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大口径主焦点式光学系统轻量化结构设计、分析与试验

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    引言

    主焦点式光学系统具有大视场、大相对口径和损失光能较少等特点,一般都在焦点前加入数块透镜组成像场校正透镜,扩大可用视场和消除像差等,在透镜组的末端装有成像系统。

    主焦点光学系统中,如果反射镜的形状是旋转抛物面,这种系统就没有球差。在理想像平面(近轴光线的像平面)上,以角度表示的彗差斑点的最长尺度为 3A2W/16,A 是反射镜的相对口径,W 是天体离开光轴的角距离。这样的主焦点系统只适于作单颗星的分光、测光和小视场暗弱天体的观测。有的主焦点系统,反射镜并不是抛物面的,例如 R-C 望远镜的主镜就属于这种类型,这种系统不仅有和抛物面镜相同的彗差,而且有球差,但只要在焦点前加入一块校正透镜就可以消除球差。不论抛物面镜或非抛物面镜的主焦点系统,都可以在焦点前加入数块透镜组成像场校正透镜,扩大系统的可用视场。同时由于主焦点位置处在入射光路中,为避免挡光过多,不能安置较大的终端设备。

    主焦点光学系统由于校正镜组和成像系统都在镜筒的前端,自身的重力造成的弯沉比较大,在设计时要进行充分的有限元分析,以使得结构即满足刚度要求,又满足轻量化要求。本文以某φ700mm 光电平台为对象,该光电平台为极轴式结构,由于系统的结构特点,从结构的总体重量以及刚度和稳定性等方面考虑,要求限制光学系统和四通的重量,以减小赤经轴的负载。因此四通部分采用铸铝材料,在四通实现轻量化的同时,要求光学系统的重量不超过 700kg(含主镜),这样才能保证四通在负载时的刚度和谐振频率。这就要求光学系统既要减轻重量,又要保证一定的刚度,本文基于上述要求,对φ700mm 主焦点式光学系统的结构进行了优化设计与分析。

    1 设计思想和系统组成

    主焦点式光学系统由于不存在库德光路,成像系统位于光路中,这样光学系统的机械结构就自成一个单独的系统,可以实现模块化设计,在光学系统单独装调完毕后,再整体和四通连接,这种模块化设计的优点使得整机装调变得简单,如果是批量生产,还具有互换性。

    光学系统的结构主要包括以下几个组成部分:主镜室组件、连接筒组件、校正镜镜筒组件、校正镜组件、调焦组件等,如图 1 所示。主镜室组件要保证主镜指向任意方向时,其面形均满足设计要求,连接镜筒连接在四通上,校正镜镜筒上安装有校正镜组件和调焦组件,重量较大,而且距离安装位置较远,力臂长,会造成较大的弯沉[1]

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