齊荔荔，王剛，武國梁，王磊

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，長春130033)

展開式拼接望遠鏡粗共焦共相調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計

齊荔荔，王剛，武國梁，王磊

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，長春130033)

為實現(xiàn)展開式拼接望遠鏡粗共焦共位相的調(diào)整，本文采用三塊子鏡拼接的方式進行主鏡面形的調(diào)整。首先由步進電機和直線電機實現(xiàn)宏動范圍(微米量級)內(nèi)動態(tài)子鏡的展開，然后由壓電促動器進行微動范圍(納米量級)的調(diào)整。由三組壓電促動器構(gòu)成的三自由度調(diào)整平臺可實現(xiàn)對子鏡傾斜誤差和活塞誤差的精密調(diào)整。經(jīng)試驗驗證，三自由度調(diào)整平臺對反射鏡調(diào)整后的誤差小于0.5″；利用ZYGO干涉儀對三子鏡光學(xué)系統(tǒng)進行共焦檢測，測試結(jié)果顯示三塊子鏡達到了共焦調(diào)整的目的。拼接式望遠鏡粗共焦共位相的調(diào)整為進一步面形誤差補償，最終實現(xiàn)精共焦共位相提供了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

展開式拼接望遠鏡；粗共焦共位相；壓電促動器；三自由度平臺

0 引言

高分辨力天文觀測、星際探測和空間遙感等對于科學(xué)研究具有不可替代的重要價值，然而光學(xué)系統(tǒng)的分辨力受到孔徑衍射的限制，對更高空間分辨力的追求不可避免對光學(xué)系統(tǒng)的口徑提出更大的要求。但是光學(xué)望遠鏡，特別是航天望遠鏡，其主鏡尺寸直接受制造成本及運載能力的限制。常規(guī)設(shè)計的傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)由于整體主鏡尺寸過大、過重，制造和發(fā)射成本必然會成幾何級數(shù)增加，甚至無法運載。因此，在空間天文和遙感領(lǐng)域，為了達到更高的分辨能力，歐美等國家對光學(xué)超大口徑光學(xué)望遠鏡系統(tǒng)的設(shè)計和研制已

經(jīng)從早期的單體大孔徑模式發(fā)展到子鏡拼接并通過展開方式合成等效的超大孔徑模式，拼接技術(shù)應(yīng)用也從地面轉(zhuǎn)向了太空[1-3]。

80年代末90年代初，子孔徑拼接光學(xué)系統(tǒng)得到了快速發(fā)展，特別是在應(yīng)用概念研究方面己經(jīng)取得了許多成果。1996年，NASA提出了“Origins”天文觀測計劃，目的是獲得宇宙起源和外星生命是否存在的證據(jù)。為了實現(xiàn)上述目的，必須提高望遠鏡的分辨力和靈敏度。提高分辨力的主要手段是增大儀器的通光口徑和合成孔徑技術(shù)，而天基系統(tǒng)受到飛行器有效載荷艙體積的限制，其系統(tǒng)發(fā)射直徑要小于5 m，因此，子孔徑拼接技術(shù)成了增大空間望遠鏡通光孔徑的主要技術(shù)途徑。

美國正在研制的第二代哈勃空間望遠鏡(JWST)，為了獲得比在軌運行中的哈勃空間望遠鏡更高的成像分辨力，擬采用通光口徑達6.5 m的可展開式分塊主鏡，并在軌實現(xiàn)光學(xué)共位相成像。為此，大力開展了適于空間環(huán)境工作的共位相校準技術(shù)研究[4-5]。

展開式主鏡是由數(shù)個小尺寸的曲面子鏡組成，各子鏡獨立加工、通過展開機構(gòu)和精密壓電傳感器使其按照設(shè)計排列布局并精密地以“共位相”方式拼接在一起合成一個完整的主鏡[6-9]。事實上，每個子鏡雖然是相對獨立地在像面上形成互相分離的子孔徑像，但是為了達到接近全孔徑的衍射分辨力，必須研究如何有效地對各個子鏡位置、面型進行精密控制使其波前達到共位相，而不是使各子鏡的像簡單地交疊在一起。

本文通過主動光學(xué)調(diào)整方式對展開式拼接望遠鏡進行粗共焦共位相的調(diào)整，以達到拼接子鏡面形精度在1 μm以內(nèi)，為精共焦共位相的調(diào)整奠定基礎(chǔ)。

1 展開式拼接望遠鏡系統(tǒng)設(shè)計

光學(xué)系統(tǒng)采用折反射式系統(tǒng)，三維效果圖如1所示。系統(tǒng)中含展開式主鏡、次鏡兩組反射鏡，7塊用于平衡球差和色差的透鏡，以達到焦距4 000 mm，等效口徑500 mm。

