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中小型圆形反射镜检测支撑优化

引言 在1MA光学系统中,中小型圆形反射镜常作为非球面次镜。次镜通常为光学设计中面积最小的反射镜,在光路中能量较为集中,在TMA系统中比较重要,其镜面面形精度直接影响光学系统的成像质量”】。在其加工、镀膜、装调等过程中需要进行多次检测以考察面形精度,所以检测用反射镜支撑结构应做到结构简单,便于调整【21,且应在保证检测精度的前提下尽量减小支撑结构引起的误差呤】。反射镜在精加工过程中需进行反复检测。检测方式根据反射镜光轴朝向可以分为竖直式和水平式两种。竖直式是将反射镜光轴指向竖直方向,将补偿器、干涉仪等竖直置于光路中进行检测,该方法的优点为反射镜检测朝向与加工时朝向一致,状态相同,引入误差相对较小,但干涉仪等精密设备需吊装,安全性较差,操作不便。 水平式是将反射镜光轴指向水平方向,各检测设备水平放置,相比竖直式更易操作,且安全性更好。对于中小型圆反射镜,由于尺寸小,重力条件下改变朝向引起的镜面面形变化相对较小,所以通常选用更为适合的水平式检测H1。水平式检测中反射镜的支撑方式主要分为吊带支撑和V型块支撑。吊带支撑为柔性支撑,吊带与反射镜接触面积大,基本不存在应力集中,引起的镜面面形变化较小”1,不过吊带支撑的反射镜通常需要较长的时间才能达到稳定状态,且调整较为困难,难以实现实时调整,多用于较大型反射镜。在中小型圆形反射镜检测中,常选用调整方便、支撑状态稳定的高精度V型块支撑方式。V型块与反射镜为线接触,支反力在两条接触线上均匀分布。反射镜面形在支反力作用下发生变化,通过干涉仪检测,发现不同角度的V型块支撑下的反射镜面形变化也不相同。常用的V型块为600、90。和1200 3种。对3种V型块支撑下的反射镜面形检测结果进行对比,发现反射镜面形变化与支撵点夹角和支反力均不呈线性关系。而凭仅有的3个角度的检测结果,无法判别反射镜面形随支撑点夹角和支反力的变化趋势。 对应上述问题。应选用多种角度的V型块支撑反射镜进行检测,寻找面形变化趋势,找到趋势曲线中最小值对应的V型角度。而在实际工程中,如果需要多种角度V型块,需单独采购或定制,影响工程进度。文中以TMA光学系统中中136inln的SiC反射镜为研究对象,沿用V型块支撑的工作原理,将一体式的V型块支撑改进为分体式支撑,实现了支撑点夹角可调。并利用有限元方法及干涉仪检测试验确定反射镜面形随支撑点夹角变化趋势,实现角度优选与支撑位置优化。 1分体式支撑改进后的分体式支撑如图l所示,包括基板、压片、调整垫块和支杆4个部分。两支杆材料为45号钢,圆柱面由橡胶包覆,通过螺钉固定于基板;压片通过调整垫与基板相连,两者的材料均为硬铝。与V型块支撑(如图2所示)的原理相同,支杆与反射镜线接触.支反力均布于两条接触线上。压片用于限图1分体式支撑Fig.1 Split—type support图2V型块支撑Fig.2V—blocksupposingj厂一厂一一 Z 飞●l一| 目万方数据位,且其与反射镜接触位置有胶垫,可以认为压片与反射镜之间无应力。分体式支撑各部分的材料属性如表1所示。裹1分体式支撑材料属性Tab.1 Materialpropertiesofsplit-type support基板上预先加工多个支杆安装孔,以反射镜中心为圆心,间隔5。均布。反射镜支撑位置对称,分体式支撑可实现在10。一150。之间以10。为间隔连续改变支撑点夹角,通过确定各支撑点夹角下的反射镜面形变化,检测镜面面形随支撑点夹角的变化趋势。从而根据此趋势选择最优角度。 2工况分析由图l和图2可以看出,两支撑结构原理相同,反射镜受力状态相同。分体式支撑中基板刚度较大,且固定稳固,可以认为两支杆与基板连接处完全限位;压片只对反射镜起保护限位作用,基本与反射镜无应力作用。根据以上条件,分体式支撑受力状态可以简化为图3。反射镜受重力G,两支杆支反力F作图3受力分析Fig.3Mechanicanalysis用于反射镜边缘,两支杆与反射镜的接触位置与反射镜圆心连线之间的支撵点夹角为0,由图中关系,根据力学平衡原理可得:融弦%随支撑点夹角0改变支反力F也相应变化,,随8变化的关系如表2所示。表中。F以自重力G的倍数表示。不同0对应的F差别较大,0=120。