对于大型光学望远镜来说,主次镜之间的相对位姿有着非常严格的要求,由于主镜质量较大,因此常常将次镜系统设计为有多个自由度的可调整机构,其调整效果对望远镜成像有着重要的影响。随着望远镜的口径不断增大,应用场景的不断发展,次镜调整机构不止要保证高精度,还要有高负载,其设计也越来越具有挑战性。为了寻找大口径望远镜次镜调整机构的可行方案,针对大型光学望远镜的次镜调整机构的发展需求和不同的应用情况,对不同的次镜调整机构进行了整理,分类和对比,最后对各种次镜调整机构的优势与不足进行了总结,对大口径望远镜未来的发展进行了展望。

针对光刻投影物镜中动镜X-Y向调节机构精度高、行程小、结构紧凑的需求，提出了一种X-Y向一体式调节机构。所提机构基于四连杆调节原理，利用内外圈独立分布的X-Y向柔性铰链，无需解耦即可实现X/Y向高精度调节。首先根据投影物镜中动镜的调节精度和行程，完成所提机构的结构设计；然后运用有限元分析法仿真分析所提X-Y向柔性调节机构的性能。分析结果表明：所提机构调节行程大于±20 μm，X向、Y向的刚度值分别为0.542 μm/N、0.671 μm/N；单X、Y向开环驱动时，垂直方向耦合误差与主方向移动量之比分别为6.86%、4%；模态大于100 Hz。最后，对所提调节机构进行了性能测试实验，X向重复定位精度为36.3 nm，Y向为41.7 nm；调节过程中，角度偏移小于0.5″。实验结果表明，所提柔性调节机构能够满足光刻投影物镜像质补偿对X-Y向高精度调节要求。

为满足望远镜副镜结构定位精度的要求, 提出一种固定杆长杆端轴向平移运动模式的六杆并联机构。从微分几何的观点研究了该机构输入关节空间向量与输出工作空间向量之间的非线性运动学特性, 并采用曲率概念度量解轨迹的非线性弯曲。通过与雅可比矩阵的对比分析可知, 采用曲率度量并联机构的非线性和采用雅克比矩阵反映的瞬时线性性质一致, 所设计的副镜并联调整机构在整个运动行程范围内的最大非线性误差约为3.15 μm。测试结果表明: 采用多项式误差曲线拟合校正之后, 该副镜调整机构三维平移重复定位精度小于2.6 μm, 二维旋转重复定位精度小于1.8″, 满足实际望远镜观测的需要, 采用的曲率度量法也可以为其他并联机构的非线性分析和校正提供一种新的思路。

为解决激光差动共焦元件参数测量系统中人工调整元件姿态效率低、重复性差的问题, 研制了激光共焦球面元件姿态自动调整系统。基于共焦原理, 建立了元件失调量与电动四维调整机构调整量关系的数学模型, 并根据CCD探测器实时获取的光斑位置信号分析出被测件的姿态信息, 结合闭环反馈控制算法实现姿态自动调整。利用电动四维调整机构搭建了自动调整实验装置, 实验结果表明: 研制的电动调整机构平移调整分辨力达到0.5 μm, 倾斜调整分辨力达到8″; 调整系统能够快速、稳定地将被测件姿态失调量调至误差范围内, 有效提高调整重复性及效率, 对激光差动共焦测量系统实现全自动球面元件参数检测格外重要。

设计了一种狭缝柔性结构的光学元件调节机构, 使光学元件在具备较高调节精度的同时, 保持较高的导向精度。采用弹性力学应力函数法分析了狭缝柔性结构的刚度, 以径向刚度与轴向刚度的比值为目标函数, 对狭缝柔性结构尺寸参数进行了优化, 在不超过柔性结构材料屈服应力等约束条件下, 刚度比最优值达到1 5736, 较大的刚度比值可以减小调节机构的耦合位移, 从而提高机构的导向精度。该结构加工装配方便, 可实现三自由度(θx-θy-Z)调节。对优化后的柔性结构进行仿真分析, 结果表明: 径向刚度与轴向刚度比值的仿真值为1 6604, 解析值与仿真值误差为523%, 证明了刚度分析方法的有效性。优化后的结构, 轴向调节行程为209 mm, 绕x轴偏转角度调节行程为±166 mrad, 绕y轴偏转角度调节行程可达到±144 mrad, 满足光学元件调节的大行程要求。

为了找出耦合误差产生的根源, 探讨了柔性偏心机构设计方法.首先, 给出了机构组成和工作原理；然后, 基于柔度矩阵法对机构建模, 分别推导了桥式位移放大机构、导向机构、连接机构的柔度；最后, 综合得到机构的整体柔度.分析结果表明柔度矩阵法得到的输出柔度理论值和有限元法得到的结果误差为8.126%, 机构的一阶固有频率为73.78 Hz.在40N的驱动力范围内, 机构可以实现66.466 μm的行程, 透镜和机构上的最大应力分别为0.0711 MPa和235.22 MPa, Y/Z/RX/RY/RZ耦合误差和X向行程的比分别为0.0543%、0.0082%、1.218×10－8rad/μm、1.870×10－7rad/μm、6.073×10－7rad/μm.调节后镜片面形PV值优于24 nm, RMS值优于5 nm, 并且主要为像散.通过合理的柔度设计, 机构接近完全解耦, 揭示了不合理的机构刚度是产生调节耦合误差的根源.

针对大口径、长焦距的高分辨力空间光学遥感器对调焦和调偏流的要求, 本文基于高刚度、高强度滚珠花键结构和高精度滚珠丝杠结构, 提出了一种焦面二维精密调整机构, 能够实现调焦和调偏流目的。焦面二维精密调整机构结构紧凑, 占用空间小, 质量轻, 并具有足够的强度、刚度、良好的自锁性能及抗冷焊性能。机构的质量为 5.5 kg, 调焦范围为 ±2 mm, 调焦分辨力为 0.17 μm, 调偏流范围为 ±5°, 调偏流分辨力优于 0.000 2″, 对机构进行精度检测, 各项参数均满足指标要求, 适合在大口径、长焦距的高分辨力空间光学遥感器空间光学遥感器中使用。

设计了一种采用6-PSS型并联机构的光学元件精密轴向调节机构，以使光刻物镜中光学元件的调节行程达微米级，调节精度达纳米级。将6-PSS型并联机构中的6个移动副改进为3个，减少了驱动器的使用数量，提高了轴向调节机构的可靠性; 设计了一种圆角薄柔性铰链结构作为6-PSS型并联机构中的球铰副，实现了轴向调节机构的结构一体化，简化了光机组件的装调过程，提高了机构的机械精度; 利用空间矢量法分析了机构输入构件与输出构件之间的位置关系，推导出了机构的传动比表达式，为机构主要结构尺寸的选取提供了依据。轴向调节机构的验证试验结果表明：机构传动比的理论计算值接近于实测值; 轴向调节机构的调节行程为74.4 μm，调节精度在40 nm以内，满足光刻物镜中光学元件轴向调节机构的使用需求。