针对1.2 m大口径望远镜主镜支撑系统, 为保证主镜面形精度均方根要求, 提出了一种有效的装调方法。该主镜支撑系统结合运动学原理, 分别设计了Whiffletree轴向支撑和柔性切向杆侧向支撑结构, 以保证其在较大温差范围内(-20~60 ℃)以及不同俯仰状态下(垂直-水平)始终具有较好的面形精度。机械加工误差及安装误差使柔性机构在组装过程中极易引入装配应力, 明显地增大主镜表面变形。借助于有限元软件对装调过程中可能出现的误差进行仿真分析, 根据结果制定装调流程, 并对实际装调进行指导。完成主镜支撑系统装调后, 采用补偿器和干涉仪对主镜的垂直检测及水平检测, 检测出两种状态下主镜的实际面形误差分别为λ/42和λ/31(λ=632.8 nm)。

采用柔性带式支撑方式的大口径光学反射镜与支撑带之间的静摩擦力对反射镜面形精度影响较大, 而且该影响难于直接定量测量。针对这一实际情况, 考虑到温度变化将引起静摩擦力状态变化这一规律, 建立了温度—静摩擦力间的关系表达式; 接着, 以反射镜所受静摩擦力与环境温度关系为基础, 通过测量不同温度下的反射镜面形精度, 间接推算出静摩擦力对反射镜面形精度的影响; 以1.2米SiC轻量化反射镜为研究对象, 利用干涉仪检测其柔性带式支撑机构在不同温度下的面形精度, 并利用实测数据推导出温度—静摩擦关系的相应系数; 最后借助ANSYS软件, 对带式支撑机构的受力情况进行仿真分析。实测结果与仿真分析结果一致性较好, 说明该研究方法可较为准确地推导出静摩擦力对大口径SiC轻量化反射镜面形影响。

针对1.2 m微晶主镜, 提出了基于6套柔性切向杆机构的侧向支撑与基于18点半柔性Whiffletree机构的轴向支撑相结合的新型主镜支撑方案，用于保证该主镜在较大温差范围以及不同俯仰角度下始终保持良好的面形精度及较高的系统刚度。 分析了该机构的工作原理，实验测试了主镜的面形精度及支撑系统的模态。机构分析表明该支撑方式可有效保证主镜定位精度和面形精度，并具有热解耦能力; 有限元分析确认系统具有良好的支撑性能; 面形精度检测得出主镜光轴垂直面形精度RMS达15.25 nm，光轴水平面形精度RMS为20.75 nm，模态测试则获得主镜支撑系统的一阶固有频率为60.3 Hz。实测结果验证了该新型主镜支撑系统具有良好的面形保持能力及支撑刚度，分析结果与实测结果符合度较好，主镜光轴垂直和水平状态面形精度RMS的相对误差分别为14.0%和17.8%，一阶固有频率相对误差为10.8%。得到的结果验证了有限元建模及分析的可信性，支撑系统设计方案的合理性及相关理论推导的正确性。

大口径轻量化SiC主镜是一种新型主镜, 之前没有成功的支撑案例作为参考。通过对各类大口径主镜的主动支撑技术的优劣进行分析, 确定利用液压并联力促动器的支撑方式对SiC轻量化主镜进行支撑, 并利用自由谐振模式定标方法研究了某4 m SiC主镜的校正力需求, 计算发现该主镜对力促动器的校正力分辨率要求为0.1 N。针对这一需求, 详细分析了影响机械式力促动器精度的主要因素, 并进行了相应的设计, 采用步进电机作为动力源, 通过大减速比减速器驱动滚珠丝杠输出微米级微位移, 并利用复合弹簧系统将位移转化为作用力, 最终设计并加工出一款高精度力促动器, 并对促动器进行了测试, 发现该促动器的输出力范围-400~400 N, 位移分辨率0.96 μm, 力分辨率0.05 N, 可以满足主动支撑对力促动器的需求。

