大口径光学组件重力翻转测试方法验证及应用

周于鸣 杨秋实 孟晓辉 刘志远 王向东



大口径光学组件重力翻转测试方法验证及应用

周于鸣1,2杨秋实1,2孟晓辉1,2刘志远1,2王向东1,2

（1 北京空间机电研究所，北京 100094） （2 国防科技工业光学超精密加工技术创新中心（先进制造类），北京 100094）

空间光学遥感器的光学组件在地面检测时，最终检测结果受重力变形、结构变形、装配应力、加工残差等多重因素影响。考虑到重力影响在轨后会自动消失，因此在地面装调过程中，需要将重力变形误差与结构变形和装配应力的影响严格区分，有效提高装配精度，降低装配难度。针对采用Bipod光机结构设计的光学组件，利用其力学边界条件简单的特点，通过有限元分析可以获得较为准确的分析结果，重力影响的光学面形误差可以通过翻转测试的数据叠加有效去除。文章将光学组件分别在光轴竖直向上和光轴竖直向下的条件下进行测试，通过将两次测试结果图像叠加，有效去除重力变形影响，实现了和装配应力的有效分离。

大口径 光学组件翻转测试 两足杆结构 空间遥感

0 引言

光学遥感器的研制过程中，光学组件在重力场下的光学测试，总是不可避免的会受到重力影响，从而导致其光学品质有可能与在轨工作后的状态不一致[1]，这一点在大口径光学组件的试验过程中，体现尤其明显。由于地面检测状态，光学面形的最终检测结果是在重力变形、结构变形、装配应力等综合影响下的结果[2]。为了减少重力对装配结果的影响，在地面装调过程中，有必要将其与结构变形和装配应力的影响严格区分，从而更有利于提高装配精度[3-5]。

在光学装调阶段，加工残留误差不可改变，装调的目的也是为了保证光学零件的面形精度，在装配前后不能因为额外的人为因素而发生变化；而重力影响，在光学遥感器领域，由于在轨后重力会消失，在地面因重力环境而产生的重力误差也会随之而消失，在地面装调的重点是需要准确测试及预估[6-8]；装配应力则是需要着重控制，并尽量消除影响的关键环节，由于没有直接的测试方法，在光学测试中，也只能通过波前误差（Wave Front Error，简称WFE）来表征，因此区分重力误差和装配应力误差是测试控制关键点[9-11]。

重力误差在中小口径光学零件测试中体现不明显，但是在大口径或是轻量化程度比较高的光学零件测试时，就成为了不可忽视的误差源，在地面装调阶段必须对其进行测试，以便于更准确地预估光学遥感器在轨后的成像品质[12-14]。

1 重力翻转测试原理

任何结构体在分别承受大小相同、但是方向完全相反的力场时，其变形量应该是大小一致，方向相反。重力翻转测试方法正是基于这一理论进行推演，分别测试光学组件在光轴竖直向上（以下简称0°）和光轴竖直向下（以下简称180°）两个状态下的面形变化，并通过两个状态的数据叠加来获得无重力影响的光学测试面形结果。

但是对于光机结构过于复杂的光学组件，其力学边界条件复杂，力学仿真结果无法准确表达重力环境下的变形情况，因此，本文选定以Bipod结构为典型代表的光机结构，其具有装配简单、力学边界条件简单的优点，力学仿真模型能够与光学检测结果相匹配，十分有利于装调过程中的仿真辅助[15-17]。

任一光学零件的WFE测试结果都会包含以下误差：1）加工残留误差P——按照技术要求确定的光学零件基础面形误差；2）重力影响误差g——光学组件因重力而变形，并以波前误差来表征的那一部分误差，该部分误差数据在特定条件下可以通过有限元仿真获得；3）装配应力误差a——装配过程中的光机结构变形造成光学零件面形变化，最终以波前误差来间接表现的误差；4）温度气流误差t——环境变化造成的光学测试误差[18-19]。

在本文中重力影响造成的变形是弹性变形，具有可恢复性和可重复性，光学组件0°和180°两个状态下的测试，其重力造成的光学零件波前差在数值上相等，在相位上相反，通过数据叠加，就可以有效去除重力影响，保留原始面形。0°状态与180°状态的测试结果分别为：

其中 WFE0°、WFE180°分别为0°和180°状态下的波前测试误差；+g为0°状态下的重力影响误差；–g为180°状态下的重力影响误差；t1、t2分别为0°和180°状态下温度气流误差。

通过式（2）与式（3）的叠加，可以得到无重力状态下的波前测试误差WFEn，

经过叠加后的光学组件的测试波前差，等于加工残留误差与装配误差以及前后两次测试的气流干扰误差之和。因此，在确认气流干扰误差最小的情况下，在扣除重力影响误差后，就可以通过波前差判断装配应力误差，然后通过精确装配以尽量减少装配应力误差，进而实现光学组件测试结果无限近似该零件的光学加工误差。

2 试验对象结构分析

Bipod结构在光学遥感器上应用较多，比如GeoEye-2相机反射镜支撑采用的是RTV胶粘接的Bipod结构6杆柔性支撑方式，如图1所示[20]。SNAP空间望远镜反射镜采用ULE蜂窝夹层结构，直径2m，反射镜结构组件采用Bipod支撑结构设计，如图2所示[21]。

