本文的研究由 Emma Rautio-Roe、Jeffrey Crane、Jenny Atwood 和 Olivier Lardière 等人完成，隶属于 NRC Herzberg Astronomy and Astrophysics Research Center（加拿大维多利亚）机构。研究成果发表在 SPIE 期刊的《Advances in Optical and Mechanical Technologies for Telescopes and Instrumentation VI》（Proc. SPIE Vol. 13100, 131006M）上，发布日期为 2024 年。
科学领域与背景
此研究属于天文光学和机械工程领域，研究的核心是窄场红外自适应光学系统（NFIRAOS）的组件优化和性能提升。NFIRAOS 是专为三十米望远镜（TMT）设计的首光自适应光学系统，该系统包括激光导星波前传感器系统（NLGS）。NLGS 系统包含一个用于补偿钠层高度波动和望远镜俯仰角变化的“Trombone”镜组件。其中包含两个重型折叠镜，其镜壳中配备了精密调节器以对激光导星在波前传感器上的对准进行调整。
研究目的
这项研究旨在开发一种达到 NFIRAOS 所需标准的精密调节器原型。这些标准包括调整分辨率为 10 µrad，调整范围为 1 mrad，并能承受 34 千克以上的重载。研究的目标还包括评估调节器材料选择、设计优化和润滑剂对性能的影响，以解决潜在问题如调节器卡死、热稳定性不足等，以提高系统的整体性能和可用性。
研究流程分为五个主要部分：设计目标定义、调节器设计开发、材料和润滑剂选择、调节器性能测试、以及改进建议。
1. 设计标准与目标
NFIRAOS 系统对调节器提出了以下要求： - 调整分辨率：≤10 µrad； - 调整范围：≥1 mrad； - 重载能力：≥34 千克； - 使用寿命：≥20 年。
此外，研究还设定了一些额外的优化目标，如提升调整范围至 5 mrad，为其他应用增加锁定能力，以及改进在狭小空间内的操作便捷性。
2. 精密调节器设计
调节器包括粗调和微调组件，采用 0.02 mm 螺距差以实现高精度调整。调节器通过预紧螺钉和球面垫片固定，顶部带有扳手平面及刻度以跟踪旋转角度，支持单手操作和 1⁄8 转大范围调整。对于温度变化研究，设计中增加了热膨胀系数（CTE）匹配元件以减小角度偏移。
3. 材料选择
考虑到磨损、卡死和腐蚀性能，研究测试了以下材料组合： - 17-4PH 不锈钢——具有良好的 CTE 匹配性，但易发生咬伤； - 416HT 不锈钢——韧性较强，易加工； - 932 轴承青铜——最抗磨但 CTE 不匹配。
同时，研究采用钨二硫化物涂层减少摩擦，并探讨了热处理对调节器硬度和机器性能的优化。
4. 原型测试与实验设置
测试原型包含一调节器、两固定枢轴，以及模拟折叠镜重量的钢板。测试内容涵盖调整范围、分辨率、锁定能力、载荷能力和热稳定性，测试设备包括高精度长度规以及冷测试中使用的自准直仪设备。
5. 数据分析与改进措施
通过对测试数据与目标值的对比，评估调节器的性能，并提出设计改进建议，如提升预紧载荷、优化弹簧常数以及改用更轻的操作工具以提高操作便捷性。
1. 目标值满足情况
- 调整范围：所有调节器达到≥1 mrad 的要求，标定值为 5 mrad； - 分辨率：在多次目标测试中，调节器能够实现±1.85 µm 的微调精度，满足 NFIRAOS 对 10 µrad 的分辨率需求； - 操作性：实际操作中需要 2 手操作，部分情况下调整低于 1⁄8 转，不完全符合便捷性要求； - 热稳定性：在 -25°C 测试中，17-4PH 不锈钢调节器产生 117 µrad 偏移，未达到 7.5 µrad 热稳定性目标； - 锁定能力：大部分情况下锁定位移偏差较高，平均偏差约为目标值的1.85倍。
2. 材料性能差异
- 416HT 不锈钢结合涂层的性能最佳，滑动摩擦小且分辨率较稳定； - 青铜材料耐磨性出色，但与 416HT 不锈钢的接触导致刮擦； - 17-4PH 不锈钢经高载荷测试后出现螺纹损坏，需润滑剂辅助。
3. 润滑剂与预载效果
润滑剂有效降低了摩擦和卡滞的发生，并显著提高了结果一致性。增加弹簧数或降低弹簧常数可减少预紧螺钉带来的调整偏移。
研究验证了设计的精密调节器原型能在 NFIRAOS 系统中工作，并满足大部分设计要求。然而，热稳定性和锁定精度仍需通过额外设计优化改进。研究对调节器在狭小空间且高载荷条件下的可操作性提供了技术保障，也对材料选择和润滑策略提出了行之有效的建议。
亮点
- 原型设计采用粗调与微调结合的创新螺距差方案； - 综合考虑了结构、材料、涂层及润滑剂对长期性能的影响； - 实现了天文光学系统在高精度调整方面的工程技术突破。
应用价值
- 提供了三十米望远镜激光导星系统的制造依据； - 为其他高精度光学机械装置设计提供了可借鉴的技术路径； - 描述了涂层、润滑剂以及热处理在减少不锈钢咬伤问题中的实用性策略。
研究指出通过进一步补充如锁定机构的改进信息、提升操作舒适性及热稳定性，可为面向更多场景的光学调节器设计奠定基础。