弯月薄镜在侧向均匀承重和弯月薄镜在采用侧向均匀承重和等间距竖直推拉侧向支撑方式时, 等间距竖直推拉侧向支撑方式时, 会产生明显的弯曲变形问题。为消除附加弯矩带来的镜面变形, 本文分析了弯月薄镜的结构特点, 提出了适用于弯月薄镜的等角间距推—拉—剪切和不等角间距推—拉—剪切两种侧向支撑方式。通过在侧向支撑上增加轴向剪切平衡作用力分量, 推导了在上述两种侧向支撑方式下各向作用力分量的表达式。针对1.23 m弯月薄镜, 优化出切向分量最佳比率β为0.75。对16点等间距侧向支撑增加轴向剪切分量后, 镜面变形RMS值由1259.1 nm减小到3.4 nm, 无需轴向主动校正即可获得较好的支撑面形。不等角间距侧向支撑方式则解决了等间距侧向支撑方式中各个侧向支撑点的作用力大小差异较大的问题, 结合弯月薄镜轴向支撑的主动校正能力, 在最大校正力仅为–1.01 N的主动校正后, 16点不等间距侧向支撑实现了镜面变形RMS为4.6 nm的支撑效果。

为了实现大直径窄环带平面平面度的精确测量, 提出一种利用内调焦光管结合精密转台的基于光学及图像处理的新方法。首先利用内调焦光管把光纤点光源成像在被测圆环上方, 精密转台带动点光源的像点旋转在空间画圆, 以此圆所在的平面为基准, 用 CCD探测器接收点光源像点, 根据脱靶量测出被测点与基准平面的距离, 然后把测量数据展开成傅里叶级数进行谐波分析, 去除常数项及一次项对测量结果的影响, 通过数据处理计算即可得到被测环面的平面度。对该方法的基本测量原理进行了研究分析, 并结合实例对一外径 5 m、内径 4.4 m、高0.5 m的圆环零件进行平面度的测量, 测得其平面度为 0.285 mm, 重复性为 0.009 3 mm。最后对该方法的测量不确定度进行了分析, 其合成标准不确定度为 0.007 4 mm。

针对热膨胀率较大的SiC反射镜, 设计了结合A-Frame柔性切向杆侧向支撑结构和机械式Whiffletree轴向支撑结构、具有良好热解耦能力的1.2 m SiC轻量化主镜被动支撑系统。为研究A-Frame柔性侧向支撑机构对主镜支撑面形、热解耦和系统刚度的影响, 利用Ansys软件对支撑系统的支撑效果进行了有限元分析, 而后对实际的支撑系统进行了相关试验测试。测试显示在光轴竖直和水平两种状态下, 使用提出的支撑机构的支撑系统引起的主镜镜面变形误差RMS的变化小于13 nm; 在实验室温度14~23℃下, 检测得到主镜面形RMS最大差异为1.9 nm。利用模态分析仪对该主镜及支撑系统进行的动态测试表明: 系统的一阶固有频率为52.7 Hz, 而理论分析为63 Hz, 且前6阶模态振型与分析一致。得到的分析和测试结果都表明该被动支撑系统支撑效果良好, 且具有较高的支撑刚度和良好的热解耦能力。

针对4 m光电望远镜中SiC轻量化主镜比刚度大, 面形精度要求高的特点, 提出采用液压whiffletree被动支撑并联力促动器主动支撑的轴向液压主动支撑方案。液压被动支撑承担镜重, 主动支撑仅输出校正主镜面形误差所需的主动校正力, 从而减小主动支撑元件力促动器的作用力范围, 提高主动校正力精度。借助于有限元法完成了轴向和侧向支撑系统的优化, 确定了轴向54点和侧向24点等间距等力(β=0.5)支撑系统设计。当仅有被动支撑作用时, 主镜水平和竖直状态下重力引起的镜面变形误差RMS值分别为37.8 nm和82.9 nm。采用主动校正后, 主镜水平和竖直状态下的镜面变形误差RMS分别减小到12.0 nm和9.8 nm。不同俯仰角下主镜的镜面变形均能满足面形误差RMS不大于λ/30(λ=632.8 nm)的指标要求。

设计了一种Offner光学系统，用于基于相位差异技术的图像恢复和光学系统波像差的辅助检测。该Offner光学系统采用同轴抛物面反射镜作为Offner反射镜，以高速CCD相机和Shack-Hartmann波前探测器作为接收元件，能完好地消除复色光源在图像恢复过程中带来的色差；设计的RMS波像差小于λ/50(λ=6328 nm)，结构简单，容易实现。利用该系统分别以分辨率板和光纤光源为目标进行了图像恢复实验，经过恢复后的图像分辨率提高了19%。此外，利用该系统，采用相位差异算法解算了系统波像差，并与Shack-Hartmann波前探测器的测量结果进行了比较。比较显示两者的RMS波像差测量值相差5%，证明该系统同样能够进行光学波前检测。