大口径平面基准仪反射镜支撑技术

　　0 引 言

　　平面基准仪作为一种常用的光学检测设备，在光学系统装调中，广泛地应用于光学元件的面形误差检验、光学系统装调、光学系统集成后的波像差自准检测等工作。

　　近年来，由于大口径、大视场的离轴光学系统结构的特殊性，要求装调过程中平面基准仪平面镜口径足够大且必须有大角度俯仰偏转的工作状态。在子午方向上，离轴光学系统都具有较大的视场角，要求平面基准仪至少能够具有1/2 倍视场角的转角能力。在弧矢方向上，离轴光学系统的入射光线与光轴都存在一个夹角(夹角大小根据光学系统确定)，整体系统规划中都希望光轴处于水平状态，因此，要求平面基准仪在弧矢方向上具有1 倍的夹角转角能力，也就是平面基准仪在工作过程中需要改变光轴指向来满足检测的要求，而对于大口径的反射镜而言，由于状态的改变所导致在重力场下质量分布的变化，将直接影响到镜面面形精度，选用合适的材料以及恰当的支撑方式来克服大口径平面基准仪反射镜重力变形和温度变形是本平面基准仪研制中的主要问题。

　　1 结构设计

　　1.1 设计优化流程图

　　在设计过程中借助有限元分析软件 Patran/Nastran，用有限元计算分析的方法，模拟反射镜镜柔性支撑结构工作时的环境，对设计出来的反射镜柔性支撑结构进行静力学及热稳定性分析和优化。

　　1.2 平面镜材料的选取

　　反射镜材料的选择主要考虑材料的物理性能、材料光学的可加工性能、材料力学性能以及材料的稳定性、安全性等因素。比刚度与热畸变是衡量镜面变形及受热后镜面变形稳定性的主要依据：比刚度即材料的弹性模量与密度之比，比刚度越大，单位载荷引起的变形越小。在同等条件下，材料的比刚度越大，将会使结构的刚度得到相应的提高。材料的刚度对镜面面形加工及装配等适用性有明显影响，刚度越大的材料抵抗抛光、装配、重力造成振动变形的能力就越强。热畸变即材料的热膨胀系数与导热率之比。热畸变越小，材料的热惯性越小，热稳定性也越好。因此要选用比刚度大、热畸变小的材料[1]。在表1[2]中可以比较几种常用的反射镜材料的属性。

　　SiC 材料具有明显的综合优势，其密度低，比刚度高，热畸变小，导热性能良好，且大尺寸SiC 反射镜表面改性工艺也日渐成熟[3]，可得到较好的抛光表面，而且无毒、不需要特殊设备，现已在航天和地面设备中广泛应用。与其他材料相比，SiC 是一种非常理想的反射镜基体材料。

　　由于与平面镜直接接触的支撑材料的线胀系数应与平面镜的线胀系数相匹配，我们选用了热膨胀系数与SiC 材料非常接近的殷钢材料作为直接与平面镜连接部分材料。