用于无运动部件变焦的变曲率反射镜技术研究

摘要

无运动部件变焦(opticalzoom without macroscopic moving elements)是指在没有光学部件宏观上相对位移的前提下实现光学变焦的过程。作为一种新型的光学变焦技术，宏观运动部件的消除不但可以使其应用到对空间、功耗或稳定性有苛刻要求的场合，而且能够提升变焦的时效性，因此极大地拓展了变焦技术的应用范围。目前，美国、德国、法国、中国等均已开展了将无运动部件变焦应用于天文望远镜及移动电子设备变焦成像等领域的研究。
　　能够改变自身曲率半径的主动光学元件——变曲率反射镜是实现无运动部件变焦的关键。在特定的场合，比如小规模验证系统中，商用变形镜可以作为变曲率反射镜的替代来使用。然而，为了回避多点驱动变形镜控制复杂的问题，机理简单易于实现的功能经过简化的变曲率反射镜成为了一个研究分支。本文围绕变曲率反射镜技术开展研究工作，主要由以下几个部分组成:
　　第一，系统地介绍了无运动部件变焦技术及关键器件——变曲率反射镜技术的国内外研究现状及发展趋势，并据此得出变曲率反射镜技术应用于无运动部件变焦成像领域时面临的难点。
　　第二，从弹性薄板Roark应力应变定律出发，首先介绍了基于简支条件下的环形线负载机理的变曲率反射镜的曲率变化物理模型。其次，对单驱动点环形线负载驱动及多驱动点叠加环形线负载驱动这样两种能够实现环形线负载驱动机理的物理方式进行了性能上的对比分析，并以“最小驱动力实现最大中心形变”作为评价标准，通过分析确定了驱动环半径的最佳数值，同时分析了多驱动点叠加环形线负载驱动对于形变后的面形精度的调整控制能力。最后，通过比较不同基底材料、不同厚度对中心形变的影响及对驱动能力的要求，确定了变曲率反射镜原型样片的关键参数集合。
　　第三，以优化后的多驱动点叠加环形线负载驱动实现反射镜曲率变化的物理模型出发，在考虑后续器件装配要求的前提下，对变曲率反射镜的整体结构形式进行了设计，并将其导入有限元软件中进行接近实际工况的有限元分析。分析表明，本文所建立的模型不但能够实现与曲率变化所对应的较大的中心形变，而且能够保证反射镜及其结构的使用安全。
　　第四，介绍了变曲率反射镜原型镜片的加工、结构件的研制、驱动器的选择测试、实验平台的搭建以及最后的整体试验测试的详细描述，并对试验数据进行了分析，找出了实验过程中结构设计存在的问题，据此对变曲率反射镜的结构进行了改进。测试结果表明:100mm口径，3mm厚的铍青铜变曲率反射镜可以实现超过30个波长（波长632.8nm）的中心形变。此外，同等规格的K9玻璃变曲率反射镜能够实现的中心形变更大。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 无运动部件变焦及关键技术的国内外研究现状

1．1．1 无运动部件变焦技术的国内外研究现状

1．1．2 关键器件---变曲率反射镜的国内外研究现状

1．1．3 变曲率反射镜技术应用于无运动部件变焦成像时的难点

1．2 本论文研究的内容和意义

1．2．1 本论文的研究内容

1．2．2 研究意义

第二章 等厚变曲率反射镜物理行为建模、仿真及参数优化设计

2．1 理论基础

2．1．1 等厚中心点驱动变曲率反射镜物理模型

2．1．2 等厚环形线负载驱动变曲率反射镜物理模型

2．1．3 基于多点驱动叠加的等厚环形线负载驱动反射镜面形变化物理模型

2．1．4 结论

2．2 多点环形线负载驱动变曲率反射镜参数的优化设计

2．2．1 环形线负载驱动变曲率反射镜驱动位置及厚度的优化

2．2．2 基于优化模型的不同材料反射镜实现曲率变化的指标符合性分析

2．3 本章小结

第三章 等厚变曲率反射镜的结构设计及有限元分析

3．1 环形线负载驱动变曲率反射镜的结构设计

3．2 环形线负载驱动变曲率反射镜的有限元分析

3．2．1 有限元分析简介

3．2．2 多点叠加环形线负载驱动变曲率反射镜结构的有限元分析

3．3 本章小结

第四章 环形线负载驱动等厚变曲率反射镜的研制及试验研究

4．1 变曲率反射镜的研制

4．2 极限曲率变化的试验验证

4．2．1 试验流程介绍及场地搭建

4．2．2 单点驱动变曲率试验效果及试验数据分析

4．2．3 多点环形驱动变曲率试验效果及试验数据分析

4．3 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文