為了簡化展開式主鏡的調(diào)整形式，主鏡的三塊子鏡采取兩塊靜態(tài)調(diào)整，一塊動態(tài)展開后再做精密調(diào)整的形式，其中展開機構(gòu)采取以精密支撐鉸鏈機構(gòu)的方式，實現(xiàn)主鏡子孔徑單元的展開和收攏，保證系統(tǒng)主鏡的有效通光面積和波前精度。精密展開機構(gòu)是整個光學(xué)系統(tǒng)展開機構(gòu)的重要組成部分，其系統(tǒng)主要包括子鏡精密展開機構(gòu)、子鏡定位機構(gòu)、子鏡支撐及鏡面調(diào)整機構(gòu)等，其總體結(jié)構(gòu)圖如圖2(a)所示。設(shè)計中采用兩塊子鏡靜態(tài)調(diào)整，一塊子鏡動態(tài)展開調(diào)整的形式，其中動態(tài)展開子鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2(b)所示。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)原理圖Fig.1The principle diagram of optical system

在系統(tǒng)的調(diào)整方式上采用多級調(diào)整，實現(xiàn)由宏動到微動，即從毫米到納米調(diào)整過程。

圖2 展開式望遠鏡機械原理圖Fig.2The machine principle diagram of the deployable telescope

1.1 宏動調(diào)整

在宏動調(diào)整機構(gòu)的設(shè)計上，采用步進電機加精密絲杠和直線電機的工作方式進行子鏡展開，并采用精

密平移臺使三面子鏡均勻分布，最終實現(xiàn)共焦共位相10 μm量級的調(diào)整。

宏定位系統(tǒng)用于實現(xiàn)大行程范圍內(nèi)的定位，同時獲得一定的定位精度，為微定位系統(tǒng)的精密定位建立一定的基礎(chǔ)。首先由步進電機帶動精密絲杠將子鏡展開，運動方式采用大范圍的行程，通過光電傳感器的位置反饋，使目標展開精度控制在毫米量級，然后再由直線電機對子鏡進一步的展開。直線電機可以直接提供直線運動，無需中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，從而減小了因傳動鏈而引入的振動和誤差。與絲桿螺母機構(gòu)工作臺相比，直線電機工作臺的速度更高，加速度更大。由直線電機控制的子鏡開展精度設(shè)計在10 μm量級[10]。步進電機與直線電機的控制原理圖如圖3所示。

為校正子鏡的偏移距離，采用精密電控平移臺調(diào)整開展子鏡到期望位置，使三鏡均勻分布，達到粗共焦共位相調(diào)整。

圖3 電控原理圖Fig.3The schematic diagram of electric control

1.2 微動調(diào)整

上述機械式微位移最高只能達到微米或亞微米級的精度，無法達到λ/10的系統(tǒng)設(shè)計指標。為達到納米級的位移調(diào)整，可采用機電式的位移機構(gòu)，本文選取壓電陶瓷驅(qū)動器以實現(xiàn)納米級分辨力和納米級定位精度[11-12]。為實現(xiàn)子鏡共焦共位相的調(diào)整，設(shè)計中采用3個壓電陶瓷在微米量級行程上實現(xiàn)納米量級鏡面位置的調(diào)整。壓電陶瓷促動器電控原理圖如圖4所示。

本文主要通過宏動和微動實現(xiàn)波長量級的共焦共位相調(diào)整。

圖4 壓電陶瓷促動器電控原理圖Fig.4The schematic diagram of PZT electric control

2 粗共焦共相調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計

當展開機構(gòu)達到位置后，三組拼接主鏡之間存在傾斜、高度和平移誤差。因結(jié)構(gòu)設(shè)計精度可控制在10 μm以內(nèi)，所以在進行粗共焦共位相調(diào)整時暫不考慮平移誤差。

