CN103412400B - 一种用于同轴式太阳望远镜的热光阑可调式分段支撑装置 - Google Patents

Abstract

一种用于同轴式太阳望远镜的热光阑可调式分段支撑装置，由热光阑、环内窄梁、金属毛细管、内环、软管、环外宽梁、导轨和外环组成；发明的一种用于同轴式太阳望远镜的热光阑可调式分段支撑装置，具有挡光少、可调节等优点，进一步提高了太阳望远镜自适应光学系统的波前探测的准确性，并最终提升了望远镜成像像质，同时，大大简化了热光阑的光学装调。本发明能够应用于同轴式太阳望远镜的各类热光阑支撑，创新性与实用性明显。

Description

一种用于同轴式太阳望远镜的热光阑可调式分段支撑装置

技术领域

本发明涉及太阳望结构设计领域，特别是一种用于同轴式太阳望远镜的热光阑可调式分段支撑装置。

背景技术

太阳望远镜，特别是大口径太阳望远镜，其主要采用同轴式格林高利光学系统或离轴格林高利光学系统。相比于离轴格林高利光学系统，同轴式格林高利光学系统具有加工、装配难度相对较低，工程风险相对更小等特点，因此，被世界绝大多数国家作为新一代大口径太阳望远镜的光学系统。

一方面，随着太阳望远镜口径的不断增大，在提高太阳望远镜观测分辨力的同时，也大大提高了了太阳望远镜的集光能力。当大口径主镜口径达到米级时，其汇聚于热光阑的太阳辐射功率密度高达数Mw/m²。对于开放式镜筒，如此高的辐射功率密度，不仅会造成热光阑过热，加剧镜筒内空气不稳定性，引起严重的内部视宁度效应，影响太阳望远镜成像质量；严重时甚至造成直接烧蚀，威胁望远镜的运行安全;对于真空时镜筒，尽管较好地消除了光阑温升造成的内视宁度效应，但仍有可能因为热光阑过热造成结构损坏，威胁望远镜运行安全。因此，无论采用何种镜筒设计形式，热光阑都必须配备高效的液冷装置进行温控。

另一方面，在太阳望远镜工作过程中，要求热光阑中心开孔必须严格位于望远镜主镜焦平面处。首先，必须对热光阑提供满足刚度需求的稳固支撑。其次，由于同轴式格林高利光学系统由主镜M1经次镜M2到第三镜M3的光束同光轴（如附图2所示），因此，热光阑支撑结构和冷却管线不可避免会遮光，并最终形成瞳面蛛状支撑阴影，造成后端自适应光学系统用于波前探测的哈特曼传感器部分子孔径被遮挡，影响波前探测准确性，降低了自适应光学系统对波前像差的校正能力，最终恶化望远镜成像像质。最后，由于系统对热光阑安装位置的严格要求，需要对热光阑位置可调，以便于安装之后的光学调试。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于同轴式太阳望远镜的热光阑可调式分段支撑装置，在保证热光阑支撑所需刚度的情况下，尽可能减少支撑结构形成的瞳面蛛状支撑阴影对望远镜后端自适应光学用于波前探测的哈特曼传感器子孔径的遮挡，提高波前探测准确性，保证自适应光学系统的校正能力。同时，可调节的支撑结构可以大大简化热光阑的光学装调。

本发明的技术解决方案是：一种用于同轴式太阳望远镜的热光阑可调式分段支撑装置，由热光阑1、环内窄梁2、金属毛细管3、内环4、软管5、环外宽梁6、外环7和导轨8组成；所述热光阑1中心通光孔位于太阳望远镜光学系统第一个焦平面上；所述金属毛细管3和软管5分别位于环内窄梁2和环外宽梁6正上方或正下方；所述热光阑1由环内窄梁2与内环4固连，实现热光阑1与内环（4）的相对固定；外环7通过环外宽梁6与太阳望远镜机架结构固连；内环4通过导轨8与外环7连接，将热光阑1和内环4的装配体视为运动件，导轨8视为承导件，形成导轨副，实现内环4和热光阑1的装配体与望远镜机架轴向位置的任意可调。

