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等截面反射镜椭圆压弯机构变像距压弯

周博文 王楠 祝万钱 薛松 田应仲

周博文, 王楠, 祝万钱, 薛松, 田应仲. 等截面反射镜椭圆压弯机构变像距压弯[J]. 中国光学, 2020, 13(4): 778-786. doi: 10.37188/CO.2019-0250
引用本文: 周博文, 王楠, 祝万钱, 薛松, 田应仲. 等截面反射镜椭圆压弯机构变像距压弯[J]. 中国光学, 2020, 13(4): 778-786. doi: 10.37188/CO.2019-0250
ZHOU Bo-wen, WANG Nan, ZHU Wan-qian, XUE Song, TIAN Ying-zhong. Variable image distance bending using an elliptical bending mechanism with a constant cross-section mirror[J]. Chinese Optics, 2020, 13(4): 778-786. doi: 10.37188/CO.2019-0250
Citation: ZHOU Bo-wen, WANG Nan, ZHU Wan-qian, XUE Song, TIAN Ying-zhong. Variable image distance bending using an elliptical bending mechanism with a constant cross-section mirror[J]. Chinese Optics, 2020, 13(4): 778-786. doi: 10.37188/CO.2019-0250

等截面反射镜椭圆压弯机构变像距压弯

doi: 10.37188/CO.2019-0250
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(No.11675253)
详细信息
    作者简介:

    周博文(1993—),男,内蒙古包头人,硕士研究生,2015年于河海大学获得学士学位,主要研究方向为压弯聚焦镜系统分析、测试。E-mail:597538834@qq.com

    薛松:薛 松,(1962—),男,吉林长春人,研究员,博士生导师,1984年于东北大学获得学士学位,现任上海光源束线机械工程技术部主任,主要从事同步辐射光学工程、精密机械与光谱仪器的研究。E-mail:xuesong@zjlab.org.cn

    田应仲(1973—),男,贵州安顺人,博士,副教授,博士生导师,2007年于上海大学获得博士学位,现从事移动机器人、软体机器人、图像处理领域的研究。E-mail:troytian@shu.edu.cn

  • 中图分类号: TH744

Variable image distance bending using an elliptical bending mechanism with a constant cross-section mirror

Funds: Supported by National Natural Science Foundation of China (No.11675253)
More Information
  • 摘要: 针对新设计的等截面反射镜椭圆压弯机构在固定物距(即反射镜在光路中位置不变)的情况下,研究了实现大范围像距调整(即样品位置发生改变)时镜面面形误差等问题。通过理论分析并借助有限元分析软件计算等截面平面镜压弯至不同(反射点处像距不同)椭圆柱面时的理论斜率误差,最后对椭圆压弯机构样机进行了实际压弯测试。实验结果与计算分析均表明:保持物距、掠入射角不变,压弯镜面与理想椭圆柱面之间的斜率误差会随着像距的减小而增大,并且像距越小,镜面斜率误差的增加速度越大。实验测得在反射镜面初始斜率误差为0.397 μrad的情况下,全部像距范围(21.5~3.8 m)内压弯镜面的实际斜率误差在0.402~0.560 μrad之间,重复精度为0.051 μrad,均满足上海光源光束线的设计要求。本文研究证明了使用等截面反射镜压弯机构进行椭圆柱面压弯可以实现聚焦镜工作像距在大范围内的连续调节。
  • 图  1  压弯原理

    Figure  1.  Principle of bending

    图  2  椭圆聚焦的几何关系

    Figure  2.  Geometric relationship of elliptical focusing

    图  3  压弯机构的三维模型

    Figure  3.  3D model of bending mechanism

    图  4  不同像距时理论斜率误差对比

    Figure  4.  Comparison of theoretical slope errors at different image distances

    图  5  理论斜率误差RMS值随像距的变化曲线

    Figure  5.  RMS value of theoretical slope error varying with image distance

    图  6  简化三维模型图

    Figure  6.  Simplified 3D model

    图  7  模型网格划分

    Figure  7.  Grids of 3D model

    图  8  镜面变形及斜率误差

    Figure  8.  Deformation and slope error of mirror

    图  9  压弯机构与NOM测量仪

    Figure  9.  Bending mechanism and NOM measuring instrument

    图  10  压弯前的镜面误差

    Figure  10.  Surface error of mirror before bending

    图  11  像距q=21.5 m时的测量结果

    Figure  11.  Measurement results when image distance is 21.5 m

    图  12  3种斜率误差RMS值随像距的变化情况

    Figure  12.  Three kinds of RMS values of slope error varying with image distance

    表  1  椭圆压弯反射镜的参数及设计指标

    Table  1.   Parameters and design indexes of elliptical bending mirror

    材料聚焦镜尺寸/mm镜面有效尺寸/mm自身斜率误差/μrad
    单晶硅1000×70×50700×200.4
    物距p/m掠入射角θ/mrad像距q/m要求压完后
    斜率误差/μrad
    26.53.5 21.5~3.8<0.60
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    表  2  压弯部件材料属性

    Table  2.   Material properties of the bending mechanism,s parts

    材料泊松比杨氏模量/GPa密度/kg·m−3
    Si0.31692330
    结构钢 Structural steel (OCr18Ni9)0.332067800
    轴承钢 Beering steel (Gcr15)0.32087800
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    表  3  不同像距下镜面斜率误差RMS值的有限元计算结果

    Table  3.   FEA results of RMS values of slope error at different image distances

    理论像距/m斜率误差RMS左右驱动杆位移/mm
    21.50.0133.964.27
    16.50.0154.535.18
    11.50.0275.577.32
    8.50.0356.107.93
    6.50.0787.428.96
    4.80.1289.0512.83
    3.80.24210.1017.20
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    表  4  实际压弯测试结果

    Table  4.   Actual bending experiment results

    理论像距/m斜率误差RMS/μrad重复精度/μrad驱动杆位移/mm
    21.50.4020.0114.13,4.30
    16.50.4090.0214.65,5.05
    11.50.4150.0135.67,6.30
    8.50.4130.0216.35,7.80
    6.50.4390.0267.70,9.55
    4.80.4780.0239.70,13.10
    3.80.5600.05110.55,17.60
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-29
  • 修回日期:  2020-02-22
  • 刊出日期:  2020-08-01

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