指向可变平面反射镜支撑方法研究

　　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以克服大口径指向可变平面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　平面镜材料的选取

　　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,同时,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由于抛光、装配、重力使用的振动变形能力就越强;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、热畸变小的的材料。

　　在表1中可以比较几种常用与反射镜的材料的属性。

　　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、可得到较好的抛光表面,而且无毒、不需要特殊设备,与其他材料相比,SiC是一种非常理想的空间遥感相机反射镜基体材料。但由于SiC生产成本高、加工效率低;材质致密性差,大尺寸SiC反射镜必须进行表面改性来提高抛光后表面粗糙度。而对于地面测试设备而言,Ze-rodur的订货渠道稳定,生产工艺成熟,加工周期更短,研制费用低,国内外均有应用先例,从这几方面因素来衡,平面基准仪反射镜材料选用德国SCHOTT公司的ZERODUR微晶玻璃。

　　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,我们选用了殷钢材料作为直接与平面镜连接部分材料。

　　1.2　支撑方案选择

　　根据反射镜支撑位置不同可以分为中心支撑、周边支撑、侧面支撑、背部支撑等。中心支撑可用于口径在400mm以下的小尺寸反射镜,周边支撑比较复杂,可以用于中大口径反射镜,但受温度的影响比较大;目前的平面基准仪中,反射镜多采用侧面支撑的吊装结构,吊装结构反射镜的主要特点是:对反射镜的自身刚度要求较高,一般为径厚比较大的实心结构,重量较大;在平面镜的指向角度沿俯仰方向变化时,会造成面形精度的下降,所以此平面基准仪采用了背部支撑方式。