所述环内窄梁2的Z向尺寸较小，所述环外宽梁6的Z向尺寸较大，所述环内窄梁2的Z向尺寸应小于环外宽梁6Z向尺寸，一般前者约为后者的三分之一至一半。

所述金属毛细管3和软管5直径分别小于或等于环内窄梁2和环外宽梁6的Z向尺寸。

所述内环4和外环7的半径应大于望远镜次镜回光口径且小于望远镜主镜M1进光口径，以保证内环4、外环7不对望远镜镜筒内光束产生阻挡。

所述导轨副的运动件即热光阑1和内环4的装配件相对于承载件即导轨8采用微型电机驱动或螺母旋转方式进行驱动和锁紧。

本发明的原理：本发明的两大创新点，即分段支撑和热光阑位置可调，分别基于悬臂梁形变原理、自适应光学波前探测原理和机构运动学原理。

根据材料力学相关知识，本发明中热光阑蛛状支撑可以简化为悬臂梁支撑模型（如附图3所示），热光阑重力以及梁自重可以视为悬臂梁自由端集中力以及沿悬臂梁方向的均布载荷。根据悬臂梁形变理论，距自由端（即热光阑）距离为x处的挠度（即形变量）为：

$y=-\frac{{\mathrm{Px}}^2}{{6\mathrm{EI}}_z}(31-x)-\frac{{\mathrm{qx}}^2}{24E{I}_z}(x^2+61^2-41x)---\left(1.1\right)$

x处弯矩为：

$M_x=\mathrm{Px}+\frac{{\mathrm{qx}}^2}{2}---\left(1.2\right)$

x处最大弯曲应力为：

${\mathrm{\σ}}_{\max }=\frac{M_x\frac{h}{2}}{I_z}=\frac{{6M}_x}{{\mathrm{bh}}^2}---\left(1.3\right)$

其中，E为材料杨氏弹性模量，l为梁长度，b为梁矩形截面宽度，h为梁矩形截面高度。

上述公式表明：随着x的增大，梁形变不断减小而应力不断增大。为减小形变增大装置刚度，需增大惯性矩I_z。由于h值由热光阑尺寸确定，b值越大则梁刚度越好，但b越大则梁越宽，支撑梁在瞳面形成的蛛状支撑阴影面积越大，对哈特曼传感器子孔径遮挡越严重，将影响自适应光学系统波前探测的准确性，最终恶化太阳望远镜成像像质。

由于支撑梁各部分所需承受应力与位置有关，离热光阑越远，则所需刚度越大，因此，可以将支撑梁分段设计，离热光阑较远部分用相对较宽的梁以满足承受较大弯曲应力的需要，离热光阑较近部分用相对较窄的梁，在满足承受较小弯曲应力需要的同时，尽可能减小对瞳面哈特曼子孔径的遮挡，提高波前探测准确性。

根据机构运动学原理，固连在外环的导轨和相对导轨可以自由沿导轨移动的热光阑——内环组件，可以分别被视作承导件和运动件，共同组成一个导轨副。根据导轨副特点，承导件相对固定，运动件三个转动自动度和两个垂直于导轨方向的平动自由度被分别限制，仅剩沿导轨方向的平动自由度。因此，即实现了热光阑沿主光轴（即导轨）方向的任意位置可调。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明提出的可调节的太阳望远镜热光阑支撑装置，在保证热光阑支撑所需刚度的前提下，减小了由于支撑结构遮光对望远镜后端自适应光学系统波前探测准确性的影响，大大提高了自适应光学系统对太阳望远镜进行实时波前误差校正的能力，有效地提升了太阳望远镜成像像质。

（2）本发明提出的可调节的太阳望远镜热光阑支撑装置，通过对热光阑部分支撑结构与固定端采用导轨副连接，实现了热光阑在太阳王望远镜主光轴方向的任意平动与固定，大大简化了热光阑的光学装调。

（3）本发明在满足装置刚度要求的情况下，最大限度地减小了支撑结构对自适应光学系统性能及太阳望远镜成像的不利影响，同时实现了热光阑沿光轴位置的任意可调。

附图说明

图1为本发明用于同轴式太阳望远镜的热光阑可调式分段支撑装置结构示意图；

图2为同轴式格林高利式光学系统；

图3为热光阑简化支撑装置；

图4为一种用于同轴式太阳望远镜的热光阑可调式分段支撑装置解决方案。

具体实施方式

热光阑是太阳望远镜为保证运行安全和减轻内视宁度效应而在其主镜焦点处安装的一种带有水冷温控的特殊视场光阑。为实现热光阑的可靠定位，需对其设计一套支撑装置。一方面，由于受限于同轴式格林高利光学系统，需对支撑装置进行优化，以尽可能减少支撑结构挡光对自适应光学系统波前探测准确性的影响；另一方面，还应对其支撑装置进行可调式设计，以满足其光学装调的需要。

