大口径非球面检测设备关键光学元件支撑优化设计

NIAOT OpenIR > 学位论文

	大口径非球面检测设备关键光学元件支撑优化设计
	朱星申
学位类型	硕士
导师	宫雪非
	2017-05
学位授予单位	中国科学院大学
学位授予地点	北京
学位专业	工学硕士
关键词	大口径有限元分析 Zernike多项式响应面优化
摘要	随着天文学研究的不断进步，人类对于宇宙的观测也越来越深入，这催生了天文望远镜口径的不断增大。在已经拥有约14架8-10米级的光学红外望远镜之后，天文学家开始了更大口径的望远镜的建造，其中美国三十米望远镜正是目前在建的下一代极大口径望远镜的代表之一。为确保望远镜主镜中近500面口径1.5米拼接子镜的面型精度，对三十米望远镜中每一块拼接子镜进行精确的镜面检测工作尤为关键。本文基于光学检测设备中的大口径关键光学元件进行支撑结构的设计与优化分析，使得检测装备能够最终达到要求的检测精度。大口径子镜检测设备中主要有三个模块：同步移相干涉测试模块，缩焦与补偿模块和定标校正模块。缩焦与补偿模块中的缩焦透镜，直接参与到检测光路的成像，对其成像质量要求较高：定标校正模块中的标准反射镜用于实测检测光路中的误差，实现高精度检测要求。因此缩焦透镜和反射镜这两个大口径的光学元件在检测设备中尤为关键。本文主要以1.6米大口径非球面透镜和1.5米大口径球面反射镜作为主要的研究对象，进行了如下几个方面的工作：（1）概述国内外大口径天文望远镜的现状以及未来的规划，侧重阐述美国三十米望远镜拼接子镜光学检测工作的重要性。本文主要研究检测系统中的大口径透镜和大口径反射镜在竖直方向下支撑方案的优化设计与分析，以及大口径反射镜镜面的轻量化设计工作。（2）针对1.6米大口径透镜的支撑要求，采用上拉下推的竖直支撑方案，借助有限元分析软件Ansys，采用多目标遗传算法进行初步优化，结合数值模拟软件Design-Expert进行响应面法优化，进而获得最终的支撑方案，确定了支撑点的数目、位置以及支撑力的大小。此外，在保证透镜两个表面变形分别达到精度要求的同时，引入透射波前像差来评价透镜整体在光轴方向的变形情况。（3）采用Zernike多项式对镜面变形数据进行处理，分离出镜面变形中的刚体位移和表面畸变，计算拟合过后的镜面变形和透射波前像差RMS值等，为后期检测系统进行安装调试时提供数据支持和参考。（4）针对1.5米大口径玻璃反射镜，将反射镜的轻量化工作与支撑结构的设计集成分析，提出了一种新型的玻璃镜面轻量化结构形式，并选择合适的支撑方案，从轻量化率，支撑方案工艺性和面形精度三方面综合考虑，开展优化设计工作选择。再依据仿真结果，设计杠杆平衡重卸载机构和支撑装配三维模型，导入有限元分析软件，计算出镜面变形RMS值，评价面型精度是否符合要求。本文的创新点主要包括以下几个方面：（1）对于1.6米大口径透镜的支撑设计，在国内比较少见，需要考虑透镜前后两个表面的变形情况以及透镜整体透射质量，采用多目标优化算法，优化出最佳的支撑点的数目，支撑力的大小以及支撑点的位置，引入透射波前像差来评价变形后的透镜透射质量。（2）针对大口径的玻璃光学镜面支撑，本文提出侧向打方孔的新型轻量化形式。同时将轻量化形式与支撑方法集成化分析，保证较好的面型精度的同时，兼顾了支撑系统的结构设计和工艺难度，以及合理的高轻量化比率。
学科领域	精密仪器及机械
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.niaot.ac.cn/handle/114a32/1407
专题	学位论文
作者单位	南京天文光学技术研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	朱星申. 大口径非球面检测设备关键光学元件支撑优化设计[D]. 北京. 中国科学院大学,2017.