針對傾斜和高度誤差，采用在主鏡背部安裝壓電陶瓷促動器的方式進行調(diào)整，如圖5所示。

由三組壓電陶瓷促動器構(gòu)成的三自由度調(diào)整平臺，可實現(xiàn)繞X軸，Y軸的旋轉(zhuǎn)量和Z軸的偏移量，如圖6所示。

針對三自由度平臺通常采用XYZ歐拉角來對運動平臺的姿態(tài)進行描述，如圖7。但壓電陶瓷的調(diào)整量

僅有15 μm，最小位移在毫米量級，且速度緩慢，所以可忽略掉三自由度平臺中的柔鉸環(huán)節(jié)，則上述模型可簡化為如下形式：

其中：l1、l2、l3為三個壓電陶瓷促動器A、B、C的長度量；α、β為平面繞X、Y軸旋轉(zhuǎn)角度；z為平面活塞位移。

經(jīng)光學(xué)檢測得到α、β、z的偏差后，通過調(diào)整壓電陶瓷的長度變化以校正角度及活塞誤差，即：

圖5 促動器調(diào)整位置示意圖Fig.5The sketch of PZT position adjustment

圖6 促動器調(diào)整示意圖Fig.6The schematic diagram of PZT adjustment

圖7 促動器調(diào)整簡化示意圖Fig.7The simplified diagram of PZT adjustment

3 參數(shù)坐標轉(zhuǎn)換

由圖6、圖7所得到的壓電陶瓷促動器調(diào)整坐標系與檢測系統(tǒng)得到的調(diào)整坐標系不在同一坐標系下，完整的促動器調(diào)整算法如下：

其中：W為實測待調(diào)整量；R為促動器坐標到調(diào)整坐標系的映射，由機械結(jié)構(gòu)決定；L為促動器伸長量到活塞誤差調(diào)整量和傾斜誤差調(diào)整量的映射；V是需要求解得到的促動器伸長量；P表示偏置；n表示促動器噪聲(A/D、量化和重復(fù)性)。由壓電促動器伸長量與調(diào)整量關(guān)系可得：

促動器坐標到調(diào)整坐標系的映射可由一個旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣構(gòu)成，簡化可得W=[R|T]LV。由最小二乘可得：

4 試驗驗證

4.1 壓電促動器調(diào)整仿真

將三個12 μm行程，0.3 nm分辨力壓電陶瓷促動器以φ300 mm等距調(diào)整子鏡。圖8為促動器調(diào)整的活塞量與傾斜量之間的仿真約束結(jié)果，其在包絡(luò)內(nèi)的范圍可調(diào)，整個約束空間在六面體形狀范圍內(nèi)，兩兩對

應(yīng)約束在圖形范圍內(nèi)。

圖8 促動器調(diào)整量仿真結(jié)果Fig.8The simulation results of PZT adjustment

4.2 平面反射鏡粗調(diào)整試驗

由于子鏡的曲率半徑較大，在實驗室內(nèi)檢測、試驗比較困難，在正式開展共焦、共位相裝調(diào)試驗之前，采用背部裝有促動器等調(diào)整裝置的平面鏡替代球面鏡，模擬子鏡的檢測、調(diào)整等過程，試驗原理圖如圖9所示，通過該試驗，可以達到驗證調(diào)整系統(tǒng)、測試儀器以及檢測方法的有效性等目的。

4.2.1 坐標轉(zhuǎn)換試驗

三組壓電陶瓷促動器坐標平面與自準直儀的坐標平面不在一個坐標系內(nèi)，需要通過坐標變換將兩組坐標系建立映射關(guān)系，以實現(xiàn)在對壓電陶瓷促動器的伸長收縮量和自準直儀測量結(jié)果的一一對應(yīng)關(guān)系。表1為壓電陶瓷促動器隨機位移量和自準直儀測量值的對應(yīng)表。

圖9 鏡面調(diào)整試驗原理圖Fig.9The principle diagram of the mirror adjustment experiment

表1 促動器位移量與自準直儀測量值Table 1The actuator displacement and autocollimator measurement value

由表1隨機的樣本采集建立起坐標變換關(guān)系，為驗證坐標變換矩陣的正確性，對指定壓電陶瓷促動器位移量進行測試：

1)設(shè)定三組壓電陶瓷促動器的位移量為5.2 μm、3.6 μm、11.2 μm，經(jīng)計算得到的自準直儀坐標系值為-21.085 8″、-43.436 6″。自準直儀的實際測得值為-20.6″、-43.5″，如圖10所示。

2)設(shè)定三組壓電陶瓷促動器的位移量為6.8 μm、1.2 μm、9.7 μm，經(jīng)計算得到的自準直儀坐標系值為-34.855 6″、-39.787 5″。自準直儀的實際測得值為-34.3″、-40.0″，如圖11所示。

經(jīng)試驗驗證，通過計算得到的坐標轉(zhuǎn)換坐標系，其理論數(shù)值與實際測量值的偏差在0.6″以內(nèi)，可以滿足對壓電陶瓷促動器的調(diào)整要求。

4.2.2 調(diào)整子鏡斜率試驗

因為安裝誤差的存在，無法保證基準平面鏡正好位于自準直儀測量中心。這時調(diào)整壓電陶瓷促動器使調(diào)整鏡與基準鏡的傾斜量達到一致，以達到調(diào)整目的。

