超薄反射镜支撑技术

　　1　引　言

　　现代光学技术对光学系统的轻量化提出了越来越高的要求,其中主反射镜是光学系统中最重要的组成部分之一,其轻重对整台光学仪器也起着关键作用。传统的作法是通过机械加工或超声波在反射镜的背面或侧面钻孔的方法来减轻重量。之后,又通过不断地采用新材料、新工艺有效地实现光学元件的轻量化。但对于大口径光学系统的反射镜,尤其是用于外空探测的望远镜,要求要达到很高的加工精度并有足够的刚度,则在轻量化设计和加工方法等方面都存在很大困难。随着大型能动光学镜制造技术的发展,采用超薄反射镜技术使这些难题的难度得以降低。超薄反射镜技术利用超薄镜直径厚度比大、易受各种外界因素影响的特点,依靠支撑镜面的几十到几百个促动器和传感器来控制镜面达到所需的面形精度。

　　目前,世界上许多国家已将超薄反射镜技术作为未来发展空间技术的重要任务,并开展了与之相应的研究、开发工作。在哈勃望远镜(HST)经多年成功的运行之后,美国航空航天局(NASA)又开始寻求一种最新型的,称之为NGST的下一代空间望远镜,它具有大体积、超轻重量的特点。马歇尔太空飞行中心已成功研制出直径53cm、厚为2cm的NGST空间望远镜样品,经测试自重引起的镜面变形为RMS 53nm;法国的光学望远镜阵列(the Optical Very Large Array-OVAL),其薄主镜的直径厚度比达到63∶1,由一套闭环系统控制的27个面形控制器,不仅可校正由于重力和温差引起的变形,也可以补偿如像散等低阶像差;印度计划建造4m口径红外望远镜,其原型机采用的薄主镜直径为27英寸(直径厚度比为34∶1),用剪切干涉仪测量波面,用径向Zernike多项式来逼近系统误差,12个三角形排列的轴向驱动器用以校正低阶镜面像差[1]。

　　由于超薄镜支撑技术的研制工程大、耗资高,有必要进行计算机仿真研究,对镜体的物理参数如驱动器排布方式、各作用点受力状况、镜面厚度等在理论上予以分析,以确保镜面RMS值能满足光学成像的要求。本文运用有限元方法对一种超薄反射镜的多个支撑方案进行分析计算,其中包括支撑点数量及排布方式的合理选择、支撑组件的优化设计,为超薄镜最佳支撑方式的确定提供了具体的理论值。与国内外文献已报导的计算结果对比[2~4],突破了以往只在裸镜上对支撑点数量、位置探讨的局限性,对超薄反射镜组件进行了详细的优化设计,从而使超薄反射镜技术向实验室阶段迈出了实质性一步。

　　2　问题论述

　　本文所研究的超薄反射镜如图1所示,直径500mm,厚度为2mm,曲率半径为3000mm,厚径比达到1∶250。反射镜材料采用微晶玻璃,支撑组件的材料采用钛合金,其材料参数如表1所示.