光学拼接镜面微位移主动调节机构的设计和实测

　　1　引　言

　　为降低造价和获得良好像质,大型天文望远镜多采用拼接镜面主动光学技术,应用现代传感和控制技术,由较小尺度的子镜拼接成大口径的镜面[122]。为实现主动补偿和达到光学成像要求,调节工作行程须达亚毫米级,分辨率达50 nm。目前国际上大型拼接镜面望远镜多采用大行程精密位移促动器,并采用精密位移传感器进行实时检测和闭环控制[324]。在自适应光学系统中,有时也采用单元镜片拼接构成变形镜[5],由于其工作频率要高得多(100Hz以上),一般采用压电陶瓷技术实现子镜位移的高速调节,但压电陶瓷机构工作行程微小(微米量级),不适用于需要大行程的主动光学校正系统。

　　由若干块对角直径为1.1 m六边形子镜拼接而成的天文望远镜平面反射镜面,要求在回转观测范围内位移主动校正行程不小于±1 mm,分辨率不大于50 nm[1]。这是典型的大行程高分辨率微位移机构。选用了位移促动器并引入杠杆和平衡机构设计制造了该微位移调节系统,并根据拼接镜面的工作原理,对之进行了实测,检测结果表明该位移调节机构的位移分辨率可达12 nm,且调节和传递性能稳定,线性良好,相对误差约5.6%,与理论值符合得很好。

　　2　拼接镜面工作原理

　　拼接镜面工作中,为了保持或实现某种光学面形,每块单元子镜通过3组适当的微位移调节机构主动调节或补偿子镜的倾斜和轴向平移(离焦),并在相邻子镜间安装位移传感器来检测相邻子镜边缘的高度差,从而获得各子镜位移主动补偿调节量[3]。参见图1,则各位移传感器S的值仅与相邻的2块子镜的位置姿态有关,即仅与相邻两块子镜的位移调节机构P(各有3组)的值有关,为

　　式中ai是和S及Pi几何位置相关的常系数。所有位移传感器的读数值都有类似式(1)的方程,从而构成线性方程组:

　　写成矩阵形式

　　式中系数矩阵[A]由图中几何位置及尺寸确定。控制系统计算机获得该线性方程组的解,取反,并驱动微位移调节机构Pi进行主动补偿调节。

　　3　微位移主动调节机构的设计[628]

　　文献[4]采用位移促动器和杠杆机构设计了子镜微位移调节系统,但该望远镜无俯仰回转运动,故实际上子镜无工作姿态的变化,故位移促动器负载是恒定的。我们的设计技术要求子镜位移调节量±1 mm,分辨率不大于50 nm,且拼接镜面工作中将回转达到不同仰角,范围为32.3°~82.3°[9]。

　　如图2,子镜的位置及姿态(倾斜和离焦)则由位于下层的位移调节机构来主动调节子镜基板的位置及姿态完成的。根据当前选用的位移促动器(美国DiamondMotion公司出品),其承载能力最大为100磅(约45 kg),工作行程为约6 mm,分辨率为50 nm[10]。直接应用该位移促动器,则行程有余,但承载能力不足,分辨率也未必达到技术要求;况且拼接镜面工作中将回转达到不同仰角,使得直接应用的位移促动器不在一个恒定负载的情况下工作,影响位移促动器的位移输出精度[10]。为此,设计中考虑一套对应于3个位移促动器的3组杠杆平衡配重机构,首先平衡卸荷被调节部分的自重,然后采用弹簧产生固定数值的弹簧拉力,使位移促动器在一个与镜面俯仰角无关的恒定压力负载下工作。同时,为放大位移促动器的负载能力、提高其分辨率和缩小误差,在每组杠杆平衡配重机构的另一端又设计一个缩比4∶1的杠杆机构,二者共用支点,如图224,从而每一个支撑接触点最大负载可达180 kg而行程为1.5 mm,满足设计技术要求。杠杆的设计中保证了位移输入点、输出点为点接触,且与杠杆支点共线。这样,3组位移促动器同时或独立的推进或后退可实现子镜面的姿态的主动调节控制,且位移促动器工作负载恒定,子镜输出位移分辨率提高4倍,机构误差则减少4倍,从而大大提高整个位移调节机构系统的性能。