大口径反射光学系统的支撑结构设计

　　1　引　　言

　　近年来,随着现代光学工程技术的发展,尤其是空间光学系统向口径更大、重量更轻方向发展的需要,进一步推进了反射镜技术的发展。大型光学反射镜在天文仪器及其它用途的光学探测器中的地位无疑是十分重要的,它的面形精度直接决定了仪器的精度[1]。由于仪器精度的提高,因此对大型反射镜的加工工艺提出了很高的要求。但是大型反射镜在工作运行中为了获得高的面形质量,不仅与镜子本身的加工质量有关,而且与支撑结构合理与否也密切相关。

　　2　主反射镜的支撑

　　支撑结构的合理性包括支撑结构本身的合理性,以及对于镜子的支撑点个数与最佳位置的确定。

　　2.1　支撑点个数的确定

　　众所周知,不在同一直线上的三点可以支撑任意形状的表面,如果有第四个支撑点,就需要精确的调整,这是非常困难的。所以,最简单的方式就是把光学镜直接放在刚性的三个支撑点上,对于轴对称的光学镜面,三点均匀分布在等半径的圆周上。本文中卡氏系统的主镜口径为500mm,因此镜子在支撑中,单纯的三点支撑或单圈支撑已不能满足自重情况下的面形精度要求,所以有必要采用多点支撑的方法。对于多点支撑的研究可以通过应用理论研究和有限元分析的方法,来确定满足面形精度要求的点数。经分析,在此系统中采用了九点支撑的方案。九点支撑即在已有的三个固定支撑点上分别安装三角形托架,在每个三角形托架的顶点上设置支点,三角形托架与基板之间用一根柔性轴连接,此柔性轴能够有一个微小的变形量,防止反射镜在温度变化中炸裂,这样原来的三点支撑变为两层的九点支撑[2]。支撑结构如图1所示。

　　反射镜背面如图2所示。利用小三角形块去除材料的方案实现主镜的轻量化,主要是为了减轻主镜的重量和去除主镜的残余应力,图2中的圆孔就是其主镜固定的预留孔。预留孔与支撑点之间灌胶实现连接。选用九点支撑方案主要是因为随着支撑点数目的增加,镜体自重产生的变形随之减小,但过多的支撑点会给镜面带来较大的波纹起伏,同时增加成本和加工难度。

　　2.2　支撑点位置的确定

　　在实际中,支撑点的位置与数目同样对镜面的面形质量影响很大。上面所说两层的九点支撑结构,九点分布在两个环带上,针对这样的结构,Hindle得到了最合理的排布方式。如图3所示。有关尺寸计算公式如下:

　　3　卡氏系统的调整与空间位置的保证

　　对于卡氏系统,由于次反射镜的尺寸较小,所以采用中心固定的方法。为保证其正常工作,必须严格保证主反射镜与次反射镜之间的距离。这就是说必须在安装时对主反射镜与次反射镜有调节机构。在此系统中,调节机构在次反射镜的固定中。利用三个调焦环调节,三个调焦环可以调节次反射镜的五个自由度,不包括沿光轴转动这个自由度。在调节过程中使用三个预留的工艺孔进行调节,调节完成之后,拧紧螺钉。