大口径望远镜自适应光学系统变形镜热畸变控制研究

【摘要】：自适应光学系统是校正大口径望远镜成像误差的关键技术,为获取高分辨率、高信噪比图像,改善变形镜镜面热畸变是提高自适应光学系统校正精度的有效手段,故成为自适应光学系统设计的重点。本文基于中科院光电研究所研制的39单元驱动变形镜,展开变形镜镜面热畸变的控制研究。为减少传统热控装置对光学系统的干扰,降低光-机-热集成优化的难度。受对物体热特性改善较好的多孔、分形这两种结构研究现状启示,提出将这两种自散热微结构分别引入变形镜中,分别探讨其对变形镜传热特性影响,进行对比分析,得到适用于变形镜的自散热微结构。首先,针对采用多孔结构的变形镜开展热-力耦合仿真。结果表明:由于变形镜尺寸较薄,闭孔结构对变形镜的温控优化能力有限;半通孔结构可以较大程度的优化镜面的热畸变,且优化能力随孔径减小而增大;基于灰色关联分析计算得到,多孔结构分布对变形镜镜面热畸变影响最大,其次是孔径,最后是孔形。但多孔结构会对变形镜整体结构产生较大影响,引入较大的新畸变,不建议单独采用。其次,针对采用分形微凸起结构的变形镜开展热-力耦合仿真。结果表明:分形结构采用均匀分布方式对变形镜镜面热畸变改善效果最佳;变形镜镜面热畸变随分形结构比表面积变化会产生线性变化;增大分形结构的厚度可以有效的降低变形镜镜面热畸变。基于灰色关联分析得到,分析结构比表面积对镜面热畸变影响最大,其次是厚度,最后是分布。同时,分形结构引入对变形镜整体结构影响较小。最后,对比两种微结构对变形镜热特性影响结果,得出分形自散热微结构适用于变形镜热控微结构设计。因此结合现有试验条件,针对本文分形结构变形镜热特性数值模拟方法进行试验验证。结果表明:试验模型每组的测点温度与仿真结果相对误差在3.2%-6.7%内,验证了分形结构变形镜热特性仿真结果的准确性;带有分形结构试验模型表面测点温度对比无分形结构模型表面测点温度低3℃-4℃,与仿真结果相近,验证了分形结构可以增强变形镜散热能力,降低镜面热畸变得效果。本文提出将微结构引入变形镜中,并通过设计变形镜微结构参数来提高镜体的散热特性的研究方法,能有效降低变形镜镜面变形。且无需增加额外的散热装置,有利于降低变形镜热控难度,为变形镜的热控设计提供了新思路及理论参考。