CN117348234A - 高空间频率覆盖能力的天基液体变形镜系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空间望远镜技术领域，具体提供一种高空间频率覆盖能力的天基液体变形镜系统，由变形镜和电磁阵列组成，变形镜包括透明储液腔和磁流体，磁流体存储在透明储液腔内，磁流体未完全充满透明储液腔；电磁阵列均匀设置在所述变形镜的下方，通过输入电流生成磁场，通过改变输入电流改变磁场，通过磁力平衡磁流体的表面张力，进而实现磁流体的面型调控。本发明解决了现有空间望远镜空间频率覆盖能力差的问题，无需通过在轨更换镜片即可实现镜片焦距和形状的调整，通过磁场改变磁流体呈现的镜面面型，可实现对不同距离目标的清晰成像。

Description

高空间频率覆盖能力的天基液体变形镜系统

技术领域

本发明涉及空间望远镜技术领域，具体提供一种高空间频率覆盖能力的天基液体变形镜系统。

背景技术

随着航天技术的发展，对于空间望远镜的图像解析要求逐渐提高，尤其是镜片的空间频率覆盖能力。而传统镜片具有相对较低的折射率和色散特性，会对镜片的光学性能产生限制，限制了其在高频率光波下的空间频率覆盖能力。高频率光波对光学系统的镜片形状和表面精度要求更高，而传统的玻璃材料难以满足这些要求。一旦制造完成，其形状和焦距是固定的，无法进行实时的形状和焦距的调节，如球面或平面，这些固定形状限制了镜片对高频率光波进行调控和适应不同的光学需求。由于镜片形状固定，所以镜片系统的调焦范围通常是有限的，在需要改变焦距或成像位置时，通常需要更换不同焦距的镜片或调整镜头的物理位置，但对于空间望远镜，进行在轨更换镜片是极为困难的，这限制了镜头的灵活性和实时调节的能力。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供了一种面型曲率可变的高空间频率覆盖能力的天基液体变形镜系统，由于磁流体的面型曲率可变，在需要改变焦距或成像位置时，仅通过控制输入电流即可改变镜面面型，进而改变镜面焦距和成像位置，使望远镜无需更换镜片即可获得清晰图像；此外由于透明储液腔对磁流体的约束，使望远镜在进行各种运动时，磁流体不会流出。

本发明提供的高空间频率覆盖能力的天基液体变形镜系统，包括：变形镜和电磁阵列；

变形镜包括透明储液腔和磁流体，磁流体存储在透明储液腔内，磁流体未完全充满透明储液腔；磁流体包括基液和微米级或/和纳米级的磁性颗粒；

电磁阵列均匀设置在变形镜的下方，通过输入电流生成磁场，通过改变输入电流改变磁场，通过磁力平衡磁流体的表面张力，进而实现磁流体的面型调控。

优选的，在变形镜的底部还连接有促动器，电磁阵列通过磁力传导控制促动器运动，促动器带动变形镜旋转，通过离心力平衡磁流体的阻尼特性，进而实现磁流体的面型调控。

优选的，透明储液腔的外壳为玻璃材质，透明储液腔的形状为圆柱状。

优选的，电磁阵列呈多层同心圆排列，每层同心圆上等距设置有多个磁力单元。

优选的，利用神经网络控制输入电流，实现磁流体的面型调控；

训练神经网络时，以输入电流的值为输入，以磁流体的面型参数为输出，建立输入电流与面型参数的非线性关系；

面型调控时，以磁流体的面型参数为输入，神经网络控制电磁阵列的输入电流，实现磁流体的面型调控。

优选的，磁力单元包括电磁体和永磁体，相邻的两层同心圆中一层设置有电磁体，另一层设置有永磁体。

优选的，磁力单元包括电磁体和永磁体，每层同心圆上间隔设置有电磁体和永磁体。

与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

本发明解决了现有空间望远镜空间频率覆盖能力差的问题，无需通过在轨更换镜片即可实现镜片焦距和形状的调整，通过磁场改变磁流体呈现的镜面面型，可实现对不同距离目标的清晰成像；并且由于磁流体存储在透明储液腔内，即便空间望远镜进行大幅度运动或角度偏转，均不会导致磁流体外漏，使空间望远镜的运动不会受到磁流体的限制。