經(jīng)過坐標變換試驗，除了可以將壓電陶瓷位移量轉(zhuǎn)換為自準直儀測量值，同時也可將期望得到的自準直儀測量值轉(zhuǎn)換為壓電陶瓷位移量。

1)調(diào)整鏡的傾斜量位于自準直儀中心

將自準直儀期望值0″、0″，帶入到坐標變換矩陣，得到期望的壓電陶瓷促動器位移量為：1.396 2 μm、6.465 9 μm、0.002 8 μm。向壓電陶瓷控制器輸入上述指令，反饋的壓電陶瓷促動器位移量為：1.396 2 μm、6.475 5 μm、0.000 5 μm。自準直儀實際測量結(jié)果為0.4″、-0.1″，如圖12所示，誤差在0.5″以內(nèi)。

圖10 自準直儀測量值Fig.10Autocollimator measuring value

圖11 自準直儀測量值Fig.11Autocollimator measuring value

圖12 自準直儀測量值Fig.12Autocollimator measuring value

2)調(diào)整鏡的傾斜量與基準鏡一致

利用自準直儀測得基準鏡的傾斜量為11.2″、-42.3″，如圖13(a)所示，帶入到坐標變換矩陣，得到期望的壓電陶瓷促動器位移量為：0 μm、12.252 μm、10.447 μm，向壓電陶瓷控制器輸入上述指令，反饋的壓電陶瓷促動器位移量為：0.002 μm、12.245 μm、12.436 μm，自準直儀實際測量結(jié)果為11.2″、-42.6″，如圖13(b)所示，誤差在0.5″以內(nèi)。

圖13 自準直儀測量值Fig.13Autocollimator measuring value

4.3 干涉儀輔助調(diào)整試驗

利用ZYGO干涉儀測量未調(diào)節(jié)的三鏡與調(diào)節(jié)后的三鏡，其結(jié)果如圖14所示。經(jīng)過壓電促動器的調(diào)節(jié)，每塊子鏡的傾斜偏轉(zhuǎn)量和活塞移動量達到粗共焦的目的。

圖14 干涉儀檢測試驗Fig.14Interferometer detection experiment

5 結(jié)論

展開式拼接望遠鏡是一種集成了光學(xué)、機械、電控及軟件算法于一體的光學(xué)系統(tǒng)，不僅要求機械結(jié)構(gòu)的精密加工，同時需要主動光學(xué)精密調(diào)整以補償子鏡拼接產(chǎn)生的誤差。本文通過步進電機和直線電機的宏動展開使子鏡展開到預(yù)定位置，然后利用壓電促動器對單片子鏡進行粗共焦共位相的調(diào)整。通過軟件仿真，確定了由三組壓電促動器構(gòu)成的調(diào)節(jié)機構(gòu)的調(diào)整范圍；并利用平面反射鏡代替子鏡進行調(diào)整系統(tǒng)的坐標變換，試驗表明，利用壓電促動器對子鏡的調(diào)整其誤差范圍在0.5″以內(nèi)；最后利用ZYGO干涉儀對三子鏡光學(xué)系統(tǒng)進行共焦測量。檢測結(jié)果表明由三組子鏡構(gòu)成的主鏡，在精密促動器的調(diào)整下基本實現(xiàn)了共焦的目的。這樣，為下一步精共焦共位相的調(diào)整打下了堅實的基礎(chǔ)。

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Design for the Deployable and Segmented Telescope’s Coarse Co-phase of the FocusAdjustment System

QI Lili，WANG Gang，WU Guoliang，WANG Lei
(Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China)

In order to achieve the deployable and segmented telescope’s coarse co-phase of the focus,this paper will take three segment mirrors to adjust the primary mirror surface.Firstly,a stepper motor and a linear motor implement to deploy the dynamic mirror within macro scale,i.e.μm magnitude.Secondly,piezoelectric actuator achieves the micro adjustment,i.e.nm magnitude.A three-degree of freedom platform made of three piezoelectric actuators can precisely adjust the segment mirrors’tilt error and piston error.The test result shows that the flat mirror’s surface error is less than 0.5″by the three-degree of freedom platform adjustment.Testing the three segment mirrors optical system by the ZYGO interferometer,the result showed that it realized the confocal adjustment.This method for the segmented telescope’s coarse co-phase of the focus adjustment can be used for further surface error compensation to achieve fine co-phase of the focus.

deployable and segmented telescope;coarse co-phase of the focus,piezoelectric actuator;three-degree of freedom platform

TH751

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.07.009

1003-501X(2016)07-0052-07

2015-07-08；

2015-12-15

國家863高技術(shù)支持項目(2011AA12A103)

齊荔荔(1982-)，男(漢族)，吉林長春人。博士，助理研究員，主要從事角位移光電編碼器及主動光學(xué)方面的研究。

E-mail:lulili56@hotmail.com。