1.5m垂直状态真空平行光管主镜支撑结构设计与分析

0 引言

　　平行光管是光学检测中的重要工具，其主要光学结构是由一个像质非常好的主镜及放在其焦平面上的分划板等附件组成。根据主镜结构又分为透射式与反射式两种，透射式光管受透射镜材料的限制一般用来检测可见光光学系统.而且它的口径不能做到很大，最大不能超过 400mm，这样就难以对大口径光学系统进行标校检测。而反射式光管的主镜口径可以做到很大，采用非球面的面形可由一块反射镜得到完美像质。因此反射式平行光管得到了越来越广泛的应用，尤其是在如今大型航天光学遥感器和经纬仪越来越向着大口径方向发展，必须有能与之相匹配的光学检测设备，大口径长焦距平行光管的研制越来越重要[1,2]。

　　本文所讨论的平行光管为垂直状态，可以实现对光学仪器的垂直检验，为了更加真实的模拟光学遥感器在太空的工作环境，要求平行光管的工作状态为真空。大口径主镜作为平行光管主要元件之一，其面形精度至少要比被检件的精度高一个量级。因此主镜的面形精度直接决定了平行光管的检测能力。

1 系统光路工作原理及指标

　　本方案采用非球面反射式光学系统，其光路图如图 1 所示。主镜采用抛物面，主镜的材料采用由长春光机所自行研制的 SiC 材料，轻量化镜体。在侧面的焦面处放置一光源，光线经罐体上的光学窗口，依次反射到三镜、次镜、主镜，经主镜后由平行光射出。

　　为实现垂直检测，平行光管的光机结构为立式结构，放置在一个空间环境模拟实验设备内(简称立式真空罐)，共同完成空间有效载荷的热光学实验，如图 2 所示。系统焦距为 50m，有效口径 1.5m，系统各视场平均波像差优于 0.05λ(λ=632.8nm)，工作温度为-10℃～30℃，针对 SiC 材料线膨胀系数比较大的特点，系统采取一定的温控措施。系统的谐振频率大于 50Hz。

2 主镜支撑结构的设计

　　1.5 m 主镜是平行光管的主要光学元件之一，其支撑结构的设计直接影响主镜的面形精度，主镜支撑设计的基本原则是：以最少的支撑点，使主镜在复杂的环境条件下的变形最小，并且主镜的变形和主镜室的变形分离开，不能把主镜室的变形传递到主镜上。

2.1 支撑方式的确定

　　主镜的支撑方式分为被动支撑和主动支撑两种，对于大口径主镜来说，被动支撑应用比较广泛的结构形式主要有杠杆平衡重式和 whiffle tree 形式，杠杆平衡重支撑方式原理和结构简单，但是会降低系统的谐振频率，增大系统的重量[3]。whiffletree 支撑方式是基于 Kinematic 原理的具有自动平衡能力的结构，它可以通过设计者的精确设计，为每个支撑点提供设计者所需要的支撑力[4]。