1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春130033
2 中国科学院大学, 北京100049
基于半主动光学技术的半主动支撑，通过力矩促动器(Warping Harness, WH)弹簧叶片将校正力转换为校正力矩，对由重力、温度等误差源引入的镜面低阶像差进行校正。针对利用传统经验设计反射镜时存在的设计缺陷，提出一种反射镜支撑系统优化设计新方法，即结合结构尺寸优化和经验设计的镜面支撑系统综合设计优化方法，并建立一套基于WH 的半主动镜面支撑系统。首先，按照经验公式设计了支撑系统初始结构；设计了一款L形镂空式WH弹簧叶片，并对其开展了非线性分析及疲劳分析，确定叶片厚度为2 mm、寿命为1.2×106次。然后，通过优化镜面支撑点位置、三角板柔节位置、支撑系统柔性件关键尺寸参数，将光轴竖直及水平状态下镜面RMS值由119 nm和106 nm分别降至13.3 nm和4.8 nm；1 °C温差状态下镜面面形差由2.8 nm降至1.9 nm；一阶谐振频率由80 Hz提升至130 Hz。最后，采用提出的方法对半主动支撑系统的校正能力进行验证。结果表明：本套半主动支撑系统对镜面离焦、初级像散、初级慧差、初级球差的校正率最高可达99%，且校正后各像差幅值均小于1 nm；室温自重状态下对镜面面形RMS值校正率最高可达46.5%；温升10°C情况下的校正率为31.28%。
支撑系统 集成优化 半主动光学 力矩促动器 低阶像差 support system integration optimization semi-active optics Warping Harness low-order aberrations
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院空间光学系统在轨制造与集成重点实验室，吉林 长春 130033
4 长春工业大学机电工程学院，吉林 长春 130012
空间红外望远镜的成像质量依赖着低温深冷的环境。在这种环境下，对反射镜的结构及其支撑结构都提出了严格的要求。介绍了当前国内外望远镜的被动支撑结构(如bipod、hexapod和whiffle-tree结构)，然后对国内外望远镜的主动支撑结构形式和促动器的原理进行了分析说明。通过对国内外望远镜主、被动支撑结构的分析，对二者进行了对比，并指出了它们的优缺点以及各自适用的领域。提出了两种实现无热化支撑结构的方法：对于拼接式望远镜，采用whiffle-tree结构和促动器的组合支撑形式；对于单块式望远镜，采用whiffle-tree结构和A-frame结构并搭配促动器的支撑形式。
空间红外望远镜 主动支撑 被动支撑 无热化结构 促动器 space infrared telescope active support passive support athermalized structure actuator
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
拼接式望远镜由于主镜加工难度低、运载方便和制造成本低等特点已成为未来大口径望远镜的重要发展方向之一。主动支撑技术的成功应用为拼接式望远镜共焦共相调节提供了充足的保障。针对拼接式望远镜主镜主动支撑系统，本文首先简述了其所涉及的主要技术，之后对具体应用实例进行归纳与分析，最后为拼接式望远镜主镜支撑系统的设计提出建议，对未来拼接式望远镜支撑技术的发展具有一定的参考意义。
光学器件 拼接式望远镜 主动支撑 促动器 激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0300006
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
针对拼接镜面望远镜主动光学控制技术的要求, 设计了一种改进型自抗扰控制器以改善位移促动器系统的位置跟踪性能和提高抗扰动能力。首先, 建立了拼接镜面位移促动器系统及扰动风载的数学模型; 设计了改进型自抗扰控制器, 并给出了控制器参数选择的方法。其次, 对位移促动器控制系统进行了仿真分析, 验证了控制器的可行性。最后, 利用风载扰动模拟装置, 在位移促动器系统中引入扰动, 并对比改进型自抗扰控制器与线性自抗扰控制器以及PID控制器控制性能。实验结果表明, 改进型自抗扰控制器系统阶跃跟踪的稳定时间为201 ms, 稳态均方差为7.1 nm, 无超调; 风载干扰实验中, 改进型ADRC的最大偏差值为38.8 nm, 稳态均方差为7.6 nm, 改进型ADRC的性能明显优于线性自抗扰控制器和PID控制器, 对提高位移促动器系统的性能有较高的实用性。
拼接镜面望远镜 位移促动器 自抗扰控制 扩张状态观测器 跟踪微分器 segmented mirror telescope position actuator active disturbance rejection control extended state observer tacking differentiator 红外与激光工程
2019, 48(2): 0218005
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
为了降低较为昂贵的镜面抛光和光机装配费用, 以及应对温度、重力及其他意外因素导致的镜面低阶像差, 一种在被动浮动支撑结构上施加力矩以实现面形实时校正的力矩促动器在部分望远镜上已有成熟应用。本文旨在针对我国未来的大口径地基光学望远镜, 对其拼接子镜力矩促动器的分布进行优化与设计。根据工程经验和参考文献初步确定力矩促动器所需的校正能力, 通过三维建模软件对拼接子镜及镜室进行建模, 最后通过有限元仿真和最小二乘法拟合对力矩促动器的布局进行优化设计。计算结果表明, 采用18个力矩促动器的分布方案能够对离焦、像散、彗差和三叶像差进行良好的校正。对于具有数百面子镜的拼接望远镜来说, 18个力矩促动器方案在满足光学设计需求的同时, 有效节约了建设经费并降低了工艺的复杂性。
拼接镜面 力矩促动器 有限元 折减系数 面形分析 segmented-mirror warping harness finite element method reduction factor mirror figuration analysis
