激光器输出功率稳定及高功率激光装置中长光程传输光束指向稳定,都对维持光学件位置的支撑镜架稳定性提出了很高的要求。为了维持光束的准直性,支撑结构必须兼顾可调节性和稳定性,而可调节性将引入不稳定性。本文针对可调节支撑镜架中常用的调节结构提出一种结构改进设计,通过添加单独起导向作用的精密滑动配合,实现对传统调节结构中导向与传动耦合的螺纹配合进行功能解耦,降低了螺纹配合中较大径向间隙对导向精度的影响,提高了镜架的稳定性;搭建了稳定性对比测试装置,实现在同一光路中对不同光学镜架的稳定性对比测试。实验结果验证了所提改进调节结构可有效提升光学支撑镜架结构的稳定性。

现代光学成像技术与荧光标记技术不断发展,为高分辨地获取生物组织三维结构信息提供了重要的工具。然而,大多数生物组织具有不透明特性,限制了光在组织中的穿透深度,进而限制了光学成像技术在大组织或整体器官成像中的应用。近年兴起的组织光透明技术通过多种物理、化学手段降低组织对光的衰减,增加光穿透深度,从而提高光学成像的成像深度与成像质量,为整体组织器官的三维成像提供了全新的思路。本文从离体组织光透明方法、大组织器官标记方法、三维整体成像技术三个方面,对整体器官的光透明成像方法进行综述。

通过对空间大口径单体反射镜支撑技术发展现状及发展趋势的调研, 总结了当前大口径单体空间反射镜支撑技术中较为成熟的技术路线。在此技术路线中, 计量卸荷支撑是必须要攻克的一项核心难题。本文介绍了计量卸荷支撑的概念, 并针对计量卸荷支撑研制过程中的关键技术进行了深入的讨论, 包括支撑点数量、位置及支撑力大小的确定方法, 支撑力执行单元的方案设计以及计量卸荷精度的保证方法等; 通过对计量卸荷支撑研制过程中关键技术的总结, 期望对我国空间大口径单体反射镜的研制提供借鉴意义。

低温光学能够降低红外光学系统自身热噪声, 有效提高探测灵敏度。支撑结构是实现光学系统在低温下正常工作的关键部件。设计的透射式低温光学系统工作温度为150 K, 采用脉冲管制冷机这种新型机械式低温制冷机做冷源。因制冷机冷指直径较小, 直接冷却光学透镜会在透镜内部产生较大温差, 影响成像质量, 为此设计了一种新型支撑结构, 一方面设计了新型的轴向支撑和径向支撑用来减少透镜在低温下的形变, 另一方面建立了透镜与脉冲管制冷机之间的传热模型, 来指导支撑结构热设计, 减小透镜内部温差。最后, 对透镜支撑的低温性能进行了测试, 实验结果表明, 经过3 h, 透镜温度由300 K降至150 K, 支撑结构很好地保护了透镜并且在降温过程中透镜内部温差小于1 K。当温度从300 K降低到150 K时, 光学表面的最大变形小于1 λ(1 λ= 632.8 nm)。支撑结构从机械和热学性能上满足了低温光学系统的需要,为机械式制冷机冷却光学系统的光机结构设计提供了一种新选择。

为了提高表面贴片封装（SMD）发光二极管（LED）封装结构的封装效率，根据LED的光学结构和性质，建立了简化的SMD LED封装结构模型，并实现了LED封装结构的连续自动生成、仿真和优化。仿真结果表明：在色温相同的条件下，光通量和辐射通量呈线性关系，侧壁的改变会造成白光光通量先增加后减少的趋势。通过对3款不同侧壁张角的LED进行测试，测试结果与仿真结果光通量趋势相同，并得到了对于这种封装方式的最佳侧壁张角为60°的结论，验证了仿真的正确性。

为实现对数控装备测量精度的快速检测, 面向激光追踪测量系统设计了一套二维万向节式回转轴系。将高精度标准球作为反射单元固定安装在基座上, 保证了激光追踪测量系统具有较大的跟踪角度, 同时避免了轴系回转时的窜动和游动对测量结果的影响。分析了轴系结构中主要几何误差对激光追踪测量系统测量精度的影响, 研究了轴系跳动误差与测量精度的关系, 并简化了轴系跳动误差模型。实验结果表明, 当轴系跳动误差在±5 μm以内时, 由该误差引起的激光追踪测量系统的测量误差不足0.1 μm, 保证了激光追踪测量系统具有消除跳动误差影响的能力。

为了实现高精度的运动学支撑结构的设计, 研究了切向双脚架-运动学支撑结构的柔度。介绍了切向双脚架-运动学支撑结构的设计原理。根据单边直圆柔性铰链的柔度公式, 推导了双脚架在X、Y和Z轴方向的等效柔度Cx、Cy和Cz的解析式。采用有限元分析和试验验证的方法, 对双脚架的柔度解析式进行了分析验证。结果表明: 解析式结果与有限元结果、试验结果基本一致, 且误差均小于9.8%。研究了单边直圆柔性铰链的柔槽深度R和最小厚度t对双脚架柔度Cx、Cy和Cz的影响, 得到了双脚架的等效柔度均与柔槽深度R成正比, 与最小厚度t成反比的结论。为空间相机上的科学仪器的切向双脚架-运动学支撑结构的设计提供理论参考。

为了满足空间反射镜温度适应性好、结构紧凑的要求, 采用有限元分析方法, 以超低膨胀系数玻璃空间反射镜(355mm)为支撑对象, 设计了一种背部双脚架柔性支撑结构。首先研究了双脚架支撑的基本设计原则, 从自由度角度分析了双脚架支撑结构相对背部3点支撑结构的优势。然后针对支撑结构尺寸参量、柔性铰链结构尺寸参量对面型精度的影响进行了仿真分析和优化设计, 提出支撑脚延长线交点位置应作为背部双脚架支撑的关键设计参量, 与粘接位置分别设计。结果表明, 优化设计后的背部双脚架柔性支撑结构温度适应性好, 能够有效卸载温度变化引入的附加载荷, 同时具有较好的支撑效果和动态刚度; 反射镜支撑后面形精度均方根值为3.68nm, 组件的1阶频率达到123.41Hz, 满足设计要求。该研究对未来背部双脚架支撑结构设计具有借鉴意义。