据此，本发明提出了一种用于同轴式太阳望远镜的热光阑可调式分段支撑装置，如图1所示，由热光阑1、环内窄梁2、金属毛细管3、内环4、软管5、环外宽梁6、外环7和导轨8组成。热光阑1由环内窄梁2与内环4连接，实现热光阑1与内环4的相对固定，外环7通过环外宽梁6与太阳望远镜机架结构固定。与内环4直接连接的环内窄梁2Z向尺寸小于与外环7直接连接的环外宽梁6。因此，环外宽梁的刚度较大，能够满足支撑整个环内组件的刚度需求，而环内窄梁2仅需支撑光阑1，所需刚度较小，其Z向尺寸的适当减小仍能满足结构支撑的需求，同时，能够有效地减小由于环内窄梁遮光造成的瞳面蛛状支撑阴影，提高了波前探测准确性。另外，内环2与导轨8所组成的导轨副，实现了热光阑在主光轴方向的任意定位，简化了光学装调。热光阑所需的由金属毛细管3和软管5组成的冷却液管线均布置于环内窄梁和环外宽梁的正上放或正下方，保证热光阑冷却管线不再单独挡光，保证了波前探测的准确性。

本发明一种可能的解决方案之一：如图4所示，一种用于同轴式太阳望远镜的热光阑可调式分段支撑装置解决方案，1为热光阑、2为环内窄梁、金3为金属毛细管、4为内环、5为软管、6为环外宽梁、7为外环和8为导轨。环外支撑梁宽度不同，在满足热光阑支撑装置所需刚度要求的前提下，尽可能减少了环内窄梁对光束的遮挡，减小了蛛状支撑阴影的面积以及对望远镜后端自适应光学系统波前探测器子孔径的阻挡，提高了波前探测精度。同时，内环——热光阑组件与丝杆形成的导轨副和锁紧螺母，实现了热光阑沿光轴方向位置任意可调与固定，大大简化了热光阑的光学装调。

金属毛细管3和软管5组成的冷却液管分别位于环内窄梁2和环外宽梁6正上方或正下方，保证冷却液管在Z向上，与支撑梁结构2，6重叠，不再单独挡光。

热光阑为本支撑装置的核心，通过环内窄梁与内环结构固连，并形成热光阑——内环组件。外环通过环外宽梁与太阳望远镜镜筒固连，形成固定端。热光阑——内环组件通过与外环固连的导轨共同形成导轨副，实现组件相对于固定端沿光轴方向的自由定位，并利用夹紧件实现夹紧实现组件相对于固定端沿光轴方向的自由定位及夹紧。同时，采用内外支撑梁宽度不同的设计，在满足装置所需支撑刚度的前提下，尽可能减小了环内支撑结构挡光对用于波前探测的哈特曼传感器子孔径的遮挡，提高了自适应光学系统的实时校正能力。

本发明可应用于同轴式太阳望远镜的各类型热光阑的支撑装置。针对各具体应用，可依据本发明权利要求书中所提出的各项特征，并综合各太阳望远镜具体要求，对其热光阑支撑装置进行详细的结构设计。

总之，本发明提出了一种用于同轴式太阳望远镜的热光阑可调式分段支撑装置，利用分段支撑结构，在保证热光阑所需支撑刚度的前提下尽可能减少了支撑结构对镜筒内光束的阻挡，提高了后端自适应光学系统波前探测的准确性，增强了自适应光学系统对波前像差的校正能力，提升了望远镜成像像质。同时，对支撑装置的可调式设计，也将大大简化热光阑的光学装调。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种用于同轴式太阳望远镜的热光阑可调式分段支撑装置，其特征在于：由热光阑(1)、环内窄梁(2)、金属毛细管(3)、内环(4)、软管(5)、环外宽梁(6)、外环(7)和导轨(8)组成；所述热光阑(1)中心通光孔位于太阳望远镜光学系统第一个焦平面上；所述金属毛细管(3)位于环内窄梁(2)正上方，软管(5)位于环外宽梁(6)正下方；所述热光阑(1)由环内窄梁(2)与内环(4)固连，实现热光阑(1)与内环(4)的相对固定；外环(7)通过环外宽梁(6)与太阳望远镜机架结构固连；内环(4)通过导轨(8)与外环(7)连接，将热光阑(1)和内环(4)的装配体视为运动件，导轨(8)视为承导件，形成导轨副，实现内环(4)和热光阑(1)的装配体与望远镜机架轴向位置的任意可调。

2.根据权利要求1所述的一种用于同轴式太阳望远镜的热光阑可调式分段支撑装置，其特征在于：所述内环(4)和外环(7)的半径应大于望远镜次镜回光口径且小于望远镜主镜M1进光口径，以保证内环(4)、外环(7)不对望远镜镜筒内光束产生阻挡。