中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

十米级及以上口径光学望远镜是现代天文学研究的核心观测设备，其主镜系统通常由数百块口径约1.5米的离轴非球面子镜拼接而成。由于这些子镜对应二次曲面的离轴区域，传统非球面加工工艺面临效率低、成本高以及中高频面形误差抑制困难等挑战，难以满足大口径离轴子镜批量化、高精度的制造需求。
预应力磨制(Stressed mirror polishing,SMP)技术通过在镜面边缘施加可控的弯矩与剪切力，使镜面产生与目标非球面相反的弹性变形，加工成特定曲率的球面后释放应力，镜面可弹性恢复为所需的非球面面形。该技术已成为大口径离轴非球面子镜批量化制造的有效手段，但当前国内对大口径离轴非球面镜的预应力磨制工艺尚不成熟。针对上述问题，本文开展预应力加载装置在载荷控制精度、多轴控制及面形调控能力等方面的研究，主要工作与创新点包括：（1）研究了离轴非球面应力变形理论模型。推导了离轴非球面与最佳拟合球面之间的偏离量函数；研究了圆形薄镜面在边缘载荷作用下产生低阶像差（离焦、像散、彗差及三叶像散）的力学求解模型，并对比了不同加载点数量下的边缘载荷分布特性；阐述了Zernike多项式展开及面形拟合原理。
（2）研制了48轴分布式预应力加载控制系统。基于EtherCAT总线构建了分布式控制架构，依托TwinCAT3平台实现实时控制内核，并结合驱动器的力控制模式，达成硬件级力闭环控制。开发了配套的单轴调试工具及多轴加载界面。采用EtherCAT分布式时钟机制，保障了多轴同步性；并通过阶跃响应测试与多轴力闭环实验，验证了系统的力控精度与多轴协同性能。
（3）开展了预应力面形调控实验。以一块口径1520 mm、厚度45 mm的微晶玻璃镜坯作为加载对象。通过单个低阶像差加载实验，验证了系统具备离焦、像散、彗差及三叶像散的线性调控能力，并建立了产生单位像差的驱动模式，为面形调控提供标定基础；开展了复合像差加载实验，通过对不同离轴量子镜的所需变形量开展加载测试，验证了系统的加载幅度可满足工程需求；提出一种闭环迭代补偿机制，可提升面形调控精度；随后，在同一驱动模式下进行多轮加载实验，验证了系统的重复性加载精度。
（4）验证了一种自包含式低阶像差加载装置。该装置将促动器作用力及反作用力均用于驱动镜面变形，相同加载点配置下所需促动器数量减少一半；基于不同周向位置促动器驱动产生的面形影响函数，可求解出低阶像差驱动模式；通过铝镜加载实验，验证了装置具备对低阶像差的线性调控能力和较大的加载幅度。