用于空间望远镜的膜光子筛

针对空间衍射成像系统对大口径、结构轻量化、空间可展开等特性的要求,设计并制作了用于空间望远镜的新型衍射元件——PI薄膜光子筛。首先,分析了光子筛的设计理论;针对空间应用的特点和原则,采用振幅型光子筛的设计思路给出设计参数;用UG软件设计并加工制作了光子筛的机械固定结构。然后,通过镀膜、光刻、刻蚀等微细加工工艺制作了PI薄膜光子筛。最后,测试了光子筛的衍射效率及成像性能。实验结果表明:光子筛在波长632.8nm处的实际衍射效率为4.916%,是理论值的73.9%。使用He-Ne激光器,选取10μm的星点孔进行星点检测,得到了理想的艾里斑图像,其直径为176.70μm,与理论极限值169.84μm的误差仅为4.04%。搭建了分辨率板成像实验,测得薄膜光子筛的实际最高分辨频率为12.2lp/mm,接近理论极限空间频率14.4lp/mm,表明实验结果与理论分析基本相符。与其它刚性材料基底制成的光子筛相比,采用PI薄膜制作的光子筛不仅重量轻,同时具有较好的成像性能,可以满足空间望远镜主镜的应用要求。     

大口径光学元件的机械手抛光

为满足大口径光学元件多模式组合加工技术(MCM)的需要,研制了JP-01型数控抛光机械手。该机械手采用柱坐标结构,ρ-θ极坐标运动方式,ρ、θ两轴联动完成MCM加工所需各种运动。运用齐次坐标变换理论和Preston方程,在分析机械手抛光过程中工件表面上任意一点的相对速度、压强及抛光时间的基础上,建立了机械手抛光的材料去除数学模型,同时求解了JP-01型机械手的位姿转换矩阵。运用所建立的数学模型对MCM加工中修正环带误差和局部误差时单个抛光盘常用运动模式的材料去除特性进行了计算机模拟。应用JP-01型机械手对一口径为240 mm,F数为1.5的球面反射镜进行了确定性抛光实验,最终面形精度达到14.6 nm(RMS)。实验表明,所测得数据与理论分析数据吻合,建立的数学模型能真实反映材料去除分布特性,可以指导抛光实现确定性加工,JP-01型机械手能够提供MCM加工所需运动形式。     

薄膜沉积多级衍射光学元件的微型制作与误差标定的研究

应用光刻和薄膜沉积技术,制作了多级衍射光学元件。对制作误差和影响误差的因素进行了分析。给出了改善对准误差的标校方法,并在实际的多级衍射光学元件制作过程中得到验证。     

地基大口径望远镜圆顶设计

圆顶视宁度是影响地基大口径望远镜成像质量重要的影响因素之一。视宁度产生的原因主要是由于空气折射率的不均匀变化导致,首先通过理论分析确定影响空气折射率的主要因素为空气的温度、速度和压力,然后借助CFD流体仿真软件,得到望远镜圆顶周围附近空气的温度场、速度场和压力场的变化,进而推算出望远镜成像光路中圆顶及望远镜附近周围空气折射率的变化情况,以评估不同结构形式圆顶所产生的圆顶视宁度对望远镜成像的影响。通过仿真分析可知,升降式圆顶更利于望远镜周围空气的温度、速度和压力的快速变化及稳定,能够减少圆顶视宁度的影响,为4 m级及更大口径望远镜的圆顶方案选择及设计提供指导。     

大口径空间光学望远镜重力卸载点布局优化方法

伴随空间光学载荷口径增大,"天地力学环境不一致"导致光学系统在轨像质严重下降,需要地面装调测试过程卸载重力。但定量的卸载点布局分析、优化方法有待完善。首先研究了大口径光学载荷1 g重力下变形机理,分别基于位置闭环和受力闭环,建立优化卸载点布局的数学模型,并通过协同仿真获得卸载点布局优化结果。利用仿真卸载实验验证不同卸载参数下,光学载荷的实际卸载效果。基于位置闭环的卸载方法将高敏感光学组件的位恣平均变化量由370μm、36″改善至72.9μm、0.3″,而基于受力闭环卸载方法的最大相对偏差约为7.4%。基于位置闭环的卸载分析方法可获得更接近0g的卸载效果,但误差敏度极高,不易工程实现。基于受力闭环的卸载方法总卸载率约75%,对卸载残差的敏感度相对较低,可满足半物理仿真实验对力学环境的模拟需求。     

