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新型薄膜反射镜成型机理与实验研究

王永权  
【摘要】:薄膜反射镜技术是近年来随着空间光学应用不断发展,系统分辨率、轻量化设计等指标不断提高而提出的一种新型技术。传统反射面初始态为平面的薄膜反射镜,由于成型过程中面型偏差较大而极少被应用于成像系统。因此本文提出一种新型充气式薄膜反射镜,应用初始面型为抛物面的预成型薄膜作为反射面,降低成型所需充气压强,减小反射面成型形变,提高面型精度进而实现薄膜反射镜在成像系统中的应用。首先,根据薄膜反射镜工作原理,以弹性薄板理论为理论力学模型,分别对小挠度与发生大形变的情况,进行薄膜反射面受力成型过程的力学特性分析,并对挠度与力学参量的关系进行求解。同时针对初始状态为平面的薄膜,总结其充气后的面型偏差特性。其次,对预成型反射镜进行不同载荷下的面型分析与成像仿真验证。通过有限元分析软件ANSYS对预成型薄膜反射面在不同载荷情况下进行,通过非线性计算精确获取各节点位置位移变化。提取径向坐标拟合至ZEMAX中用于非球面镜设计的标准非球面方程中,进而可在光学设计软件中,对用于验证预成型反射镜成像能力的红外成像系统进行设计,并针对成像能力进行仿真验证。最终,根据成像仿真分析结果,搭建以预成型薄膜反射镜为主镜的红外成像光学系统,针对系统的成像能力设计并开展实景成像实验。外场实景拍摄验证系统在复杂环境中的工作状态,评判对具有复杂形状与纹理自然景象的细节还原能力,结果表明系统在8.5lp/mm处可达到清晰成像标准,满足设计要求。并对研究过程进行总结,分析实际操作中引起反射镜面型偏差的影响因素,最终为超轻量化、超大口径光学载荷的研究提供了理论依据和技术支持。


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