与分析 图2 1 l 未轻量化反射镜有限元模型图 上图为未轻量化反射镜的有限元模型，采用2 0 节点六面体单元，共有2 1 7 2 0 个节点，4 5 0 0 个单元。 6 、反射镜结构设计判定依据： ( 1 ) 参数优化后变化反射镜面形变化不明显； ( 2 ) 面形变化满足光学系统设计要求； ( 3 ) 在支撑条件下重力沿x 向和y 向两个的自重变形均满足光学表面精度 的需要； 第1 5 页 2 3 反射镜支撑设计 2 3 1 轻量化反射镜背部支撑优化分析 优化分析的边界条件：镜体水平放置( x 轴竖直向上) ，镜面朝上，载荷为自 重，通过对背部支撑点的数量和位置的改变进行分析比较，对背部支撑进行初步 的优化分析；并在此基础上，对镜体竖直放置( x 轴水平) ，载荷为自重，周边固 支边界进行分析计算。 具体工况描述如下： ( 1 ) 镜体水平放置( x 轴竖直向上) ，镜面朝上，载荷为自重，反射镜周边 固支；选取不同的背部支撑点。 ( 2 ) 镜体竖直放置( x 轴水平) ，载荷为自重，反射镜周边固支；选取不同 的背部支撑点。 轻量化反射镜放置于镜框时，在透镜底面由胶圈支撑，为了减少反射镜模型 变形的影响因素，不将胶的因素考虑在内，只对反射镜背部在不同的刚性支撑情 况下进行静力变形分析；因此，将反射镜背部的支撑作为固支边界条件来处理， 通过对背部支撑点的个数和位置选取来进行计算分析。 2 4 光学零件检测方法 本课题采用的大口径非球面反射镜是可以应用于未来的长焦距、大口径光学 系统中，这种系统一般采用共轴的非球面光学系统，光学设计选择了同轴偏场三 反光学系统作为光学系统型式，其中主反射镜为的口径就是光学系统的通光口径， 一般采用接近抛物面的椭球面，相对孔径为1 1 3 左右，非球面堵截进1 0 0 波长， 本位就是针对这种大口径非球面的检测方法进行研究。可供选择的检测方式有以 下几种： 零补偿器法：零补偿器法是在检测光路中加入补偿器，使出射光线的球差与非 球面产生的球差相抵消。 零像差法：零像差法是利用北侧零件的光学特性，在成像共轭点，将点光源精 确置于二次曲面的一个几何焦点上，则由表面反射的光线形成球面波的球心与另 一个几何焦点重合。凹椭球面不用辅助镜就可实现独立检测，其它二次曲面无像 差点检验均要用一辅助镜。 本课题中大口径反射镜为凹椭球面，非常接近抛物面，因为远焦点达到几十米 以上，所以不具备零像差法的检测条件，需用口径大于被测零件且中间开孔的平 面反射镜进行检测。如此大口径的平面镜不仅加工困难，而且由于中间开孔使通 用性降低，所以零像差法在工程上实现难度极大、投入非常高，不适用于本课题 第1 6 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 研究的使用。 以上仅是在监测的基本原理上作亮简单的介绍，从测试设备方面，也有几种 方法可选，主要有星点检验法、阴影大扫描法、数字激光干涉测量法、全息法等， 从设备成熟度、可精确定量化、检测独立性方面讲，干涉仪由于在仪器灵敏度、 测量精度等方面普遍优于其它光学测量仪器，再加上在测量方法上一般都是非接 触检测，所以是高精度光学测量仪器中常用的重要仪器。可用来测量光学零件的 面形( 平面、球面、非球面) 、光学系统的波象差等多种口径光学元件的测试，并 且随着激光器的产生及电子计算技术发展，将激光干涉仪和电子计算机综合起来， 出现了许多新的干涉计量技术，它们提高了相位分辨和空间分辨能力，进一步提 高了测量精度和数据处理速度，实现了实时测量。以下为国际上各种最为先进的 干涉仪： 图2 1 2z y g o 干涉仪光路图 第1 7 页 图2 1 3w y g o 干涉仪光路图 图2 1 44 d 干涉仪的光路图 以上各种先进的干涉仪的测试重复精度往往可以达到p - v 优于 1 0 0 ，r m s 优于 1 0 0 0 ，因此干涉法是目前计算机辅助装调技术中采用最为广泛的检测方法。 但是这些干涉仪都是基于平面和球面的测试，测试精度依赖于标准参考平面或球 面的精度，判读精度取决被测光学面与标准面的差异，所以要解决非球面测试的 难题还需要补偿技术的支持，以下是补偿技术的比较和分析： 第1 8 页 ， 图2 1 5 传统的零补偿法 图2 1 6 传统的法线补偿法 以上的补偿技术都需要通过补偿器的设计和制造，将被测非球面的非球面度 以及光焦度补偿到与标准参考面完全一致。 近几年的计算机技术与数字仿真技术的发展推动料数字激光干涉技术的广泛 应用，特别是虚拟波面生成与虚拟干涉技术的应用，有效的克服了以上的基于零 像差补偿的局限性，在研究了非球面检测的各种方法后，本课题将应用部分补偿 原理和数字莫尔移相技术的非球面检测方案，该设计采用部分补偿透镜，利用改 进的菲索干涉光路，得到包含被测面误差信息的实际干涉图形，利用数字莫尔技 术使其与计算机虚拟构造的干涉图进行叠加，采用数字移相技术处理出所需的非 球面面形误差信息。 第1 9 页 i 一一一一一一一一广一一一一一一一 数字莫尔移! ：相干涉技术i i 一。1 一。一。 广一一。一i 被测非球面l ：面形误差信： 图2 1 7 检测原理图 菲索干涉仪的光路在准直镜前进行分光，可避免准直镜的杂光干扰。在实际 干涉仪中，测试