利用菲涅尔衍射测量微小尺寸

在科研工程实际中,对细丝、狭缝等微小尺寸的测量通常采用夫琅和费衍射法,因为衍射暗斑间距与被测尺寸之间具有很简单的函数关系:s=λL/d。理论上,夫琅和费衍射条件是相当苛刻的,即要求L>d~2/λ,在实际应用中,考虑到光源、传感器以及被测对象尺寸之间的匹配关系,往往很难实现。本文通过理论分析与实验数据充分证明,对于菲涅尔衍射,前述函数关系也能保持极为良好的近似,为仪器结构设计提供了极大方便,同时也为提高测量精度,扩展测量范围创造了有利条件。     

地基大口径望远镜结构的性能分析

为了研究和优化地基大口径望远镜系统的整体性能,对其整系统进行了有限元建模和分析.针对1.23 m口径的光电望远镜,研究了望远镜各部件的结构特点及连接关系,论述了相关部件的简化方法,建立了整系统的有限元模型.计算了当望远镜指向天顶和水平状态时系统的重力变形情况,给出主次镜的变形结果.分析了望远镜在风载和地震波载荷作用下的...     

基于结构函数的大口径望远镜光机系统误差分配

从结构函数的角度分析和研究了大口径望远镜光机系统的评价方法。分析了基于结构函数的系统误差传递特性,利用功率谱反演得到大气扰动的数值模拟,并建立了基于结构函数的系统误差分配方法。将本文的方法应用于长春光学精密机械与物理研究所的1.23m口径望远镜进行了实验验证,结果证明了提出理论的正确性以及方法的可行性。最后将其应用于30m望远镜(TMT)三镜系统,研究了其在大气湍流下的印透效应,实验表明其在考虑了不同的视宁情况下,分辨印透峰的能力没有减弱。本文的研究对提高大口径望远镜的性价比,降低大口径望远镜在研制和使用过程中的技术风险颇有意义。     

大口径光学元件高精度平面磨床加工系统研究

以实现高精度、高效率、高自动化程度加工为目的,基于高精度平面磨床MGK7160的加工系统,详细分析了加工规划控制、计算机辅助制造软件系统开发、砂轮修整及动平衡、在位测量等关键配套工艺技术。在已有设备及配套工艺基础上利用400#粒度金刚石圆弧砂轮,实现口径400mm×400mm平面光学元件的加工,获得了较好的加工精度,验证了机床及加工技术系统的可靠性。     

空间太阳望远镜调焦机构的设计与分析

根据某型号空间太阳望远镜的光学系统特性与整机的结构方式,为了达到节约安装空间、保证成像质量的目的,设计了一种焦平面式调焦机构.该调焦机构由蜗轮蜗杆和凸轮滑槽作为传动件,将步进电机的圆周运动转化为焦平面法线方向的直线运动.调焦范围为1.5 mm,外形尺寸为167 mmx64 mmx94 mm,质量为2 kg,在底座背板和...     

空间软X射线/极紫外波段正入射望远镜研究

介绍国际上空间软X射线/极紫外波段正入射望远镜研究进展情况。着重介绍了长春光机所设计的四波段同时成像空间极紫外太阳望远镜。该望远镜由四个不同波长的多层膜正入射望远镜组成,工作波长分别为12.9nm、17.1nm、19.5nm和30.4nm,视场角为8.5′×8.5′,设计角分辨率为0.5″。为了验证设计方案可行性及关键技术水平,集成出一套17.1nm极紫外望远镜演示样机。     

空间太阳望远镜镜筒桁架的优化

空间望远镜的镜筒桁架结构优化以构件总质量等于常数为约束条件,以横向摆振频率最高为优化目标。优化分两步进行:首先以瑞雷方法和简化模型为基础,在较大范围内对可能的模型进行筛选,得出桁架分层数和每层斜杆数的最优解;然后用ANSYS软件对桁架杆、梁截面参数进行优化,得到比较满意的结果。此方法也适用对其他类似的筒状桁架的优化。     

