基于TMT三镜的半主动光学面形校正技术研究

发布时间：2017-12-13 16:42

  本文关键词：基于TMT三镜的半主动光学面形校正技术研究

  更多相关文章： TMT三镜系统 大口径平面镜 低阶像差 半主动光学 力矩校正

【摘要】：伴随着多学科的快速发展,作为天文观测设备的地基大口径望远镜也有了长足的进步。总结近几十年望远镜的发展历程可以发现,地基大口径望远镜正朝着长焦距、大口径、薄镜面、拼接式的方向发展。在重力载荷、温度载荷的影响下,地基光学设备光学系统的低阶误差更为明显。传统上,这一影响主要依靠支撑系统的性能保证,而缺乏一种高效便捷的低空间频率误差的校正方法。设计、加工一套适用于地基大口径望远镜的低阶误差校正系统是如今国内大口径望远镜支撑技术所面临的难点。本文以国际合作项目三十米望远镜(Thirty Meter Telescope)三镜系统为依托,研发了一套基于半主动光学的、可校正低阶面形误差的系统。TMT三镜是一块椭圆形实体平面镜,口径为3.594×2.536×0.1m(长轴×短轴×厚度)。有别于传统望远镜中的三镜,TMT三镜系统具有两维高精度跟踪指向的功能,因此,TMT三镜需要在多种重力工况下严格保证面形指标。三镜的面形指标可以划分为高频面形误差和低频面形误差,本文针对镜面低频误差基于力矩校正原理设计了一套半主动力矩校正系统——Warping Harness。具体完成了以下几个方面的研究工作:(1)在概述了国内外地基大口径望远镜发展历史的基础上详细阐述了大口径光学元件的支撑形式,提出了一种介于被动支撑与主动光学之间的支撑方法——半主动光学支撑。(2)研究了大口径望远镜主镜支撑系统的相关理论,具体包括用于支撑点优化的多点支撑理论,镜面面形评价标准,像差理论以及柔性铰链理论,为设计和优化半主动光学支撑系统奠定了理论基础。(3)根据TMT三镜的低阶面形指标要求,并借助于Solidworks三维建模软件,完成了用于面形校正的Warping Harness系统结构的初步设计。借助于workbench、Hypermesh、ANSYS等软件建立了Warping Harness校正系统的仿真模型,在此基础上完成了结构上部分参数的优化。比较了面形拟合的两种方法:自由谐振面拟合以及Zernike多项式面形拟合。(4)借助于光机热集成分析软件Sigfit自适应模块的自动化过程,求解出以RMS为优化目标、以各校正力为优化变量的最优校正力组合。利用Zernike多项式面形拟合方法,比较了校正前后的面形结果,校正后RMS从64.9nm提高到了25.4nm,其中对于低阶离焦、像散校正率最高达到99.8%。校正后的面形满足TMT三镜低阶像差的指标要求。同时对六个特殊工况下的镜面面形做了同样的校正,校正率可达68%。(5)通过理论计算Warping Harness促动器作用力大小得到对应输出位移行程的设计需求,搭建了高精度位移—力—应变的机电测试系统。并结合系统的理论分析计算结果,完成了校正组件Warping Harness的位移、力、应变输出精度、线性度、重复性误差等测试实验,最后对Warping Harness组件传动系统进行了误差分析。本文对基于半主动光学的Warping Harness组件校正技术进行了理论研究,分析结果表明校正后面形精度提高明显,其中低阶离焦、像散得到了较好的校正效果,该研究成果对于TMT三镜支撑结构的建设起着推动作用,对大口径望远镜加工制造过程中的低阶面形校正有着重要意义和借鉴作用。
【学位授予单位】：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH751

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