用于無運動部件變焦的變曲率反射鏡技術(shù)研究.pdf

1、無運動部件變焦(opticalzoom without macroscopic moving elements)是指在沒有光學(xué)部件宏觀上相對位移的前提下實現(xiàn)光學(xué)變焦的過程。作為一種新型的光學(xué)變焦技術(shù)，宏觀運動部件的消除不但可以使其應(yīng)用到對空間、功耗或穩(wěn)定性有苛刻要求的場合，而且能夠提升變焦的時效性，因此極大地拓展了變焦技術(shù)的應(yīng)用范圍。目前，美國、德國、法國、中國等均已開展了將無運動部件變焦應(yīng)用于天文望遠鏡及移動電子設(shè)備變焦成像等領(lǐng)域的研

2、究。
　　能夠改變自身曲率半徑的主動光學(xué)元件——變曲率反射鏡是實現(xiàn)無運動部件變焦的關(guān)鍵。在特定的場合，比如小規(guī)模驗證系統(tǒng)中，商用變形鏡可以作為變曲率反射鏡的替代來使用。然而，為了回避多點驅(qū)動變形鏡控制復(fù)雜的問題，機理簡單易于實現(xiàn)的功能經(jīng)過簡化的變曲率反射鏡成為了一個研究分支。本文圍繞變曲率反射鏡技術(shù)開展研究工作，主要由以下幾個部分組成:
　　第一，系統(tǒng)地介紹了無運動部件變焦技術(shù)及關(guān)鍵器件——變曲率反射鏡技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及

3、發(fā)展趨勢，并據(jù)此得出變曲率反射鏡技術(shù)應(yīng)用于無運動部件變焦成像領(lǐng)域時面臨的難點。
　　第二，從彈性薄板Roark應(yīng)力應(yīng)變定律出發(fā)，首先介紹了基于簡支條件下的環(huán)形線負(fù)載機理的變曲率反射鏡的曲率變化物理模型。其次，對單驅(qū)動點環(huán)形線負(fù)載驅(qū)動及多驅(qū)動點疊加環(huán)形線負(fù)載驅(qū)動這樣兩種能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)形線負(fù)載驅(qū)動機理的物理方式進行了性能上的對比分析，并以“最小驅(qū)動力實現(xiàn)最大中心形變”作為評價標(biāo)準(zhǔn)，通過分析確定了驅(qū)動環(huán)半徑的最佳數(shù)值，同時分析了多驅(qū)動點疊加

4、環(huán)形線負(fù)載驅(qū)動對于形變后的面形精度的調(diào)整控制能力。最后，通過比較不同基底材料、不同厚度對中心形變的影響及對驅(qū)動能力的要求，確定了變曲率反射鏡原型樣片的關(guān)鍵參數(shù)集合。
　　第三，以優(yōu)化后的多驅(qū)動點疊加環(huán)形線負(fù)載驅(qū)動實現(xiàn)反射鏡曲率變化的物理模型出發(fā)，在考慮后續(xù)器件裝配要求的前提下，對變曲率反射鏡的整體結(jié)構(gòu)形式進行了設(shè)計，并將其導(dǎo)入有限元軟件中進行接近實際工況的有限元分析。分析表明，本文所建立的模型不但能夠?qū)崿F(xiàn)與曲率變化所對應(yīng)的較大的中

5、心形變，而且能夠保證反射鏡及其結(jié)構(gòu)的使用安全。
　　第四，介紹了變曲率反射鏡原型鏡片的加工、結(jié)構(gòu)件的研制、驅(qū)動器的選擇測試、實驗平臺的搭建以及最后的整體試驗測試的詳細(xì)描述，并對試驗數(shù)據(jù)進行了分析，找出了實驗過程中結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的問題，據(jù)此對變曲率反射鏡的結(jié)構(gòu)進行了改進。測試結(jié)果表明:100mm口徑，3mm厚的鈹青銅變曲率反射鏡可以實現(xiàn)超過30個波長（波長632.8nm）的中心形變。此外，同等規(guī)格的K9玻璃變曲率反射鏡能夠?qū)崿F(xiàn)的中心形