图1 GEOEYE-2相机反射镜Bipod支撑

图2 SNAP空间望远镜结构

本文试验采用直径660mm的微晶反射镜，轻量化程度达到62%，采用圆形减轻孔加工，反射镜结构如图3所示。

图3 直径660mm反射镜结构

ig.3 Structure of 660mm diameter mirror

针对试验对象的光机组件，进行有限元分析，采用实体单元网格划分，分析6杆支撑结构在重力环境下（0°和180°两个状态）对面形的影响，仿真结果如图4所示（图中为光波波长，=632.8nm）。对图4（a）与图4（b）（即0°和180°状态）进行分析发现，两种状态下镜面面形高度起伏均方根值（RMS）极为接近，图形上相同位置的数据刚好位相相反。叠加后，得到的理论仿真结果面形RMS值约为0，说明可以通过重力翻转的方法获得无重力影响的光学测试面形结果。

图4 重力环境对光学零件面形影响理论分析

3 试验验证

本次试验主要目的为了验证翻转测试对光学零件重力变形影响的区分效果，流程包括：1）对裸镜进行测试，获得光学零件原始面形，作为后期装配检测结果的数据判读基础；2）分成两种状态进行组件装配，一种是故意引入能够促使光学零件面形发生变化的装配应力，另一种则是合理安排装配流程，避免引入装配应力，对这两种状态的光学组件分别进行重力翻转测试，验证翻转测试对重力影响的去除效果；3）进行翻转测试，建立竖直检测平台，用于光轴竖直检测，并分别测试镜面向上和镜面向下两种状态；4）对测试数据进行处理，将重力翻转的测试干涉图进行叠加，确定重力变形的去除效果。

（1）裸镜检测

试验所用光学零件由于刚度较强，在光学检测的过程中，使用吊带支撑光学零件，经过绕光轴旋转（0°、90°、180°、270°）四个状态下的干涉测试结果综合评判。后续所有光学检测环节都是用同一套测试设备，避免引入额外误差。最终该光学零件面形RMS=0.027。通过光轴水平四个方向的测试结果比对可知，镜面的特征点都随着旋转变化，且RMS值保持一致，如图5所示。由此可知，吊带支撑检测结果比较稳定，重力对光学零件面形影响不大。

图5 四个方向检测数据图

（2）组件装配

本次试验是为了验证翻转测试结果的叠加能够有效去除重力对光学组件的面形影响，且能够将重力变形误差与装配应力误差严格区分。因此在装配时分成两种状态，一种是装配过程中，故意引入较大的装配应力，使得光学零件面形发生明显变化，观察此时重力翻转测试的结果是否会消除装配应力造成的面形变化；另一种是控制装配精度，尽量控制装配应力不对光学面形造成影响，然后通过重力翻转测试，剔除重力影响；并且最终对两种状态下的重力影响剔除后的数据进行判读，判断翻转测试结果的叠加是否会干扰到装配源应力带来的面形误差。两种装配状态下的面形测试结果如图6所示，可以看出，引入装配应力时会产生较大的面形误差。

图6 两种装配应力的检测结果

精密装配过程中，为了保证引入的装配应力尽可能小，同时为了保证光学零件相对底板的位置精度，使用激光跟踪仪进行空间方位的测试，光学零件相对底板最终控制精度为：同轴度≤0.01mm，平面端跳≤0.01mm，相对旋转≤10″，支杆的长度控制精度达到260mm±0.005mm。螺钉拧紧过程遵守各环节逐次拧紧的程序。

（3）翻转测试

本文中的翻转测试主要特指两个状态测试，一个是镜面竖直向上测试（0°），另一个是镜面竖直向下测试（180°）。如图7所示，选用Bipod光机结构组件作为测试对象，为了方便搭建测试光路，采用了一块45°折镜，折转光路。

（4）数据处理

由于干涉检测结果最终以图形数据输出，考虑到干涉仪在多次检测工作时，每次干涉仪内CCD成像的位置并不一致，前后两次成像有效数据的矩阵维数大小也可能不统一，因此，在完成数据采集后，首先需要把这些图形数据的矩阵一致化，达到位相统一，才能实现数据叠加，避免因为矩阵错位引入额外误差。

图7 翻转测试现场

通过MATLAB编程，将ZYGO干涉测试结果数据统一处理，获得维数相同、有效矩阵维数相同的数据，进行叠加处理。

对有装配应力和微装配应力的两种状态，分别进行重力翻转测试，并将有装配应力和微装配应力的测试结果分别叠加，结果如图8、图9所示。

通过将图9（c）与图5（a）比对可知，重力影响面形误差可以通过翻转测试的数据叠加有效去除；通过将图8（c）与图9（c）数据比对可知，可以实现重力影响面形误差和装配应力有效分离。有限元仿真数据较为真实，可以用于Bipod结构的光机装配指导，有效监测装配应力的分布情况。

图8 有装配应力时的叠加结果

图9 微装配应力时的叠加结果

4 结束语

本文针对Bipod光机结构进行试验，因为该结构的力学边界条件简单，重力对光学零件的影响具有圆对称性，其变形形状及大小都可以通过有限元软件准确预估，在数据处理上也相对简单。试验结果证明重力翻转测试的数据经过处理后，与理论预测比较接近，能够为圆形光学零件的装配过程提供数据支持。

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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

周于鸣，男，1978年出生，2006年获中科院天文技术研究所天文技术专业硕士，高级工程师。研究方向为航天大口径光学检测、装调。E-mail：zhou2000s@163.com。

2019-04-11

国家重大科技专项工程

（编辑：夏淑密）