0.5m超薄镜主动支撑面形校正及实验

　　1　引　言

　　大口径主动支撑超薄镜最初是应美国航天局提出的下一代空间望远镜NGST项目的要求而逐渐发展起来的,它也是人们追求更轻和更高质量空间光学系统的必然结果。为了适应该项目最初关于主镜面密度必须在15 kg/m2以内的要求,亚利桑那大学光学中心率先提出并研制了超薄镜[1]。该中心在1997年研制成功了直径为53cm,厚度为2 mm,材料为ZERODUR的超薄镜,在薄镜下方有36个致动器与反射镜做刚性连接,通过致动器调节,超薄镜面形精度RMS达到33nm,而整个系统的重量仅为4.73 kg(包括镜面、支撑结构、致动器等)。随后在2001年又研制了外接圆直径为2 m,厚度为2 mm的六边形超薄镜,主镜面密度仅为13 kg/[2]。超薄镜较传统主镜轻量化后的面密度下降了1个数量级。就国内而言,长春光机所在主动支撑超薄反射镜领域率先开展了一些工作[3-4]。苏州大学也在进行超轻超薄反射镜的主动支撑和加工工艺等相关技术的研究[5-8],现已研制出口径为500mm,厚度为2 mm的超薄球面反射镜样品。本文主要介绍该超薄镜的主动支撑方案、致动器作用力的优化计算和该支撑方案对预设的面形误差的校正情况,并结合0.5 m超薄镜样品的面形测试结果,进行了仿真和实验分析对比,最后对实验结果进行了总结。

　　2　0.5 m超薄镜和主动支撑方案

　　超薄镜尺寸如图1所示,其外径为500 mm,曲率半径为2 500 mm,等厚,厚度为2 mm,材料为ZERODUR。

　　利用有限元软件MSC Patran/Nastran研究了超薄镜的主动支撑,有限元建模的各项参数如表1所示。

　　结合文献资料[1]及前期研究[8],设计了如下的致动器排布方案(见图2和表2)。其中第二圈的3个致动器在有限元分析里作为定位点。

　　超薄镜支撑系统主要由超薄镜面、耦合部件、面形致动器及支撑底板4部分组成,由于研究的无功耗锁定面形致动器还不能满足实际使用的需要,这里选择了带有差分螺纹的日本Mitutoyo公司的MHF2-13F型螺旋测微器(其最小刻度达0.5μm,实际测试表明其灵敏度可小于0.1μm)作为Φ500 mm超薄镜的面形致动器,支撑底板也随之改用高强度铝板材料。耦合部件由镜面连接法兰、球头连接、永磁体和过渡法兰组成(图3所示),经过优化超薄镜中耦合部件的镜面连接法兰、球头连接、永磁体和过渡法兰外径都为10 mm。实际使用中,手动调节螺旋测微器,通过磁力改变超薄镜面形。

　　3　超薄镜面形控制及误差分析

　　实现镜面受控变形实质上是确定反射镜面形变化量与各个致动器作用力之间的关系[9]。用D表示镜面面形变化量,F表示各个致动器所施加的作用力,则镜面主动变形问题可归结为求解以下方程: