[发明专利]用于大口径空间光学反射镜加工的支撑系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种大口径光学反射镜在加工和检测中的支撑技术，属于超精密光学加工及检测领域。

背景技术

随着光学技术的发展，被加工光学反射镜的口径不断增加，反射镜的支撑设计和实施成为一个非常重要的技术环节，这是因为在重力作用下反射镜自身的变形将直接影响到镜面面形，而当这样的变形达到一定程度后会对检测和加工造成很大影响并直接影响最终的镜面成像质量。

目前常用的大口径光学镜面支撑方式主要有单列多列支撑、多点支撑。

单列支撑是指将圆形光学反射镜水平放置在一个很窄的圆柱形支撑环上，支撑环的半径小于等于光学反射镜半径。反射镜是完全“自由”的放置在支撑环上，是一种被动支撑的支撑方式。研究表明，支撑环位于反射镜半径2/3的处为最佳支撑位置。而当单列支撑不能满足镜面变形要求时则可采用多列支撑，如将三列支撑环分别设置在光学反射镜1/3环带、2/3环带和边缘处时，它们各自承担了镜子总重量的0.253，0.484和0.263。这种支撑方式下支撑位置并不是均布的，支撑环带之间易发生局部重力变形，难以满足完全卸载重力的要求。

多点支撑是采用多个支撑点承担反射镜的重力，如三点支撑、六点支撑、九点支撑等。众所周知，不在同一直线上的三点可以支撑任何形状的表面，如果再加上第四个支撑点则需要进行精确调整，这非常困难。所以最简单的支撑方式是将反射镜直接放置在三个刚性支撑点上，对于轴对称光学反射镜可以将三个支撑点均布在同一圆周上。事实上，三个刚性支撑点仅可起到定位作用，如全部用于承担反射镜重力则很难保证其变形量控制在可接受范围内。若在三个固定支撑点上分别安装三角形托架，托架和固定支撑点之间采用球头铰链连接并在托架的每个顶点上设置指点，那么就可变成两层3×3＝9点的支撑。以此类推可以扩展成27点、81点等多点支撑。这种结构简单明了，性能也较稳定，但是其缺点是一旦系统确定(支撑结构和反射镜确定)各支撑点上支撑力的分布就已经确定，无法进行干预，对于局部大变形无法校正，也是一种被动支撑设计。

上述支撑方法在地基望远镜的大口径光学镜面制造中均实现了成功应用，但未见成功用于空间反射镜加工的相关文献，其原因在于被动支撑方式支撑力由系统自动分配无法人为干预，因此很难使光学反射镜的受力状态接近于零重力状态，局部大变形难以校正。

综上所述，相互独立的多点支撑虽可以自由排布支撑点位置和施加支撑力大小，合理校正各区域局部变形但是调整复杂，在系统处于平衡状态下无法承受加工压力，给加工带来困难。另一种多点支撑设计是将所有支撑点都安装在同一层上，相互独立，利用杠杆原理将支撑点和重物设置在杠杆的两端，通过改变重物端力臂实现调整支撑点处的支撑力，每个支撑点处的支撑力均独立可调。这种支撑方式在支撑点的排布和支撑力的调整上比较灵活，但是其缺点也非常明显即系统达到力学平衡状态后施加任何外力均会破坏平衡状态，因而无法承受加工工具的压力，不适用加工。

同时，由于反射镜镜面的加工取决于检测，因此设计合理的检测支撑并有效实施显得尤为重要。对于光学反射镜来说，最佳的支撑设计应该是能够实现加工、检测和实际应用采用相同的支撑方案，即能够将上述三种状态的外部环境进行统一。地基望远镜主反射镜的加工检测和使用状态比较容易统一，但是天基空间光学系统则无法实现，这是因为空间反射镜是在太空失重或微重力环境中工作的，空间和地面的力学环境完全不同。从某种意义上来说地基光学系统的反射镜只要能够保证检测和使用的支撑状态基本一致即可保证完成加工的面形和实际使用中面形的一致性，对镜面本身的变形控制并不需要非常严格，而要实现地面完成加工后的反射镜面形和进入太空后面形保持一致就必须通过精确的支撑卸力来保证，其技术难度远大于地基光学系统。

发明内容

本发明的目的是改变目前大口径光学反射镜加工的支撑方式所存在的局限性，提供一种用于空间大口径光学反射镜加工中能有足够的支撑力承受加工压力，检测时基本消除重力变形接近空间失重的受力状态的支撑系统。