本发明通过磁力平衡磁流体的表面张力或离心力平衡磁流体的阻尼特性，呈现的镜面面形精度远高于传统镜面，现有的加工工艺无法保证传统镜片具有超高的面形精度，尤其是在镜片的边缘部分容易受到形状和材料的限制，导致边缘效应产生，对高频率光波的传播和调制产生影响，限制了镜片的空间频率覆盖能力。

本发明对电磁阵列进行了独特阵列排布的设计，将永磁体与电磁体进行了交叉设置，永磁体无需能源即可保持对磁流体进行磁力传导，在永磁体磁场基础上，电磁体只需要微量电流即可形成微弱的电磁体磁场对永磁体磁场进行补偿即可实现面型调整，相对于全电磁体磁场或纯电场驱动，本发明的设计能够极大减少能量损耗，对于天基望远镜其所携带的能量极为珍贵，天基望远镜无法进行在轨能量补充，因此，能量损耗越小，天基望远镜的使用寿命就越长；并且仅需要微量电流即可驱动，极大减少了发热情况，保证了镜面面型参数不会受到热量影响。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的高空间频率覆盖能力的天基液体变形镜系统的结构图。

其中的附图标记包括：

透明储液腔1、磁流体2、电磁阵列3、基体4、电磁体31、永磁体32。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

如图1所示，本发明实施例提供了一种高空间频率覆盖能力的天基液体变形镜系统，主要包括变形镜和电磁阵列3，其中，变形镜是通过将磁流体2注入到透明储液腔1形成的，透明储液腔1未被磁流体2完全充满，还保留部分空间，以便于磁流体2发生形变。透明储液腔1采用透明玻璃材质，其形状为扁平的圆柱状。此外，变形镜的底部还连接有基体4，用于对变形镜起支撑作用。注入磁流体2后，对透明储液腔1进行密封，避免变形镜翻转时磁流体2流出。由于空间望远镜在轨详查与普查切换或者不同目标成像解析时，需要在调整环形直径、整体倾斜的基础上，调节各个镜面面型，最终实现连续的波前变化。

目前现有的陆基水银反射式望远镜，由于其是通过开口容器盛载水银，导致其不能进行大角度偏转，只能垂直观测上方的一小块天空，只能直视观测，不能倾斜，否则水银就会溢出，更无法应用在天基望远镜中，且水银属于易挥发的有毒金属，挥发出的水银蒸汽对人体危害极大。

磁流体2对光线具有反射作用，其主要由基液和微米级或/和纳米级的磁性颗粒构成，基液采用液态稳定剂，液态稳定剂化学特性稳定，难挥发。

电磁阵列3设置在变形镜的下方，电磁阵列3呈多层同心圆排列，每层同心圆的间距可以相同或不同，每层同心圆上等距设置有多个磁力单元，对磁力单元进行供电，输入电流基于电磁效应生成磁场，通过改变输入电流的具体数值即可改变磁场的强度。磁场会对透明储液腔1内的磁流体2产生磁力作用，磁流体2在磁场和自身表面张力以及透明储液腔1外壳对其的约束的作用下，磁流体2的表面曲率发生变化，当磁力与表面张力平衡时，磁流体2形成的镜面面形稳定，通过磁场力约束获得的镜面面形精度远高于传统通过加工打磨获得的镜面。

此外，对于电磁阵列3中的磁力单元进行了优化设计，磁力单元由电磁体31和永磁体32均匀组成，并且设计了两种不同的排布方式，一种排布方式是：每层同心圆上排布一种磁力单元，电磁体31和永磁体32间隔排布在不同层的同心圆上，即相邻的两层同心圆中一层设置有电磁体31，另一层设置有永磁体32；另一种排布方式是：在每层同心圆上将电磁体31和永磁体32进行间隔设置。上述两种方式，再不进行通电的情况下，永磁体32无需能源即可保持对磁流体进行磁力传导，提供一个基础永磁体磁场，保证磁流体2具有一个基准面型，当需要指定面型时，对电磁体31输入微量电流，驱动其产生电磁体磁场，在永磁体磁场的基础上电磁体磁场进行补偿即可实现磁流体2的面型调整。相较于全部采用电磁体31或者通过电场驱动的方案，本发明的这两种排布方式，所需要输入的电流值更小，能够极大减少能量损耗，对于天基望远镜其所携带的能量极为珍贵，天基望远镜无法进行在轨能量补充，因此，能量损耗越小，天基望远镜的使用寿命就越长，能量损耗实际等效了使用寿命；并且相对于全部采用电磁体31必须采用大电流，本发明的这两种排布方案，永磁体磁场承担主要磁场需求，因此仅需要微量电流即可驱动，极大减少了发热产生的能量，保证了镜面面型参数不会受到热量影响，当发热较高时，受热胀冷缩影响，望远镜系统的镜片和光学元件会发生面形变化，严重影响成像精度。

