本文關(guān)鍵詞：基于TMT三鏡的半主動(dòng)光學(xué)面形校正技術(shù)研究

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【摘要】：伴隨著多學(xué)科的快速發(fā)展,作為天文觀測(cè)設(shè)備的地基大口徑望遠(yuǎn)鏡也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。總結(jié)近幾十年望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展歷程可以發(fā)現(xiàn),地基大口徑望遠(yuǎn)鏡正朝著長(zhǎng)焦距、大口徑、薄鏡面、拼接式的方向發(fā)展。在重力載荷、溫度載荷的影響下,地基光學(xué)設(shè)備光學(xué)系統(tǒng)的低階誤差更為明顯。傳統(tǒng)上,這一影響主要依靠支撐系統(tǒng)的性能保證,而缺乏一種高效便捷的低空間頻率誤差的校正方法。設(shè)計(jì)、加工一套適用于地基大口徑望遠(yuǎn)鏡的低階誤差校正系統(tǒng)是如今國(guó)內(nèi)大口徑望遠(yuǎn)鏡支撐技術(shù)所面臨的難點(diǎn)。本文以國(guó)際合作項(xiàng)目三十米望遠(yuǎn)鏡(Thirty Meter Telescope)三鏡系統(tǒng)為依托,研發(fā)了一套基于半主動(dòng)光學(xué)的、可校正低階面形誤差的系統(tǒng)。TMT三鏡是一塊橢圓形實(shí)體平面鏡,口徑為3.594×2.536×0.1m(長(zhǎng)軸×短軸×厚度)。有別于傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡中的三鏡,TMT三鏡系統(tǒng)具有兩維高精度跟蹤指向的功能,因此,TMT三鏡需要在多種重力工況下嚴(yán)格保證面形指標(biāo)。三鏡的面形指標(biāo)可以劃分為高頻面形誤差和低頻面形誤差,本文針對(duì)鏡面低頻誤差基于力矩校正原理設(shè)計(jì)了一套半主動(dòng)力矩校正系統(tǒng)——Warping Harness。具體完成了以下幾個(gè)方面的研究工作:(1)在概述了國(guó)內(nèi)外地基大口徑望遠(yuǎn)鏡發(fā)展歷史的基礎(chǔ)上詳細(xì)闡述了大口徑光學(xué)元件的支撐形式,提出了一種介于被動(dòng)支撐與主動(dòng)光學(xué)之間的支撐方法——半主動(dòng)光學(xué)支撐。(2)研究了大口徑望遠(yuǎn)鏡主鏡支撐系統(tǒng)的相關(guān)理論,具體包括用于支撐點(diǎn)優(yōu)化的多點(diǎn)支撐理論,鏡面面形評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),像差理論以及柔性鉸鏈理論,為設(shè)計(jì)和優(yōu)化半主動(dòng)光學(xué)支撐系統(tǒng)奠定了理論基礎(chǔ)。(3)根據(jù)TMT三鏡的低階面形指標(biāo)要求,并借助于Solidworks三維建模軟件,完成了用于面形校正的Warping Harness系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)。借助于workbench、Hypermesh、ANSYS等軟件建立了Warping Harness校正系統(tǒng)的仿真模型,在此基礎(chǔ)上完成了結(jié)構(gòu)上部分參數(shù)的優(yōu)化。比較了面形擬合的兩種方法:自由諧振面擬合以及Zernike多項(xiàng)式面形擬合。(4)借助于光機(jī)熱集成分析軟件Sigfit自適應(yīng)模塊的自動(dòng)化過(guò)程,求解出以RMS為優(yōu)化目標(biāo)、以各校正力為優(yōu)化變量的最優(yōu)校正力組合。利用Zernike多項(xiàng)式面形擬合方法,比較了校正前后的面形結(jié)果,校正后RMS從64.9nm提高到了25.4nm,其中對(duì)于低階離焦、像散校正率最高達(dá)到99.8%。校正后的面形滿足TMT三鏡低階像差的指標(biāo)要求。同時(shí)對(duì)六個(gè)特殊工況下的鏡面面形做了同樣的校正,校正率可達(dá)68%。(5)通過(guò)理論計(jì)算Warping Harness促動(dòng)器作用力大小得到對(duì)應(yīng)輸出位移行程的設(shè)計(jì)需求,搭建了高精度位移—力—應(yīng)變的機(jī)電測(cè)試系統(tǒng)。并結(jié)合系統(tǒng)的理論分析計(jì)算結(jié)果,完成了校正組件Warping Harness的位移、力、應(yīng)變輸出精度、線性度、重復(fù)性誤差等測(cè)試實(shí)驗(yàn),最后對(duì)Warping Harness組件傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了誤差分析。本文對(duì)基于半主動(dòng)光學(xué)的Warping Harness組件校正技術(shù)進(jìn)行了理論研究,分析結(jié)果表明校正后面形精度提高明顯,其中低階離焦、像散得到了較好的校正效果,該研究成果對(duì)于TMT三鏡支撐結(jié)構(gòu)的建設(shè)起著推動(dòng)作用,對(duì)大口徑望遠(yuǎn)鏡加工制造過(guò)程中的低階面形校正有著重要意義和借鑒作用。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TH751

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本文編號(hào)：1285870