用于無運(yùn)動(dòng)部件變焦的變曲率反射鏡技術(shù)研究.pdf

1、無運(yùn)動(dòng)部件變焦(opticalzoom without macroscopic moving elements)是指在沒有光學(xué)部件宏觀上相對(duì)位移的前提下實(shí)現(xiàn)光學(xué)變焦的過程。作為一種新型的光學(xué)變焦技術(shù)，宏觀運(yùn)動(dòng)部件的消除不但可以使其應(yīng)用到對(duì)空間、功耗或穩(wěn)定性有苛刻要求的場(chǎng)合，而且能夠提升變焦的時(shí)效性，因此極大地拓展了變焦技術(shù)的應(yīng)用范圍。目前，美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、中國(guó)等均已開展了將無運(yùn)動(dòng)部件變焦應(yīng)用于天文望遠(yuǎn)鏡及移動(dòng)電子設(shè)備變焦成像等領(lǐng)域的研

2、究。
　　能夠改變自身曲率半徑的主動(dòng)光學(xué)元件——變曲率反射鏡是實(shí)現(xiàn)無運(yùn)動(dòng)部件變焦的關(guān)鍵。在特定的場(chǎng)合，比如小規(guī)模驗(yàn)證系統(tǒng)中，商用變形鏡可以作為變曲率反射鏡的替代來使用。然而，為了回避多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)變形鏡控制復(fù)雜的問題，機(jī)理簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)的功能經(jīng)過簡(jiǎn)化的變曲率反射鏡成為了一個(gè)研究分支。本文圍繞變曲率反射鏡技術(shù)開展研究工作，主要由以下幾個(gè)部分組成:
　　第一，系統(tǒng)地介紹了無運(yùn)動(dòng)部件變焦技術(shù)及關(guān)鍵器件——變曲率反射鏡技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及

3、發(fā)展趨勢(shì)，并據(jù)此得出變曲率反射鏡技術(shù)應(yīng)用于無運(yùn)動(dòng)部件變焦成像領(lǐng)域時(shí)面臨的難點(diǎn)。
　　第二，從彈性薄板Roark應(yīng)力應(yīng)變定律出發(fā)，首先介紹了基于簡(jiǎn)支條件下的環(huán)形線負(fù)載機(jī)理的變曲率反射鏡的曲率變化物理模型。其次，對(duì)單驅(qū)動(dòng)點(diǎn)環(huán)形線負(fù)載驅(qū)動(dòng)及多驅(qū)動(dòng)點(diǎn)疊加環(huán)形線負(fù)載驅(qū)動(dòng)這樣兩種能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)形線負(fù)載驅(qū)動(dòng)機(jī)理的物理方式進(jìn)行了性能上的對(duì)比分析，并以“最小驅(qū)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)最大中心形變”作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過分析確定了驅(qū)動(dòng)環(huán)半徑的最佳數(shù)值，同時(shí)分析了多驅(qū)動(dòng)點(diǎn)疊加

4、環(huán)形線負(fù)載驅(qū)動(dòng)對(duì)于形變后的面形精度的調(diào)整控制能力。最后，通過比較不同基底材料、不同厚度對(duì)中心形變的影響及對(duì)驅(qū)動(dòng)能力的要求，確定了變曲率反射鏡原型樣片的關(guān)鍵參數(shù)集合。
　　第三，以優(yōu)化后的多驅(qū)動(dòng)點(diǎn)疊加環(huán)形線負(fù)載驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)反射鏡曲率變化的物理模型出發(fā)，在考慮后續(xù)器件裝配要求的前提下，對(duì)變曲率反射鏡的整體結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并將其導(dǎo)入有限元軟件中進(jìn)行接近實(shí)際工況的有限元分析。分析表明，本文所建立的模型不但能夠?qū)崿F(xiàn)與曲率變化所對(duì)應(yīng)的較大的中

5、心形變，而且能夠保證反射鏡及其結(jié)構(gòu)的使用安全。
　　第四，介紹了變曲率反射鏡原型鏡片的加工、結(jié)構(gòu)件的研制、驅(qū)動(dòng)器的選擇測(cè)試、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建以及最后的整體試驗(yàn)測(cè)試的詳細(xì)描述，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，找出了實(shí)驗(yàn)過程中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問題，據(jù)此對(duì)變曲率反射鏡的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。測(cè)試結(jié)果表明:100mm口徑，3mm厚的鈹青銅變曲率反射鏡可以實(shí)現(xiàn)超過30個(gè)波長(zhǎng)（波長(zhǎng)632.8nm）的中心形變。此外，同等規(guī)格的K9玻璃變曲率反射鏡能夠?qū)崿F(xiàn)的中心形