二元光学内调焦望远物镜的设计

对内调焦望远物镜进行设计,利用二元透镜独特的色散特性,在提高成像质量的同时对传统结构进行简化。选取合适的初始结构,通过CODE V软件对物镜进行设计、优化及像质分析,得到成像质量颇佳的系统。在此基础上,对系统进行了调焦及优化,实现了对1.5m到无穷远物距在分划板上清晰成像的目的。在所有变焦范围内,系统各视场在50lp/mm处的MTF值均大于0.4,且各视场的畸变均小于0.5%。     

基于解析分区法设计闪耀全息凹面光栅

研究了制备闪耀凹面光栅的离子束刻蚀工艺,提出了用“解析分区法”设计闪耀凹面光栅的衍射效率.该方法能通过确定离子束入射角,在实验前定量给出平行离子束刻蚀后光栅衍射效率的设计结果.经过理论设计计算出所需波长衍射效率较高的凹面闪耀光栅中心闪耀角,利用刻蚀模拟软件BLAZING计算出离子束刻蚀参数及光刻胶掩模参数;以计算结果为依据,利用全息-离子束刻蚀工艺制作出尺寸为45 mm×40 mm2,曲率半径为224 mm的凹面闪耀光栅,其中心闪耀角约为9.21°,峰值衍射效率为54.8％@300 nm,250 nm处衍射效率为50％,与“解析分区法”计算结果符合较好.实验结果表明,利用“解析分区法”进行凹面闪耀光栅衍射效率设计的方法简单易行,能够有效指导平行离子束刻蚀闪耀凹面光栅工艺,完成高衍射效率凹面闪耀光栅的制作.     

空间太阳望远镜中铍摆镜的有限元分析与应用

根据空间镜面材料选择原则进行了摆镜材料优选,研制了用于空间太阳望远镜相关跟踪器中的铍摆镜,建立了铍摆镜有限元模型并进行了力学分析。重点分析了铍摆镜在承受惯性载荷和温度载荷情况下的力学性能,对其在不同工况条件下的面形和内部应力的变化做了对比。最后,与同结构碳化硅材料摆镜在上述载荷情况下的力学性能进行类比分析,结果表明:铍摆镜受到惯性和温度载荷作用时引起镜体内部应力小于材料本身的屈服强度,力学性能优于碳化硅摆镜,其面形精度:RMS为2.18×10^-6 mm,PV为1.69×10^-5 mm,一阶谐振频率为1 609 Hz。该摆镜结构设计合理,计算结果满足相关跟踪器使用要求,已经得到铍摆镜镜坯。     

非规则几何槽形光栅衍射效率自动计算方法

为了快速地自动计算非规则几何槽形光栅的衍射效率,使用MatLab软件模拟各种槽形,自动获取槽形参数,并根据这些槽形参数运用严格耦合波分析方法,计算光栅的衍射效率。结果表明所设计的计算程序能够快速自动分析非规则几何槽形并计算其衍射效率。该方法可用于循环计算槽形逐渐变化过程中的衍射效率。     

基于混合灵敏度的空间望远镜次镜调整机构鲁棒控制

次镜调整机构作为空间望远镜主动光学调整的核心组件,为实现在轨实时快速调整,其调整精度和动态性能均有比较严格的要求。机构常采用Stewart平台结构形式,基于逆运动学模型和关节空间PID控制相结合的方法,由于受到模型的非线性和不确定性、扰动及耦合的影响,难以取得较为满意的效果。为解决该问题,从机电动力学模型出发,将平台各支杆间耦合因素表征为外部干扰,建立了互相解耦的关节机电模型。依据模型辨识结果采用乘性不确定性描述模型摄动,依据模型误差界和性能指标要求设计混合灵敏度加权函数。针对虚轴极点问题,采用扩展H∞方法,将复杂动力学系统的控制器设计问题转化为堆叠S/T/KS混合灵敏度问题。在Matlab中求解得到鲁棒控制器,并在DSP中完成数字算法实现。仿真分析及试验结果表明,鲁棒控制器具有更好的鲁棒性、扰动抑制性能和动态特性,能够满足空间应用的可靠性需求。