大型光学望远镜次镜调整机构综述_王富国.pdf
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1、书书书第 卷第期 年月光学技术 文章编号:()大型光学望远镜次镜调整机构综述王富国,卢保伟,杨飞(中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 )(中国科学院大学,北京 )摘要: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
2、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。关键词:大型光学望远镜;次镜系统;调整机构中图分类号:;文献标识码:,(,)(,):,:;收稿日期:;收到修改稿日期:基金项目:国家自然科学基金委员会,国际(地区)合作与交流项目()作者简介:王富国(),男,研究员,博士,从事大型望远镜光机系统设计与仿真研究。卢保伟(),男,硕士研究生,从事大口径望远镜光机结构设计与分析研究。通讯作者:DOI:10.13741/ki.11-1879/o4.2023.02.020引言大型光学望远镜的重要作用就是用作天文观测,为了观测到更大的宇宙空间,就需要将望远
3、镜的口径进行提高。自从望远镜的诞生并且被伽利略用于天文观测和研究以来,已经经历了四百多年的发展历程,其口径从以前的几厘米发展到如今的几十米,目 前 世 界 上 单 个 主 镜 最 大 的 望 远 镜 口 径 为 ,如大型双筒望远镜(),的两个主镜均为 。美国加州大学和加州理工学院负责研制的 望 远 镜(),欧 洲 南 方 天 文 台 的 望远镜(),由 块 子镜单元组成的口径达 的望远镜(),等大口径拼接式望远镜均在研究与筹建中。随着望远镜的发展,它的用途也越来越广泛,如对地外空间的人造卫星等进行普查编目与成像识别,对太空垃圾进行监视等,不再单单用于纯粹的天文观测。望远镜的核心部分为主镜,次镜
4、,部分还有三镜。图是大口径望远镜系统常常采用的同轴主望远光学系统,来自宇宙的光线由主镜反射到次镜,然后由次镜反射聚焦于主镜后方一点,最后由接收仪器接收光线。对于次镜系统来说,一方面,在受到自身重量和环境温度等因素的变化影响时,要求次镜能够保持其良好的面型精度;另一方面,在制造、安装、重力、传热和材料性质变化等因素的影响下,会导致主次镜间出现相对的位姿偏移,然后导致光轴倾斜,从而影响整个系统的指向精度和成像品质。因此,需要对主次镜间的相对位姿进行校正,由于主镜质量较大,移动主镜比较困难,而次镜一般较小,所以要求次镜能在多个自由度方向实现调整功能。次镜支撑和调整机构作为望远镜系统的重要组成部分,其
5、功能就是支撑和调整次镜的位姿,使次镜相对于主镜保持一个相对范围的位置和姿态,进而保证望远镜系统的正常成像。图同轴主望远光学系统示意图本文首先阐述了大型望远镜次镜支撑调整机构,然后介绍了世界上一些望远镜的次镜调整机构,接着对次镜调整机构的结构进行对比分析,最后针对不同望远镜的应用场景,对次镜调整机构的设计进行总结。本文旨在通过分析不同望远镜的次镜调整机构的结构形式,结合实际情况,对次镜调整机构进行总结,为未来大口径望远镜的次镜调整机构设计提供参考。大型望远镜次镜调整机构发展现状 次镜支撑调整机构次镜机构组件通常包括三个部分:支撑整个次镜系统的桁架和环梁结构,支撑次镜筒的 叶片以及次镜调整机构,如
6、图所示。叶片一般根据薄钢带预紧原理设计成方形结构、四翼梁式的环形结构或薄桁架结构,它主要具有结构稳定,加工和装配较为容易,以及中心遮拦较小等优点。叶片结构中比较经典的是中心对称交叉分布的薄板支撑结构,其扭转刚度可以通过叶片的偏移来增 加。对 于 重 量 较 大 的 主 焦 点 式 次 镜 系统,为了支撑次镜组件的重量,叶片的每根梁由上下两片叶片组成,并且垂直于镜筒的轴线方向,为了使次镜不偏斜,次镜机构的重心必须正好穿过四根翼梁的中心线。也可以将支撑 叶片的大圆环结构改为八边形或者正方形,与四翼梁的叶片构成三角形结构,此时的叶片可以采用预加载的薄钢带形式。图次镜机构组件次镜调整机构的功能包括轴向
7、离焦调整、倾斜校正、消除主次镜位置偏差引起的三阶彗差、红外调制技术中次镜快速摆动的斩波()。因此,次镜的调整机构至少要设计成自由度的系统,甚至有些系统采用自由度或自由度的调整机构。若以光轴方向为轴方向,与轴垂直的平面为 平面,则自由度系统可以沿光轴方向移动调节主次镜之间的距离来调整主次镜之间的轴向离焦,绕 方向的偏转来校正主次镜光轴的倾斜引起的像差,如图所示;自由度调整机构则在自由度机光学技术第 卷构的基础上,增加了 方向上的两个平移,除了可以校正轴向离焦和光轴倾斜引起的像差外,还可以校正主次镜横向偏差引起的像差,如图所示;自由度调整机构在自由度机构的基础上增加了绕轴方向的转动自由度,但由于次