时的支反力为0=600时的2倍。支反力F作用于反射镜边缘,引起镜面面形变化。由于反射镜背部带有轻量化孔,且存在与支杆的接触和摩擦,所以用常规的理论分析或经验公式都不能有效分析出支反力F对镜面面形的影响‘¨”。文中选用ABAQUS对分体式支撑的各工况进行模拟,并选取最佳的支撑点夹角9。裹2F-e关系Tab.2RelationshipbetweenFand口Itcin Val∞洲(。) 5 10 20 30 40 ∞ 60 70F(G10.500 0502 0.508 0.518 0.532 0.552 0.577 0.610Item Valtic引(。) ∞ 90 100 110 120 130 140 150,(G)0.6520.707 0.778 0.872 1.000 1.183 1.462’1.9323分体式支撑优化 3.1仿真计算圆形反射镜的直径为qBl36mm,材料为SiC,背部加工有轻量化孔。对于光机结构,通常所允许的零部件变形较小,存在应力集中的区域不会对成像造成严重影响,即对面形精度影响很小,所以不需要模拟非常大的应变,因此均采用ABAQUS单元库中线性缩减积分单元。为了取得较为真实的变化趋势,以lO。为增量建立在支撑点夹角日变化时对应的各种工况的有限元模型。用0=-5。作为初始工况;当0>150。时,支撵点夹角太大,位置可靠性较低,不考虑选取。建模过程中,两支杆与反射镜接触位置适当细化,以较小的计算代价获得较高的计算精度。压片和基板则通过归一化,转换为对两支杆和反射镜的限位约束。拈900时,有限元模型如图4所示。经过计算得到结果如表3所示. 反射镜面形随支撑点夹角0变化的趋势如图5所示,随支反力,变化的趋势如图6所示。万方数据第6期 沙巍等:中小型圆形反射镜检测支撑优化 1523r]Lj图4有限元模型Fig.4Vmite elementmodel表3有限元分析结果Tab.3 Results of finiteelementmethod由图5和图6中的曲线可以看出,镜面面形与支撑点夹角0和支反力F为非线性关系,在镜面面形随0变化的曲线中,可以观察到两个峰值。在0=-30。时,有镜面面形局部最大值RMS=2.11rim,此时支反力为F=0.518G;0=1000对应镜面面形全局最小值R懈=0.57nln,支反力为F=0.778G。0=110。时的镜面面形基本与0=1000时相同,支反力,略大,且位置可靠性要低于0=1000时,所以选择0=100。为支撑点夹角最优值。图5镜面面形和支反力F与。的关系Fig.5 Relationship amongsurfacesllapc,Fand 0图6镜面面形与F关系Fig.6 Relationshipbetween surfaceshapeandF 3.2试验验证为了验证有限元方法得到的反射镜面形随支撑点夹角0的变化趋势,对中136mm反射镜进行检测试验。反射镜为凸面非球面反射镜,所以在Zygo干涉仪(A=632.8am)与反射镜之间光路中加装补偿器㈣,检测原理如图7所示,试验设备如图8所示,试验中环境温度保持在20+4℃。经检测,反射镜面形变化趋势如图9所示,与有限元方法得到的趋势相符,即在600100。范围内,镜面面形随角度变化较慢;在1000一1500范围内,镜面面形随角度变化相对剧烈。对支撑点夹角O=60。、90。、100。、120。和150。等工况下的反射镜面形检测结果与有限元方法得到结果进行对比,结果如表4所示;将5种工况下干涉图与有限元方法得到的变形云图进行对比,如图10所示。图7检测原理Fig.7Detectionprinciple图8试验设备Fig.8Examinationequipment万方数据图9趋势检测结果Fig.9Trend curve obtainedbydetection表4试验结果与有限元结果对比Tab.4Comparisonofdetectionresult andFEMresult、-I::世I!。。厣I一4|龄lI图10面形对比Fig.10Surfaceshapecomparisonr)35I 2IvVave 0=600Il一0.20850.436 8l Wave d=】50。I|-0.2628对比试验结果与仿真结果,发现面形变化趋势基本一致,各角度下镜面面形变化云图形式也基本相同,而在镜面面形变化量上有较大区别。 