在传统的空间望远镜系统中，对于不同位置目标的观测，需要调整镜组中各元件的间距，以调整成像位置，但由于各元件的形状和焦距是固定的，因此调整范围是有限的，望远镜的空间频率覆盖能力较差，而空间望远镜是在轨道上运行，以现有的技术，进行在轨更换镜片是难以实现的，只能通过重新发射运送符合要求的空间望远镜，该过程极大的提高了时间成本和经济成本。而本发明的在高空间频率覆盖能力的天基液体变形镜系统中，镜片均是采用液态的变形镜，可通过电磁阵列3控制磁流体2进行形变，获得的镜面的曲率和焦距均可变化，能够依据观测目标，实现不同的改变。但由于系统调控具有较高的非线性关系，因此，对于电磁阵列3的输入电流，利用神经网络进行控制，利用神经网络进行镜组调控在此前也是绝无仅有的。首先需要对神经网络进行训练，该过程可在地面进行即可，将大量不同的电流输入电磁阵列3，并获得对应磁流体2的面型参数，将输入电流和面型参数进行一一对应，并以输入电流的值为神经网络的输入，以磁流体的面型参数为神经网络的输出，建立输入电流与面型参数的非线性关系。当系统在轨工作时，依据所要观测的目标确定所需的磁流体2面型参数，以磁流体的面型参数为输入，神经网络即可输出所需的输入电流，将输入电流输入电磁阵列3，即可生成对应磁场，实现磁流体2的面型调控。

此外，除了磁场直接对磁流体2进行调控外，该可以在基体4上安装促动器，电磁阵列3建立磁场后，通过磁力传导控制促动器运动，促动器带动变形镜旋转，磁流体2受到离心力作用，通过离心力平衡磁流体的阻尼特性，进而实现磁流体2的面型调控，该过程中磁流体2也会受到部分磁力约束。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种高空间频率覆盖能力的天基液体变形镜系统，其特征在于，包括：变形镜和电磁阵列；

所述变形镜包括透明储液腔和磁流体，磁流体存储在透明储液腔内，磁流体未完全充满透明储液腔；磁流体包括基液和微米级或/和纳米级的磁性颗粒；

所述电磁阵列均匀设置在所述变形镜的下方，通过输入电流生成磁场，通过改变输入电流改变磁场，通过磁力平衡磁流体的表面张力，进而实现磁流体的面型调控。

2.如权利要求1所述的高空间频率覆盖能力的天基液体变形镜系统，其特征在于，在所述变形镜的底部还连接有促动器，所述电磁阵列通过磁力传导控制促动器运动，促动器带动所述变形镜旋转，通过离心力平衡磁流体的阻尼特性，进而实现磁流体的面型调控。

3.如权利要求1所述的高空间频率覆盖能力的天基液体变形镜系统，其特征在于，透明储液腔的外壳为玻璃材质，透明储液腔的形状为圆柱状。

4.如权利要求1所述的高空间频率覆盖能力的天基液体变形镜系统，其特征在于，所述电磁阵列呈多层同心圆排列，每层同心圆上等距设置有多个磁力单元。

5.如权利要求1所述的高空间频率覆盖能力的天基液体变形镜系统，其特征在于，利用神经网络控制输入电流，实现磁流体的面型调控；

训练神经网络时，以输入电流的值为输入，以磁流体的面型参数为输出，建立输入电流与面型参数的非线性关系；

面型调控时，以磁流体的面型参数为输入，神经网络控制所述电磁阵列的输入电流，实现磁流体的面型调控。

6.如权利要求4所述的高空间频率覆盖能力的天基液体变形镜系统，其特征在于，所述磁力单元包括电磁体和永磁体，相邻的两层同心圆中一层设置有电磁体，另一层设置有永磁体。

7.如权利要求4所述的高空间频率覆盖能力的天基液体变形镜系统，其特征在于，所述磁力单元包括电磁体和永磁体，每层同心圆上间隔设置有电磁体和永磁体。