一种抑制反射光学镜面热变形的方法与流程

本发明属于光学仪器和光学设备领域，用于在温度变化的条件下，控制热效应对反射光学镜面表面形状的影响。

背景技术：

1、随着光学遥感技术的快速发展，人们对遥感探测器及其测试系统的分辨率提出了越来越高的要求。增大通光口径是提高光学系统分辨率的有效方法，但随着通光口径的增大，反射镜的尺寸、重量也将变大，为了满足发射或动态测试需求，通常需在保证性能的前提下，对反射镜进行轻量化。轻量化后反射镜对温度的敏感性较高，较小的温度变化也能导致反射光学镜面的表面形状发生变化。反射镜作为遥感器的核心部件，一般都采取热控制措施来保证使用的温度范围，但仍存在一定的温度载荷。因此，控制温度对反射镜面形的影响对提高探测器的灵敏度至关重要。

2、目前，控制温度对反射镜面形影响的方法有三大类。第一种是结构材料采用与反射镜热膨胀系数接近的材料，减小反射镜与结构件之间的热变形差，降低热效应的影响；第二种是以反射镜组件整体作为研究对象，对其进行参数优化或拓扑优化，提高组件热稳定性；第三种是以柔性支撑作为保证热尺寸稳定性的关键性元件的进行优化。上述三种方法对于控制温度对反射镜面形的影响起到了很多积极作用，但也会引入一些新的问题，例如：选用第一种方法时，若反射镜接近零膨胀，对应的结构材料价格昂贵，大范围的使用会增加设备的研制成本与加工难度；以反射镜组件作为优化对象时，可能会引起组件重量的增加和结构形式的变化；以柔性支撑作为优化对象时，当反射镜与支撑结构的热特性差异较大时，所需柔性会增大，对应光学组件的刚度降低、动态性能变差。

技术实现思路

1、针对现有技术的上述不足，本发明提出一种新的控制温度对反射镜面形影响的方法。通过匹配合适的背板材料，使柔性支撑自由端力矩与力之比的负数，接近柔性支撑自由端单位力与力矩产生的面形误差之比，从而使得力与力矩引起的面形误差相抵消，减小温度对面形误差的影响。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种抑制反射光学镜面热变形的方法，包括如下步骤：

4、步骤1：构建反射光学镜面支撑模型，所述反射光学镜面支撑模型包括反射镜组件和主承力框架，所述反射镜组件包括反射镜、柔性支撑、背板，所述柔性支撑的一端固定于反射镜，另一端为柔性支撑自由端，与背板相连，温度变化时，反射镜的尺寸近似不变，背板的外形尺寸发生变化，所述反射镜组件通过自身的背板与主承力框架相连，所述主承力框架用于支撑整个反射镜组件及其它结构部件；

5、步骤2：将温度载荷引起的面形误差δ分解为柔性支撑自由端的径向力引起的误差δf与柔性支撑自由端的力矩引起的误差δm，即：

6、δ＝δf+δm＝fzδf1+myδm1

7、式中：fz为径向力；my为力矩；δf1为柔性支撑自由端的单位力产生的面形误差；δm1为柔性支撑自由端的单位力矩产生的面形误差；

8、步骤3：获取柔性支撑自由端的力矩与力之比，获取柔性支撑自由端的单位力与力矩产生的面形误差之比；包括：

9、测算柔性支撑自由端的单位力产生的面形误差δf1和柔性支撑自由端的单位力矩产生的面形误差δm1，据此计算出二者的比值

10、对反射光学镜面支撑模型施加温度载荷，获得使用不同材料的背板时柔性支撑自由端的力fz与力矩my，并求解出不同材料的背板对应的值；

11、步骤4：对比计算出的各组比值选择与比值最接近的一组，利用公式δ＝δf+δm＝fzδf1+myδm1复算采用该材料的背板时反射镜的面形误差，温度载荷引起的面形误差δ满足指标要求为合格；若不满足，则重复步骤3，直至满足使用要求。