干涉仪检测试验中,在100。下,镜面面形变化RMS=O.015A,即RMS一0.015×632.8nm=9.492nm,与有限元分析结果RMS=0.57nm有较大差距。有限元分析中,反射镜没有预先存在的面形变化。而在反射镜的加工、镀膜、装调等过程中,不可避免会产生面形误差,如非球面镜面的加工必然与光学设计有一定差别[L31,镀膜的厚度也不可能完全一致”“,干涉仪检测的结果就是这些面形误差的累计和分体式支撑引起的误差的矢量和,所以结果与试验结果有较大差别。在分体式支撑的优化中,参考标准是镜面面形随支撑点夹角的变化趋势,即在各角度下面形变化的增量,而加工、镀膜等引起的面形误差在此过程中不变,所以尽管面形变化量有一定差别,只要变化趋势相同,即可证明有限元方法得到的结论成立。从表4中可见,检测结果与仿真结果得到的面形变化差值基本为定值,也就是加工、镀膜等引起的恒定误差。 3.3扩展验证为了检验圆形反射镜镜面面形随支撑点夹角的变化趋势是否具有普遍适应性,采用替换反射镜镜坯材料和改变反射镜外轮廓尺寸的方式进行验证。将反射镜材料替换为常用的镜坯材料,如铝基复合材料(A1/SiC)、微晶玻璃(Zerodur)和K9玻璃Ⅲl,材料属性如表5所示。仿真计算的结果如表6所示,包括SiC材料在内的4种材料的反射镜面形趋势曲线见图ll,反射镜面形变化趋势基本一致。所以,反射镜面形随支撑点夹角的变化趋势与镜坯材料无关,趋势曲线的幅值随材料的弹性模量降低而相应升高。再改变圆形反射镜的外轮廓尺寸,建立直径为4180inln、qr250mm、4300rain的反射镜模型,背部的轻量化形式与4136toni反射镜相同,且同为SiC材料。仿真结果如表7所示,两反射镜面形变化趋势如图12所示。 可以发现,两条趋势曲线的变化趋势基本相同,曲线幅值随反射镜直径增大而相应升高。由以上结论可以说明。中小型圆反射镜的镜面面形随支撑点夹角的变化趋势不随镜坯材料和反射镜尺寸的改变而变化,且镜面面形最小时对应日=1000。变化趋势均有普遍适应性,曲线幅值与材料O00091=:目2口689405e59e75V5V2¨帆m吣眦m;●●●i0●●,,I●___I加 Il9成㈨""鲫㈨帕m⑧@◇②囝一‘■■_-_■一▲1/—■■—¨川¨U■■_ 一▲、/一簟 ▲厂\一万方数据第6期 沙巍等:中小型圆形反射镜检测支撑优化 1 525=苎!!!!!!苎!!!!!!!!!!III!!!!!!!!苎!竺!!!!!!!!!!竺!!!!!竺!!!!!!!!!!!!竺!竺!!!!!竺弹性模量和反射镜直径有关。表5镜坯材料餍性Tab.5 MaterialpropertiesofgJass blanksMaterial E/GPap p,g·cm。3表6不同材料计算结果Tab.6 Simulationresults of difierent materials2520l 1 5晶盖10500 50 100150Supportangle饪.》图11不同材料趋势曲线F培.11 Trend删ofdifferent material6表7不同直径计算结果Thb.7 Simulation resultof di仃brent diameter图12不同直径趋势曲线Fig.12Trendcurvesofdifferent diamete 4结论 小型圆反射镜在光学系统中具有重要作用,因此应在其生命周期各个阶段(如加工、镀膜、检测和装调等)尽量减小外界因素引入的面形误差。检测中使用的V型块支撑由于支撵位置和支撵点夹角固定,无法调整,不利于减小引入的面形误差。根据V型块支撑原理,将支撑结构改为分体式结构,支撑点夹角可调,且结构简单,操作方便。通过非线性有限万方数据元方法和试验验证,得到了反射镜面形随支撑点夹角变化的趋势。确定了在支撑点夹角0=100。时,支撵结构所引入的面形误差最小。在改变镜坯材料属性及反射镜尺寸的情况下,反射镜面形随支撑点夹角的变化趋势不发生改变,支撑点夹角8—100。时镜面面形变化最小。说明反射镜检测支撵结构的优化方法具有广泛适用性,对于小型圆反射镜(中≤300mm)的监测支撑结构设计具有指导意义。

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