1 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所，南京 210042
2 中国科学院天文光学技术重点实验室（南京天文光学技术研究所），南京 210042
3 中国科学院大学，北京 100049
以K镜消旋系统为例，针对光机结构中多误差源耦合和误差分配的问题，采用蒙特卡洛算法进行误差分解，并提出了类粒子群优化算法，对误差源进行智能误差分配，以指导工程化的加工公差分配和结构优化极限。首先，对一套悬臂式K镜消旋系统的光机结构引起的消旋指向精度进行误差来源分析；然后，通过蒙特卡洛算法结合粒子群优化方法对误差源进行智能分配，指导K镜关键零部件的优化设计和公差分配；最后，分别利用光机耦合仿真分析法和实验装调法对设计的K镜消旋系统进行消旋指向精度分析。结果显示，仿真分析获得消旋指向精度为，实验装调最优消旋指向精度为，验证了光机结构设计方案及其误差分配方案的可行性。
误差分配 光机结构 消旋系统 耦合分析 蒙特卡洛 类粒子群优化 K镜 Error allocation Optical-mechanical structure Racemization system Coupling analysis Monate Carlo Particle swarm optimization K-mirror
1 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所, 江苏 南京 210042
2 南京天文光学技术研究所中国科学院天文光学技术重点实验室, 江苏 南京 210042
3 中国科学院大学, 北京100049
大型光机仪器难以在短期内实现加工,为了验证仪器设计的正确性,利用相似模型试验替代原型研究。基于相似定理,推导了三十米望远镜(TMT)宽视场光谱仪准直镜系统原型和缩尺模型之间的相似关系;建立了准直镜系统原型的有限元模型及1∶3缩尺模型的有限元模型,对二者进行了模态分析和面形分析,并对缩尺模型实物进行了相似模型试验和分析。研究结果表明,在1∶3的缩尺比例下,准直镜系统缩尺模型与原型的振型相似性符合理论分析结果;在工作环境下,缩尺模型的表面波前误差的均方根值为0.065λ(λ为波长)。模型试验结果证明准直镜系统的缩尺模型满足光学系统的工作要求。利用缩尺模型能够预测原型动态响应及面形变化,为后续项目的正式研究提供技术积累。
激光与光电子学进展
2021, 58(14): 1412005
1 中国科学院国家天文台 南京天文光学技术研究所，江苏 南京 210042
2 中国科学院天文光学技术重点实验室(南京天文光学技术研究所)，江苏 南京 210042
3 中国科学院大学，北京 100049
针对极大望远镜矩形准直镜设计了一种新型柔性支撑系统，即由6根空心圆柱杆为支撑主体的侧面支撑结构。利用多目标优化算法对柔性支撑系统的结构参数和位置参数进行优化设计，并对优化后的柔性支撑系统进行稳定性研究。优化后的准直镜柔性支撑系统在自重条件下镜面最大PV值为168.23 nm，RMS值为30.306 nm，质量为229.21 kg，满足设计要求。当环境温度变化范围在20 ℃～23.7 ℃内，不会对准直镜性能产生影响；此外，地面随机振动不会影响准直镜工作性能和破坏支撑结构。研究结果表明：准直镜柔性支撑机构的多目标优化设计全面考虑了准直镜柔性机构形状参数、机构安全可靠性和光学面形形变等多学科之间耦合问题，设计者可按需选择全局范围内最满意的最优解，这将大幅度降低开发成本和周期。
矩形反射镜 侧面支撑 柔性铰链 多目标优化 rectangular reflector side support flexible hinge multi-objective optimization
1 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所，江苏 南京 210042
2 中国科学院天文光学技术重点实验室（南京天文光学技术研究所），江苏 南京 210042
3 中国科学院大学，北京 100049