12、进一步的，步骤1中，所述柔性支撑上加工有柔性沟槽，其一端与反射镜直接或间接连接。

13、进一步的，步骤1中，所述反射镜采用但不限于微晶、ule的膨胀系数极小的材料。

14、进一步的，步骤2中，δf1和δm1由反射镜和柔性支撑的力学性能决定，对于特定的反射镜和柔性支撑，δf1和δm1为定值。

15、进一步的，步骤2中，温度载荷作用时，在柔性支撑自由端的位移量uz及偏转角θy下，比值与比值越接近，温度引起的反射镜的面形误差值越小。

16、进一步的，步骤3中，以反射镜组件作为分析对象，将单位力或者力矩分别施加至柔性支撑自由端，采用理论计算或者软件分析的方式，计算出柔性支撑自由端的单位力产生的面形误差δf1、柔性支撑自由端的单位力矩产生的面形误差δm1。

17、进一步的，步骤3中，以反射光学镜面支撑模型作为分析对象，采用有限元软件对镜组支撑模型施加温度载荷，计算出使用不同材料的背板时柔性支撑自由端的力fz与力矩my，并求解出不同材料的背板对应的值。

18、进一步的，计算时，仅在反射光学镜面支撑模型中修改背板的材料类型。

19、与现有技术相比，本发明具有以下的优点：

20、1、采用本发明控制温度对反射镜面形的影响时，不会改变反射镜组件及整个光机系统的拓扑结构，避免了采用现有方法所带来的繁琐的设计任务；

21、2、采用本发明控制温度对反射镜面形的影响时，唯一需要变化的是背板的材料种类，因此反射镜组的刚度、动态性能基本无变化；

22、3、采用本发明控制温度对反射镜面形的影响时，不再要求主承力框架及背板使用低膨胀系数的材料，降低了研制成本。

技术特征：

1.一种抑制反射光学镜面热变形的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种抑制反射光学镜面热变形的方法，其特征在于，步骤1中，所述柔性支撑上加工有柔性沟槽，其一端与反射镜直接或间接连接。

3.根据权利要求1所述的一种抑制反射光学镜面热变形的方法，其特征在于，步骤1中，所述反射镜采用但不限于微晶、ule的膨胀系数极小的材料。

4.根据权利要求1所述的一种抑制反射光学镜面热变形的方法，其特征在于，步骤2中，δf1和δm1由反射镜和柔性支撑的力学性能决定，对于特定的反射镜和柔性支撑，δf1和δm1为定值。

5.根据权利要求1所述的一种抑制反射光学镜面热变形的方法，其特征在于，步骤2中，温度载荷作用时，在柔性支撑自由端的位移量uz及偏转角θy下，比值与比值越接近，温度引起的反射镜的面形误差值越小。

6.根据权利要求1所述的一种抑制反射光学镜面热变形的方法，其特征在于，步骤3中，以反射镜组件作为分析对象，将单位力或者力矩分别施加至柔性支撑自由端，采用理论计算或者软件分析的方式，计算出柔性支撑自由端的单位力产生的面形误差δf1、柔性支撑自由端的单位力矩产生的面形误差δm1。

7.根据权利要求1所述的一种抑制反射光学镜面热变形的方法，其特征在于，步骤3中，以反射光学镜面支撑模型作为分析对象，采用有限元软件对镜组支撑模型施加温度载荷，计算出使用不同材料的背板时柔性支撑自由端的力fz与力矩my，并求解出不同材料的背板对应的值。

8.根据权利要求7所述的一种抑制反射光学镜面热变形的方法，其特征在于，计算时，仅在反射光学镜面支撑模型中修改背板的材料类型。

技术总结
本发明公开了一种抑制反射光学镜面热变形的方法，其步骤包括：构建反射光学镜面支撑模型；获取柔性支撑自由端的力矩与力之比，获取柔性支撑自由端的单位力与力矩产生的面形误差之比；利用最接近的一组比值复算采用该材料的背板时反射镜的面形误差，直至温度载荷引起的面形误差满足使用要求。采用本发明控制温度对反射镜面形的影响时，不会改变反射镜组件及整个光机系统的拓扑结构，避免了采用现有方法所带来的繁琐的设计任务；反射镜组的刚度、动态性能基本无变化；不再要求主承力框架及背板使用低膨胀系数的材料，降低了研制成本。

技术研发人员：张露,何鹏,李志
受保护的技术使用者：中科院南京天文仪器有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/6/30