8、镜一般为圆形,故绕轴的转动自由度一般是不必要的。其中最典型的自由度机构是杆万向平台机构,由 在 年提出,因此也被称为 平台或六足平台。它由移动平台、固定平台和六个伸缩支腿组成,支腿与上下平台通过铰链连接,通过六个支腿的伸缩可以调节移动平台的位。图主次镜光轴倾斜偏差示意图图主次镜横向偏差示意图 国外大口径地基望远镜的次镜调整机构 望远镜 望远镜()是世界上最大的可见光专用巡天望远镜,口径为 ,采用反射式光学系统。其中次镜口径为 ,为了精确地校正主次镜相对位姿之间的误差,保证主次镜间的位置和姿态保持一个范围,巡天望远镜采用 平台对次镜进行个自由度的调整,如图所示。该 平台由动平台、静平台和个驱动器
9、组成,其中,动平台与次镜支撑结构连接,静平台通过薄片梁与镜筒连接,采用直流无刷电机驱动,精密丝杠机构传动,采用万向铰链作关节。次镜系统一阶频率为 ,二阶频率为 ,三阶频率为 。该 平台的向调焦范围可以达到,精度,向移动行程为,精度为,向转动范围可以达到 ,精度 。图 巡天望远镜次镜调节装置 望远镜 ()望远镜 坐落于智利,的光学系统采用独特紧凑的三反射镜设计,主镜口径达到 ,次镜口径 ,三镜口径 ,具有 宽视场,该望远镜的次镜系统质量很大,可达 ,因此采用了 个作动器在背部对其进行支撑,次镜系统的基频为 。也是采用了 并联调整机构对其进行调节,除了它的次镜系统外,还有主镜的硬点定位系统以及相机
10、调整系统等。由于其次镜调整机构不适合采用传统形式的六足机构,因此次镜组件的支撑与调整机构在结构形式上与传统的六足机构构型不同,采用了一种类似于六足机构的六点促动的调整方案,如图所示,利用音圈电机作为驱动,来主动调整次镜组件的位姿,实现次镜的定位调整功能。图 望远镜及次镜 相机的调整机构如图,相机安装固定频率约为 ,采用 并联平台的形式。由于相机部分的重量约为 ,支撑调整机构的负载很大,同时对支撑调整机构的尺寸也有很大的限制,因此与其他大型望远镜的次镜调整六足机构不同,它的特点在于调整机构的刚度要求很高,实现了大载荷的位姿调节。它的驱动支杆采用电机驱动,经过谐波齿轮减速器减速后,带动滚珠丝杠运动
11、的传动方案,为了减小了支杆两端的间隙,设计了一种柔性铰链来代替传统的胡克铰链,从而可以提高机构的运动精度,通过直线位移传感器对驱动支杆的长第期王富国,等:大型光学望远镜次镜调整机构综述度变化量进行测量,并设计限位开关进行行程保护。最终,相机的向调焦精度为,、向平动精度为,、向转动精度为,向的转动精度为,能够满足大负载的位姿调整要求。图 相机及 调整机构 望远镜 ,是由欧洲南方天文台()牵头的一个项目,它的光学解决方案是使用一个 拼接主镜()、一个 凸面次镜()和一个 凹面三镜(),次镜组件的第一阶模态为 。除了对光束反射的要求外,次镜单元还应能够主动修改光学表面的位置和形状,以纠正由制造、集成
12、、重力载荷变化、热致变形和风载荷引起的像差。次镜单元组件结构如图所示。为了提供镜像对准功能,整个次镜组件通过六个位置执行器相对于结构移动,这些位置执行器分布在修改后的六足几何结构中。选择蜗轮系统作为解决方案,满足 冲程、绝对定位和 分辨率的规范。轴和轴的角度精度为弧秒,目标为弧秒,如图所示。图 次镜单元组件图定位致动器组件 视图 威廉赫歇尔望远镜()威廉赫歇尔望远镜 是一架口径 的近红外反射式望远镜,是威廉赫歇尔望远镜的下一代宽视场光学光谱设备。为了补偿温度和重力引起的图像退化的影响,整个主焦点校正系统将沿望远镜光轴平移。校正是通过使用一组特制的执行器完成的,被统称为焦点校正系统(),由四个独
13、立控制的焦点校正单元()、将焦点校正单 元 连 接 到 中 央 罐 体 的 八 个 叶 片 和 承 载 仪器的中央罐体组成。每个 能够提供 的最大行程,并提供足够的合力来移动吨重的组件,定位精度为,分辨率为。四个 的协调运动允许光轴上 焦距调整,一个轴上 倾斜校正。系统的第一频率以 (扭转)评估,第二频率以 (平移)评估。主聚焦校正器()系统由校正器、大气色散补偿器、仪器旋转器和仪器聚焦机构组成,如图 所示。图 系统部件示意图 项目 望远镜该项目将碳纤维增强塑料()技术用于生产光学管组件()和天文望远镜设备的镜子。其整个头环、支架和次镜安装组件的质量小于 。次镜通过简单的三点安装安装在次镜支架
14、上。六支支撑管用于连接上端(头环,蜘蛛叶片和次镜支撑)到 的 。这六个支柱的长度可调,并形成一个六脚控制系统。因此,主镜和次镜之间的调整有个自由度。支柱管使用万向节型安装座安装到头环和 基座上,布置如图 所示。在 端的支柱底部,是通过精密滚珠丝杠安装到 万向节。滚珠丝杠组件用于调整支撑管的长度,滚珠丝杠螺母的预紧力消除了这种调整中的侧隙,滚珠丝杠是由纳米运动压电陶瓷马达驱动和控制的,图 说明了这种安排。精密长度编码器用于反馈位置与驱动系统的每个支柱,所有的电机,滚珠丝杠和驱动都保持在支柱管的下端。低质量的光学技术第 卷顶端组件和光学系统允许使用这种独特的压电驱动的支柱管调整,当没有动力时,这些
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