针对空间引力波望远镜主反射镜系统的结构及支撑组件进行了设计与优化。主反射镜运用了侧面3点支撑对镜体进行约束，并对支撑点的选取与布局进行了研究。反射镜采用能够实现较大弯曲刚度的背部钻孔式半封闭构型，通过有限元计算结合多目标遗传算法对反射镜轻量化结构进行了参数优化，在不降低面形精度的条件下使镜体结构轻量化率达到74%。设计了一种由两个无阻隔串联式柔度单元组合而成的可调节双轴连杆型Bipod柔性铰链结构，其可对反射镜面形误差进行补偿。建立了柔性铰链并联机构作用于反射镜的数学模型，对其进行了基于MATLAB的参数取值分析，并通过有限元方法完成了对参数取值的修正。最后进行了空间热载荷条件下的反射镜面形分析，结果表明反射镜面形误差优于λ/60，满足设计要求。
红外与激光工程
2020, 49(7): 20190469
1 中国科学院 国家天文台南京天文光学技术研究所, 江苏 南京210042
2 中国科学院 天文光学技术重点实验室, 江苏 南京210042
3 中国科学院大学, 北京100049
在极大望远镜宽视场光谱仪准直镜结构轻量化研究中, 实施多学科多目标优化的可行性设计。通过多目标遗传算法结合多学科协同对准直镜轻量化结构进行优化设计, 即以镜面形状要素为优化参数、镜面面型和质量为目标, 并借助遗传算法为优化算法获取Pareto最优解。对比研究了不同轻量化孔轻量化后综合性能和轻量化后准直镜的热稳定性, 三角型轻量化后准直镜轻量化率为70%, PV值为82.696 nm; 矩形轻量化孔准直镜轻量化率为75.3%, PV值约为107.03 nm; 准直镜环境温度变化为10 K时, 准直镜形变约增加一倍。研究结果表明: 三角形轻量化孔综合评价优于矩形孔; 准直镜结构轻量化多目标优化设计全面考虑了准直镜结构轻量化、轻量化孔形状要素和光学面型形变等多学科之间耦合问题, 设计者可按需选择全局范围内最满意的最优解, 这将大幅度降低开发成本和周期。
极大望远镜 宽视场光谱仪 准直镜 轻量化 多目标遗传算法 extremely large telescope wide field spectrometer collimating mirror lightweight multi-objective genetic algorithm
1 中国科学院 国家天文台 南京天文光学技术研究所, 南京 210042
2 中国科学院 天文光学技术重点实验室, 南京 210042
3 中国科学院大学, 北京 100049
为了充分利用LAMOST望远镜, 实现对银河系不同星族的分布与整体性研究, 以及极端贫金属星元素丰度测定等科学目标, 研制了LAMOST高分辨率光谱仪, 光谱分辨率R≥30 000, 光谱覆盖范围380~740 nm。在充分考虑台址因素与现有条件后, 采用中继倍率07倍的准白瞳设计方案, 使用大芯径光纤、拼接大光栅、棱栅组合式横向色散器、缝前像切分器等措施来满足性能要求。进行了效率估算与杂散光分析, 光谱仪本体效率峰值大于30%, 杂散光照度占CCD总照度的255%, 信噪比为1601 dB。试运行阶段实测了太阳光谱, 温度稳定性达到±003 ℃, 光谱仪效率峰值约为335%, 满足稳定、高效的运行要求。
光谱仪 分辨率 通光效率 杂散光 spectrograph resolution light efficiency stray light
1 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所, 江苏 南京 210042
2 中国科学院天文光学技术重点实验室, 江苏 南京 210042
以热光学分析为基础, 对复杂环境下改正镜作为光学窗口的玻璃厚度进行了优化设计。对改正镜的强度及其所处的热环境进行了分析, 将温度场映射到结构模型中, 利用有限元计算改正镜在热-力耦合情况下的改正镜的变形量和面形数据, 对正镜面形数据进行拟合和处理, 最后将处理后的改正镜面形数据导入光学设计方案中, 分析改正镜厚度对光谱仪性能影响。结果表明改正镜厚度应该不小于10 mm; 当改正镜厚度为15 mm时, 改正镜受热力学影响可以忽略。因此改正镜作为光学窗口既能满足强度和可靠性要求, 又能满足光谱仪性能指标, 为窗口的设计提供了依据。
测量 改正镜 热光学分析 真空相机 热力耦合 激光与光电子学进展
2017, 54(12): 121204
