主动调节刚性支撑薄膜型反射镜面形调整机构的研究

　　1　引　言

　　空间光学的发展对光学系统的轻量化提出越来越高的要求。空间光学系统中光学元件的超轻量化问题已越来越为人们所重视,解决这一问题将为整个航天 发射计划节约大量资金。最初的轻量化方法是通过机械加工或超声波钻孔在反射镜的背面或侧面打孔以减轻重量;之后,又发明了熔合法和熔合封接法制造反射镜以 及采用轻质材料铍制造反射镜。这些方法都有效地实现了光学元件的轻量化,但随着自适应光学技术的发展,及其自适应光学技术对空间光学系统像面的调节作用, 未来的空间光学系统将向着更轻的、面形可以进行自适应调整的方向发展。1989年美国发射的哈勃空间望远镜其主镜口径2.4m,镜坯由两片25.4mm厚 的玻璃片,中间夹有305mm宽的玻璃蜂窝制成,其重量为816kg磅。自适应光学技术在哈勃空间望远镜中也得到了应用。在其主镜背面装有24个致动器, 副镜背面装有6个致动器,一旦镜子发生变形,可由致动器进行调节,使聚焦光线达到焦平面。

　　2　薄膜型反射镜简介

　　1997年美国Arizona大学提出采用先进的技术,以更快的速度、相对低廉的价格制造大口径空间望远镜。望远镜的主镜称之为主动调节刚性支 撑薄膜型反射镜。这种反射镜以微重量的碳纤维混合物做框架,由光学玻璃制成的薄膜型反射镜同许多均匀分布的致动器做刚性连接,致动器可以在微电机的作用下 做步距为30nm的上下移动,通过对星点像的检测,时时调整致动器,以保持镜面面形。在Arizona大学首先制作完成的一块口径530mm,厚2mm的 模型镜中,共使用了36个致动器,每个致动器的重量仅40g,镜子全部总重量(包括碳纤维支撑架)为4.73kg。经过致动器的调整,面形精度能达到 53nm/rms。目前Ari-zona大学正在研制口径更大的薄膜型反射镜。

　　3　面形支撑与调整机构概况

　　超薄镜子的镜面面形极易发生变化,必须用一个能进行微量调整的致动器机构对面形进行调整,微量调整机构的位移步距需达到λ/20,以带动镜面实 现λ/20(p-v)的局部调整,当使用zago干涉仪进行检测时,λ=0.6328nm,微量调整机构的微动步距需达到30nm。在试验阶段,一个口径 400mm的镜子至少需要20个点来调整,也就是需要20个致动器,要真正将薄膜型镜面应用于空间光学系统,需要做大量的实验(从不同的口径到不同的厚 度),美国使用压电陶瓷作微量调整元件,通过对输入电压的控制,改变压电陶瓷的伸缩量,带动镜子的某一点产生位移,从而使镜子面形得到调整。由于压电陶瓷 价格昂贵(成品每个在400~500美元之间),在经费比较缺乏的情况下,全部使用压电陶瓷作微量调整元件是难以实现的。为此设计一套机械微动装置,来代 替压电陶瓷,或与压电陶瓷配合使用。这套机械微动装置也可实现步距30nm微量移动,其性能在试验阶段完全可以代替压电陶瓷,而成本却大大降低。