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间光学研究二部, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
主动支撑系统能使大型光学望远镜的主镜具备面形控制及定位的能力, 单体镜面形主动控制技术及拼接镜共相位成像技术因而得到了迅速发展。回顾了近年来主动支撑系统及促动器在大型光学望远镜中的应用, 并对其进行了总结, 归纳出了几种常见的主动支撑系统及促动器, 比较了它们的特点, 陈述了主动支撑系统与促动器之间的内在联系。最后对未来应用于望远镜主镜的主动支撑系统及促动器进行了展望。
大型光学望远镜 主反射镜 主动支撑系统 促动器 激光与光电子学进展
2018, 55(10): 100002
苏州大学 物理与光电·能源学部与苏州纳米科技协同创新中心江苏省先进光学制造技术重点实验室 教育部现代光学技术重点实验室, 江苏 苏州 215006
考虑激光脉冲啁啾放大与压缩技术要求脉冲压缩光栅有较低的像差, 设计并制作了一个小形变变形镜来补偿大口径光栅基板加工残余的亚微米级静态像差对光栅波像差的影响。 该变形镜有效口径为80 mm、厚度为5 mm, 包含19个分立式压电促动器。采用干涉仪测量得到各个促动器的响应函数, 构建了变形镜的刚度矩阵; 采用最小二乘法求解出获得目标面形时各个促动器上所需施加的控制电压; 通过整体优化和局部优化的结合, 使变形镜的目标面形得到了有效控制。应用该变形镜构建了主动式全息光学记录系统, 并选用具有较大像差的基板开展了光栅像差补偿实验。实验显示, 对残余像差为~0.93λ的基板, 采用变形镜后制作出了残余波面PV可达0.14λ(@ 633 nm)的脉冲压缩光栅, 验证了小形变变形镜在光栅基底像差补偿上的有效性。
变形镜 全息光栅 脉冲压缩光栅 压电促动器 响应函数 像差补偿 Deformable mirror(DM) holographic grating pulse compression grating piezoelectric actuator response function aberration compensation 光学 精密工程
2016, 24(12): 2993
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130033
为实现展开式拼接望远镜粗共焦共位相的调整, 本文采用三块子镜拼接的方式进行主镜面形的调整。首先由步进电机和直线电机实现宏动范围 (微米量级)内动态子镜的展开, 然后由压电促动器进行微动范围 (纳米量级)的调整。由三组压电促动器构成的三自由度调整平台可实现对子镜倾斜误差和活塞误差的精密调整。经试验验证, 三自由度调整平台对反射镜调整后的误差小于 0.5″；利用 ZYGO干涉仪对三子镜光学系统进行共焦检测, 测试结果显示三块子镜达到了共焦调整的目的。拼接式望远镜粗共焦共位相的调整为进一步面形误差补偿, 最终实现精共焦共位相提供了一定的技术基础。
展开式拼接望远镜 粗共焦共位相 压电促动器 三自由度平台 deployable and segmented telescope coarse co-phase of the focus piezoelectric actuator three-degree of freedom platform
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 南京天文光学技术研究所 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
4 中国科学院 南京天文光学技术研究所 天文光学技术重点实验室, 江苏 南京 21004211-1718
针对新疆奇台110 m射电望远镜主动反射面控制技术的要求, 设计和研制了一种新型的位移促动器和位移控制系统, 并采用双频激光干涉仪对多个位移促动器及其控制系统进行了全面检测。位移促动器采用了基于涡轮蜗杆加滚珠丝杆的高精度结构设计方案, 控制器系统采用了ARM微处理器。最后选择S曲线加速控制方法, 设计了主动反射面控制系统硬件平台和软件算法。基于双频激光干涉仪和光学隔振平台在恒温超洁净条件下进行了系列测试。结果表明: 系统实现了行程范围为30 mm, 控制精度为5 μm RMS的快速精密控制; 在额定负载300 kg, 步长2 mm, 行程30 mm范围内, 实测结果平均值与理论值偏差为0.04%, 标准偏差为3.67 μm。最后, 采用测量精度为0.25 μm的激光传感器对4块四点支撑的四边形子面板进行了验证检测。结果显示: 经多次迭代后主动反射面控制闭环系统的控制精度小于5 μm RMS, 远远优于3 mm波段射电望远镜主动反射面控制的技术要求。
射电望远镜 主动反射面 S曲线加速控制算法 位移促动器 位移控制系统 radio telescope active reflector S curve acceleration control algorithm displacement actuator displacement control system
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
为了开展自适应光学技术研究，研制了一系列的基于压电陶瓷促动器的连续镜面变形镜，促动器控制单元数分别为21、97、137 和961。利用变形镜作为自适应光学波前校正器，进行了多个室内、室外的自适应光学校正实验，取得了很好的实验效果，其中137 单元变形镜在1.23 m 望远镜上面的自适应光学系统中取得了对0.2″双星的校正效果，在700~900 nm 波段接近望远镜的衍射极限。介绍了变形镜的基本结构，各变形镜的主要参数测试及关键性能指标，列举了各变形镜在自适应光学系统中的应用情况。最后对变形镜的研制进展及应用进行了展望。
自适应光学 学光学设计 变形镜 压电陶瓷促动器 连续镜面 波前校正器 激光与光电子学进展
2014, 51(9): 090003
