1 长春工业大学 机电工程学院，吉林 长春 130012
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
针对某700 mm×249 mm长条形空间反射镜组件结构设计要求，对反射镜及其支撑结构进行了详细的光机结构设计。首先，从反射镜材料选择、径厚比、支撑方案及轻量化形式等角度出发，对反射镜进行结构设计。通过理论计算得到长条形反射镜的支撑点数。对支撑点位进行了优化，并探索了支撑孔位对反射镜自重变形的影响规律。其次，为满足反射镜组件的力、热环境适应性要求，设计了一种新型柔性支撑结构，并给出了柔性铰链薄弱环节对反射镜面形精度的影响；对支撑结构安装位置深度进行优化，给出反射镜面形精度关于支撑结构安装位置的变化曲线。然后，对反射镜组件进行了有限元分析，自重和5 ℃温升载荷工况下，反射镜面形精度峰谷（Peak Valley，PV）值和均方根（Root Mean Square，RMS）值最大分别达到58.2 nm和12.3 nm；反射镜组件一阶固有频率为259 Hz，低频正弦扫描振动条件下柔性支撑最大应力响应为138 MPa。最后，进行了动力学试验测试。测试结果表明，反射镜组件一阶固有频率为255 Hz，有限元分析误差为1.7%。分析和试验结果表明，反射镜组件结构设计合理，满足设计指标要求。
长条形反射镜 轻量化 有限元分析 动力学试验 rectangular mirror lightweight finite element analysis dynamic test 红外与激光工程
2021, 50(6): 20200404
1 浙江大学 现代光学仪器国家重点实验室, 浙江 杭州 310027
2 华中科技大学 光电学院, 湖北 武汉 430074
3 中国航天科工集团 第九总体设计部, 湖北 武汉 430000
为了解决长条形镜面面形拟合中各项不正交, 无法在调整中利用像差指导计算机辅助装调的问题, 本文建立了一套合理的拟合模型。该模型以矩阵求解正交化Zernike多项式系数为基础, 将离散的数据点作为定义域, 对已选取的Zernike项进行定义域内正交化计算, 并以获得的各正交项为基底, 实现对长条形镜面及其他异形光学镜面的正交化多项式拟合求解。进而确定在干涉检测中加工误差与装调误差的分离, 为光学镜面的最终面形收敛提供保障。根据本文实验结果, 对一口径600 mm×260 mm, PV与RMS值分别为5889λ及1002λ的长条形光学镜面进行拟合, 利用Metropro去像散后, 面形未得到收敛, PV与RMS值分别变为7448λ及1725λ。而采用本文算法处理后, 其PV与RMS值分别收敛为4666λ及0679λ, 验证了本文方法对于长条形镜面拟合的正确性。
干涉测量 面形拟合 长条形反射镜 正交化 interferometry surface fitting rectangular mirror orthogonalization
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 长春130033
2 中国科学院大学, 北京 100039
3 长光卫星技术有限公司, 长春 130000
针对某离轴三反光学系统中的大长宽比长条形SiC反射镜镜面边缘随机振动加速度响应均方根值过大的特点, 提出一种采用“基结构法”的反射镜结构拓扑优化方法, 以随机振动加速度响应均方根值最小化为优化目标.首先对某初始反射镜结构进行有限元分析, 发现反射镜镜面边缘点Z向加速度响应均方根值过大.其次, 应用连续体结构拓扑优化思想, 以反射镜镜面边缘点的随机振动加速度响应均方根值作为优化目标, 以镜面峰谷值、镜体一阶约束频率作为约束条件, 以反射镜筋板式基结构作为优化空间, 对反射镜镜体结构进行拓扑优化设计, 得到了一种各项力学性能指标及面形精度均满足指标要求的反射镜轻量化结构.最后, 通过有限元分析与振动试验, 验证了本文设计的反射镜结构拥有良好的力学性能, 其中反射镜镜体质量相比优化前降低了13%, 镜面边缘点的Z向随机振动加速度响应均方根值降低了58%, 证明了本文优化方法的有效性.
