薄膜反射镜的静电成形

　　0 引言

　　空间光学遥感技术的迅速发展, 要求光学遥感系统视场覆盖宽、空间分辨率高, 因此需要建造口径达十米甚至百米的长焦距空间光学系统[1- 2]。大口径长焦距系统一般采用反射光学系统, 其重量主要取决于系统的主反射镜。随着口径的增大, 要求主反射镜具有低的面密度。在轨运行的哈勃太空望远镜口径2.4 m,

　　主镜面密度为150 kg/m2 左右; 计划于2011 年升空、用于替代哈勃太空望远镜工作的詹姆斯韦伯太空望远镜口径6.5 m, 主镜面密度为15 kg/m2 左右。如果继续沿用传统光学技术制造口径十米或百米的空间光学系统, 则其重量将会远远超出当今制造、运载及成本的承受能力。

　　实现大口径、低面密度空间光学系统的途径之一是主镜采用薄膜反射镜[3], 它以柔性聚合物薄膜作为反射镜基坯, 并通过适当的方式形成所需的曲面面形, 具有重量超轻、可折叠/展开和成本低等特点。因此, 研制薄膜反射镜对于发展下一代大口径、低面密度空间光学系统具有十分重要的意义。

　　薄膜反射镜的成形方法主要有: 充气成形法[4]、吊装成形法[5]、离子轰击法[6]和静电成形法[7- 9]。静电成形方法最早由Centamore 和Wirth 于1991 年提出[10]。与其他法相比, 它具有结构简单、反射镜面形易于控制等优点, 是目前最具应用前景的薄膜反射镜成形方法之一。美国亚利桑那大学利用该方法已研制出口径达1 m 的薄膜反射镜[11]。而国内有关薄膜反射镜及其成形方法的研究工作尚处于起步阶段。

　　首先介绍了薄膜反射镜静电成形原理, 在此基础上对Φ200 mm 薄膜反射镜静电成形系统进行设计,包括薄膜反射镜的固定、电极板的分布以及直流高压电路的实现等。采用ZYGO 干涉仪对薄膜反射镜面形随直流电压变化而发生的改变进行观察, 利用莫尔偏折术对成形后薄膜反射镜的顶点曲率半径进行测量,并与理论值进行比较和分析。

　　1 静电成形原理

　　薄膜反射镜静电成形原理如图1 所示, 通过施加适当的预应力, 将镀有金属反射层的镀铝薄膜展开成平面, 采用周边固定的方法固定在装置上。由一系列电极组成电极板, 在薄膜和电极板之间加上静电高压, 产生静电力, 使薄膜发生弯曲而形成凹面反射镜。通过改变电极板上所加的电压值, 可实现对薄膜反射镜面形的控制。

　　由弹性力学理论可知, 在周边固定的条件下, 若对薄膜施加均匀的压强载荷, 则薄膜的挠度为[12]:

　　式中: z 为挠度; p 为压强载荷; T 为薄膜的张力。根据静电学理论, 静电高压在薄膜表面所产生的压强载荷近似为[13]: