大口徑光學(xué)組件重力翻轉(zhuǎn)測試方法驗(yàn)證及應(yīng)用

周于鳴 楊秋實(shí) 孟曉輝 劉志遠(yuǎn) 王向東

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大口徑光學(xué)組件重力翻轉(zhuǎn)測試方法驗(yàn)證及應(yīng)用

周于鳴1,2楊秋實(shí)1,2孟曉輝1,2劉志遠(yuǎn)1,2王向東1,2

（1 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094） （2 國防科技工業(yè)光學(xué)超精密加工技術(shù)創(chuàng)新中心（先進(jìn)制造類），北京 100094）

空間光學(xué)遙感器的光學(xué)組件在地面檢測時，最終檢測結(jié)果受重力變形、結(jié)構(gòu)變形、裝配應(yīng)力、加工殘差等多重因素影響?？紤]到重力影響在軌后會自動消失，因此在地面裝調(diào)過程中，需要將重力變形誤差與結(jié)構(gòu)變形和裝配應(yīng)力的影響嚴(yán)格區(qū)分，有效提高裝配精度，降低裝配難度。針對采用Bipod光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的光學(xué)組件，利用其力學(xué)邊界條件簡單的特點(diǎn)，通過有限元分析可以獲得較為準(zhǔn)確的分析結(jié)果，重力影響的光學(xué)面形誤差可以通過翻轉(zhuǎn)測試的數(shù)據(jù)疊加有效去除。文章將光學(xué)組件分別在光軸豎直向上和光軸豎直向下的條件下進(jìn)行測試，通過將兩次測試結(jié)果圖像疊加，有效去除重力變形影響，實(shí)現(xiàn)了和裝配應(yīng)力的有效分離。

大口徑 光學(xué)組件翻轉(zhuǎn)測試 兩足桿結(jié)構(gòu) 空間遙感

0 引言

光學(xué)遙感器的研制過程中，光學(xué)組件在重力場下的光學(xué)測試，總是不可避免的會受到重力影響，從而導(dǎo)致其光學(xué)品質(zhì)有可能與在軌工作后的狀態(tài)不一致[1]，這一點(diǎn)在大口徑光學(xué)組件的試驗(yàn)過程中，體現(xiàn)尤其明顯。由于地面檢測狀態(tài)，光學(xué)面形的最終檢測結(jié)果是在重力變形、結(jié)構(gòu)變形、裝配應(yīng)力等綜合影響下的結(jié)果[2]。為了減少重力對裝配結(jié)果的影響，在地面裝調(diào)過程中，有必要將其與結(jié)構(gòu)變形和裝配應(yīng)力的影響嚴(yán)格區(qū)分，從而更有利于提高裝配精度[3-5]。

在光學(xué)裝調(diào)階段，加工殘留誤差不可改變，裝調(diào)的目的也是為了保證光學(xué)零件的面形精度，在裝配前后不能因?yàn)轭~外的人為因素而發(fā)生變化；而重力影響，在光學(xué)遙感器領(lǐng)域，由于在軌后重力會消失，在地面因重力環(huán)境而產(chǎn)生的重力誤差也會隨之而消失，在地面裝調(diào)的重點(diǎn)是需要準(zhǔn)確測試及預(yù)估[6-8]；裝配應(yīng)力則是需要著重控制，并盡量消除影響的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于沒有直接的測試方法，在光學(xué)測試中，也只能通過波前誤差（Wave Front Error，簡稱WFE）來表征，因此區(qū)分重力誤差和裝配應(yīng)力誤差是測試控制關(guān)鍵點(diǎn)[9-11]。

重力誤差在中小口徑光學(xué)零件測試中體現(xiàn)不明顯，但是在大口徑或是輕量化程度比較高的光學(xué)零件測試時，就成為了不可忽視的誤差源，在地面裝調(diào)階段必須對其進(jìn)行測試，以便于更準(zhǔn)確地預(yù)估光學(xué)遙感器在軌后的成像品質(zhì)[12-14]。

1 重力翻轉(zhuǎn)測試原理

任何結(jié)構(gòu)體在分別承受大小相同、但是方向完全相反的力場時，其變形量應(yīng)該是大小一致，方向相反。重力翻轉(zhuǎn)測試方法正是基于這一理論進(jìn)行推演，分別測試光學(xué)組件在光軸豎直向上（以下簡稱0°）和光軸豎直向下（以下簡稱180°）兩個狀態(tài)下的面形變化，并通過兩個狀態(tài)的數(shù)據(jù)疊加來獲得無重力影響的光學(xué)測試面形結(jié)果。

但是對于光機(jī)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜的光學(xué)組件，其力學(xué)邊界條件復(fù)雜，力學(xué)仿真結(jié)果無法準(zhǔn)確表達(dá)重力環(huán)境下的變形情況，因此，本文選定以Bipod結(jié)構(gòu)為典型代表的光機(jī)結(jié)構(gòu)，其具有裝配簡單、力學(xué)邊界條件簡單的優(yōu)點(diǎn)，力學(xué)仿真模型能夠與光學(xué)檢測結(jié)果相匹配，十分有利于裝調(diào)過程中的仿真輔助[15-17]。

任一光學(xué)零件的WFE測試結(jié)果都會包含以下誤差：1）加工殘留誤差P——按照技術(shù)要求確定的光學(xué)零件基礎(chǔ)面形誤差；2）重力影響誤差g——光學(xué)組件因重力而變形，并以波前誤差來表征的那一部分誤差，該部分誤差數(shù)據(jù)在特定條件下可以通過有限元仿真獲得；3）裝配應(yīng)力誤差a——裝配過程中的光機(jī)結(jié)構(gòu)變形造成光學(xué)零件面形變化，最終以波前誤差來間接表現(xiàn)的誤差；4）溫度氣流誤差t——環(huán)境變化造成的光學(xué)測試誤差[18-19]。

在本文中重力影響造成的變形是彈性變形，具有可恢復(fù)性和可重復(fù)性，光學(xué)組件0°和180°兩個狀態(tài)下的測試，其重力造成的光學(xué)零件波前差在數(shù)值上相等，在相位上相反，通過數(shù)據(jù)疊加，就可以有效去除重力影響，保留原始面形。0°狀態(tài)與180°狀態(tài)的測試結(jié)果分別為：

其中 WFE0°、WFE180°分別為0°和180°狀態(tài)下的波前測試誤差；+g為0°狀態(tài)下的重力影響誤差；–g為180°狀態(tài)下的重力影響誤差；t1、t2分別為0°和180°狀態(tài)下溫度氣流誤差。

通過式（2）與式（3）的疊加，可以得到無重力狀態(tài)下的波前測試誤差WFEn，

經(jīng)過疊加后的光學(xué)組件的測試波前差，等于加工殘留誤差與裝配誤差以及前后兩次測試的氣流干擾誤差之和。因此，在確認(rèn)氣流干擾誤差最小的情況下，在扣除重力影響誤差后，就可以通過波前差判斷裝配應(yīng)力誤差，然后通過精確裝配以盡量減少裝配應(yīng)力誤差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光學(xué)組件測試結(jié)果無限近似該零件的光學(xué)加工誤差。

2 試驗(yàn)對象結(jié)構(gòu)分析

Bipod結(jié)構(gòu)在光學(xué)遙感器上應(yīng)用較多，比如GeoEye-2相機(jī)反射鏡支撐采用的是RTV膠粘接的Bipod結(jié)構(gòu)6桿柔性支撐方式，如圖1所示[20]。SNAP空間望遠(yuǎn)鏡反射鏡采用ULE蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，直徑2m，反射鏡結(jié)構(gòu)組件采用Bipod支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2所示[21]。

圖1 GEOEYE-2相機(jī)反射鏡Bipod支撐

圖2 SNAP空間望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)

本文試驗(yàn)采用直徑660mm的微晶反射鏡，輕量化程度達(dá)到62%，采用圓形減輕孔加工，反射鏡結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 直徑660mm反射鏡結(jié)構(gòu)

ig.3 Structure of 660mm diameter mirror

針對試驗(yàn)對象的光機(jī)組件，進(jìn)行有限元分析，采用實(shí)體單元網(wǎng)格劃分，分析6桿支撐結(jié)構(gòu)在重力環(huán)境下（0°和180°兩個狀態(tài)）對面形的影響，仿真結(jié)果如圖4所示（圖中為光波波長，=632.8nm）。對圖4（a）與圖4（b）（即0°和180°狀態(tài)）進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，兩種狀態(tài)下鏡面面形高度起伏均方根值（RMS）極為接近，圖形上相同位置的數(shù)據(jù)剛好位相相反。疊加后，得到的理論仿真結(jié)果面形RMS值約為0，說明可以通過重力翻轉(zhuǎn)的方法獲得無重力影響的光學(xué)測試面形結(jié)果。

圖4 重力環(huán)境對光學(xué)零件面形影響理論分析

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

本次試驗(yàn)主要目的為了驗(yàn)證翻轉(zhuǎn)測試對光學(xué)零件重力變形影響的區(qū)分效果，流程包括：1）對裸鏡進(jìn)行測試，獲得光學(xué)零件原始面形，作為后期裝配檢測結(jié)果的數(shù)據(jù)判讀基礎(chǔ)；2）分成兩種狀態(tài)進(jìn)行組件裝配，一種是故意引入能夠促使光學(xué)零件面形發(fā)生變化的裝配應(yīng)力，另一種則是合理安排裝配流程，避免引入裝配應(yīng)力，對這兩種狀態(tài)的光學(xué)組件分別進(jìn)行重力翻轉(zhuǎn)測試，驗(yàn)證翻轉(zhuǎn)測試對重力影響的去除效果；3）進(jìn)行翻轉(zhuǎn)測試，建立豎直檢測平臺，用于光軸豎直檢測，并分別測試鏡面向上和鏡面向下兩種狀態(tài)；4）對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將重力翻轉(zhuǎn)的測試干涉圖進(jìn)行疊加，確定重力變形的去除效果。

（1）裸鏡檢測

試驗(yàn)所用光學(xué)零件由于剛度較強(qiáng)，在光學(xué)檢測的過程中，使用吊帶支撐光學(xué)零件，經(jīng)過繞光軸旋轉(zhuǎn)（0°、90°、180°、270°）四個狀態(tài)下的干涉測試結(jié)果綜合評判。后續(xù)所有光學(xué)檢測環(huán)節(jié)都是用同一套測試設(shè)備，避免引入額外誤差。最終該光學(xué)零件面形RMS=0.027。通過光軸水平四個方向的測試結(jié)果比對可知，鏡面的特征點(diǎn)都隨著旋轉(zhuǎn)變化，且RMS值保持一致，如圖5所示。由此可知，吊帶支撐檢測結(jié)果比較穩(wěn)定，重力對光學(xué)零件面形影響不大。

圖5 四個方向檢測數(shù)據(jù)圖

（2）組件裝配

本次試驗(yàn)是為了驗(yàn)證翻轉(zhuǎn)測試結(jié)果的疊加能夠有效去除重力對光學(xué)組件的面形影響，且能夠?qū)⒅亓ψ冃握`差與裝配應(yīng)力誤差嚴(yán)格區(qū)分。因此在裝配時分成兩種狀態(tài)，一種是裝配過程中，故意引入較大的裝配應(yīng)力，使得光學(xué)零件面形發(fā)生明顯變化，觀察此時重力翻轉(zhuǎn)測試的結(jié)果是否會消除裝配應(yīng)力造成的面形變化；另一種是控制裝配精度，盡量控制裝配應(yīng)力不對光學(xué)面形造成影響，然后通過重力翻轉(zhuǎn)測試，剔除重力影響；并且最終對兩種狀態(tài)下的重力影響剔除后的數(shù)據(jù)進(jìn)行判讀，判斷翻轉(zhuǎn)測試結(jié)果的疊加是否會干擾到裝配源應(yīng)力帶來的面形誤差。兩種裝配狀態(tài)下的面形測試結(jié)果如圖6所示，可以看出，引入裝配應(yīng)力時會產(chǎn)生較大的面形誤差。

圖6 兩種裝配應(yīng)力的檢測結(jié)果

精密裝配過程中，為了保證引入的裝配應(yīng)力盡可能小，同時為了保證光學(xué)零件相對底板的位置精度，使用激光跟蹤儀進(jìn)行空間方位的測試，光學(xué)零件相對底板最終控制精度為：同軸度≤0.01mm，平面端跳≤0.01mm，相對旋轉(zhuǎn)≤10″，支桿的長度控制精度達(dá)到260mm±0.005mm。螺釘擰緊過程遵守各環(huán)節(jié)逐次擰緊的程序。

（3）翻轉(zhuǎn)測試

本文中的翻轉(zhuǎn)測試主要特指兩個狀態(tài)測試，一個是鏡面豎直向上測試（0°），另一個是鏡面豎直向下測試（180°）。如圖7所示，選用Bipod光機(jī)結(jié)構(gòu)組件作為測試對象，為了方便搭建測試光路，采用了一塊45°折鏡，折轉(zhuǎn)光路。

（4）數(shù)據(jù)處理

由于干涉檢測結(jié)果最終以圖形數(shù)據(jù)輸出，考慮到干涉儀在多次檢測工作時，每次干涉儀內(nèi)CCD成像的位置并不一致，前后兩次成像有效數(shù)據(jù)的矩陣維數(shù)大小也可能不統(tǒng)一，因此，在完成數(shù)據(jù)采集后，首先需要把這些圖形數(shù)據(jù)的矩陣一致化，達(dá)到位相統(tǒng)一，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)疊加，避免因?yàn)榫仃囧e位引入額外誤差。

圖7 翻轉(zhuǎn)測試現(xiàn)場

通過MATLAB編程，將ZYGO干涉測試結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理，獲得維數(shù)相同、有效矩陣維數(shù)相同的數(shù)據(jù)，進(jìn)行疊加處理。

對有裝配應(yīng)力和微裝配應(yīng)力的兩種狀態(tài)，分別進(jìn)行重力翻轉(zhuǎn)測試，并將有裝配應(yīng)力和微裝配應(yīng)力的測試結(jié)果分別疊加，結(jié)果如圖8、圖9所示。

通過將圖9（c）與圖5（a）比對可知，重力影響面形誤差可以通過翻轉(zhuǎn)測試的數(shù)據(jù)疊加有效去除；通過將圖8（c）與圖9（c）數(shù)據(jù)比對可知，可以實(shí)現(xiàn)重力影響面形誤差和裝配應(yīng)力有效分離。有限元仿真數(shù)據(jù)較為真實(shí)，可以用于Bipod結(jié)構(gòu)的光機(jī)裝配指導(dǎo)，有效監(jiān)測裝配應(yīng)力的分布情況。

圖8 有裝配應(yīng)力時的疊加結(jié)果

圖9 微裝配應(yīng)力時的疊加結(jié)果

4 結(jié)束語

本文針對Bipod光機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)的力學(xué)邊界條件簡單，重力對光學(xué)零件的影響具有圓對稱性，其變形形狀及大小都可以通過有限元軟件準(zhǔn)確預(yù)估，在數(shù)據(jù)處理上也相對簡單。試驗(yàn)結(jié)果證明重力翻轉(zhuǎn)測試的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，與理論預(yù)測比較接近，能夠?yàn)閳A形光學(xué)零件的裝配過程提供數(shù)據(jù)支持。

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Verification and Application of Gravity Flip Test Method for Large Aperture Optical Components

ZHOU Yuming YANG Qiushi MENG Xiaohui LIU Zhiyuan WANG Xiangdong

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 Optical Ultraprecise Processing Technology Innovation Center for Science and Technology Industry of National Defense (Advanced Manufacture), Beijing 100094, China）

When the optical components of the space optical remote sensor are detected on the ground, the final test results are affected by multiple factors such as gravity deformation, structural deformation, assembly stress, and machining residuals errors. As the influence of gravity will automatically disappear on orbit, the gravity deformation error must be strictly distinguished from the effects of structural deformation and assembly stress in integrated process on ground, thus effectively improving assembly accuracy and reducing assembly difficulty. For the optical components mounted on Bipod structure, the finite element analysis can be used to obtain more accurate results using the characteristics of the simple mechanical boundary conditions. The optical surface figure error caused by the gravity can be effectively removed by the data superposition of the flip tests.In this paper, the optical components are tested vertically with optical surface up and down. By superimposing the images of the two test results, the influence of gravity deformation is effectively removed, and the assembly stress is effectively separated.

large diameter; optical component flip test; Bipod structure; space remote sensor

TH74

A

1009-8518(2019)03-0033-07

10.3969/j.issn.1009-8518.2019.03.005

周于鳴，男，1978年出生，2006年獲中科院天文技術(shù)研究所天文技術(shù)專業(yè)碩士，高級工程師。研究方向?yàn)楹教齑罂趶焦鈱W(xué)檢測、裝調(diào)。E-mail：zhou2000s@163.com。

2019-04-11

國家重大科技專項(xiàng)工程

（編輯：夏淑密）