长条形反射镜 面形精度 拓扑优化 随机振动 轻量化 Rectangular mirror Surface figure Topology optimization Random vibration Lightweight
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
研究了空间光学遥感器的大口径长条形反射镜组件在自重载荷作用下的面形变化，实验验证和定量分析了Zernike多项式拟合法以及球面方程拟合法得到的仿真分析结果的精度。介绍了Zernike多项式拟合法以及球面方程拟合法的基本原理，分别用这两种算法对大口径长条形反射镜组件在自重载荷作用下的面形变化进行了仿真分析。根据误差合成原理，提出了依据翻转前后两个状态的面形检测结果计算镜面面形变化的方法; 针对离轴反射镜在面形检测过程中存在离轴量与镜面像散互相补偿的现象，求解了离轴量变化量与镜面像散的关系。试验结果显示: Zernike多项式拟合法的计算精度为74.2%，而球面方程拟合法的计算精度为12.6%; 对仿真分析结果的误差评价表明，采用有限元法得到的仿真分析结果的理论精度值为10%左右，与球面方程拟合方法的计算精度12.6%基本吻合。研究表明，由于Zernike多项式拟合法自身的局限性，不适合对长条形反射镜面形变化进行拟合，而球面方程拟合法的计算精度能够满足工程要求。
空间光学遥感器 大口径反射镜 长条形反射镜 自重变形 仿真分析 Zernike多项式拟合 球面方程拟合 space optical remote sensor large aperture mirror rectangular mirror gravity deformation simulation analysis Zernike polynomial fitting spherical equation fitting
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 中国科学院航空光学成像与测量重点实验室，吉林 长春 130033
为了降低航空光电侦察设备的整体质量，减小反射镜在复杂航空环境下的面形变化，利用有限元方法对某长条形反射镜组件结构进行了优化。首先，计算轻量化反射镜所需的支撑点数量，并对支撑点的位置进行优化。接着，为了解决温度变化时组件材料线胀系数不匹配带来的热变形问题，在支撑结构中引入了柔性铰链，并对柔性铰链参数进行了优化。最后，对反射镜组件进行面形精度分析，得到反射镜RMS为20.3 nm，小于1/30λ(λ=632.8 nm)；对组件进行模态分析及试验，得到一阶固有频率分别为138 Hz和162 Hz，满足设计指标要求，分析及试验结果表明了该反射镜的支撑结构合理可行。
长条形反射镜 柔性铰链 面形精度 动态性能 rectangular mirror flexible hinge surface shape dynamic performance
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 100039
针对大口径离轴长条形反射镜光轴水平向检测的需要，设计了一套检测支撑结构。优化了结构参数，实现了由支撑结构引起的镜面面形误差最小化。通过比较长条形反射镜光轴水平向检测支撑的级联多点支撑结构，选择了结构简单、扩展性和调整性优良的两点单层固定支撑结构。利用集成仿真与优化方法，分析计算反射镜镜面面形误差随支撑间隔的变化趋势，确定了最优支撑间隔。最后，利用干涉仪结合补偿器的检测方式，对不同支撑间隔工况下镜面面形进行检测，验证了仿真分析的可靠性。结果表明: 在支撑间隔为564 mm时，由检测支撑引起的镜面面形误差最小(RMS=8.26 nm)，干涉检测得到的镜面面形误差随支撑间隔的变化趋势与仿真得到的趋势相符，仿真结果可靠性高。提出的方法可实施性好，可推广到其他大口径离轴长条形反射镜的设计和检测中，为离轴三反(TMA)相机的设计提供技术基础。
离轴长条形反射镜 检测支撑 面形误差 集成仿真与优化 离轴三反相机 off-axis rectangular mirror detection support surface shape error integrated simulation and optimization Three Mirror Anastigmat(TMA) camera 光学 精密工程
2015, 23(10): 2835
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 100039
采用背部三点支撑方式的空间光学遥感器长条形反射镜目前尚无普遍适用的支撑点设置方法,只能对某一确定尺寸和长宽比的反射镜进行专门设计。本文提出了基于规则模型的、以参数化模型为核心的集成参数化设计方法,并建立了长条形实体反射镜背部三点支撑集成参数化模型。在集成环境中通过试验设计、响应面分析等方法对设计参数进行了分析和优化,结果表明在轴向重力工况,镜面面形峰谷(PV)值优于λ/10 (λ=632.5 nm)的设计要求下,长条形碳化硅反射镜背部三点支撑的最大适用尺寸为1 m。文中给出了最优支撑点布置,并确定了厚径比最优为1/10。最后,对集成参数化分析方法进行了精度分析,结果显示该方法整体误差为6.13%。提出的方法确定了空间长条镜背部三点支撑的适用范围,提供了支撑点最佳布置,为空间相机不同尺寸要求的长条镜设计打下了基础。
空间光学遥感器 空间反射镜 长条形反射镜 参数化设计 集成优化 背部支撑 space optical remote sensor space mirror rectangular mirror parametric design integrated optimization rear mounting
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033
2 中国科学院研究生院，北京 100049
在保证空间光学遥感相机反射镜结构刚度、面形精度的同时，最大限度的降低反射镜质量，成为各国新兴的、重要的研究课题。本文从材料、支撑形式、相关几何参数以及轻量化结构形式等方面对反射镜进行详细设计。提出了通过拓扑优化确定反射镜背部轻量化形式的方案。采用有限元分析法对获得的优化结果进行分析。分析结果表明：重力载荷下面形精度达到 λ/10 PV，λ/50 RMS (λ=632.8 nm)，PV值 7 nm，RMS值 1.68 nm，反射镜组件一阶固有频率 256 Hz，均优于传统结构形式的反射镜，能够满足应用要求。
空间相机 长条形反射镜 轻量化 有限元分析 space camera rectangular mirror lightweight finite element analysis
