介紹一種基于光學(xué)等厚干涉原理的拼接鏡面邊緣傳感器新方案

建造更大口徑的天文光學(xué)望遠(yuǎn)鏡一直是天文光學(xué)技術(shù)的重點(diǎn)研究方向。但是，隨著鏡面尺寸的增大，也會(huì)帶來(lái)制造、加工、裝調(diào)等技術(shù)方面的難題。主動(dòng)光學(xué)拼接鏡面技術(shù)是突破傳統(tǒng)單鏡面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡口徑限制的一個(gè)有效方法：將大鏡面采用大量小鏡面拼接而成，不僅能解決制造上的技術(shù)難題，還可以節(jié)約成本。由中國(guó)科學(xué)院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所作為主要研制單位承擔(dān)的國(guó)家九五重大科學(xué)工程郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST），是我國(guó)目前口徑最大的地基大視場(chǎng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，擁有“光譜之王”和“世界光譜工廠”等眾多美譽(yù)，在世界上引領(lǐng)了大規(guī)模光譜巡天的國(guó)際潮流。LAMOST創(chuàng)新性地開(kāi)辟和發(fā)展了具有中國(guó)獨(dú)立知識(shí)自主產(chǎn)權(quán)的新型主動(dòng)光學(xué)技術(shù)，在國(guó)際上首先發(fā)明和實(shí)現(xiàn)在同一鏡面上同時(shí)應(yīng)用薄鏡面主動(dòng)光學(xué)和拼接鏡面主動(dòng)光學(xué)，實(shí)現(xiàn)了常規(guī)不能實(shí)現(xiàn)的光學(xué)系統(tǒng)，打破了大視場(chǎng)兼?zhèn)浯罂趶焦庾V巡天望遠(yuǎn)鏡的國(guó)際天文瓶頸，攻克了世界級(jí)技術(shù)挑戰(zhàn)，是我國(guó)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡研制歷程和光學(xué)工程發(fā)展史上的重大里程碑之一，奠定了我國(guó)未來(lái)天文望遠(yuǎn)鏡研制的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

對(duì)于大口徑拼接鏡面天文望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō)，只有實(shí)現(xiàn)子鏡拼接共相，才能真正發(fā)揮其高分辨性能和效率的最大威力，達(dá)到衍射極限性能。共相的精度取決于邊緣傳感器的測(cè)量精度。

邊緣傳感器位于相鄰拼接子鏡邊緣，可精確測(cè)量子鏡間的相對(duì)剛體自由度的位姿狀態(tài)誤差。目前，世界上的大型拼接鏡面望遠(yuǎn)鏡幾乎都采用基于電學(xué)原理的邊緣傳感器，這類電學(xué)傳感器安裝于子鏡背面，一般只能進(jìn)行相對(duì)測(cè)量，需要輔助設(shè)備對(duì)其進(jìn)行一定周期頻率的精確標(biāo)定；而且存在的溫漂/時(shí)漂，不僅極難改善，在實(shí)際應(yīng)用中也很難徹底消除。

南京天光所科研團(tuán)隊(duì)提出了基于光學(xué)等厚干涉原理的拼接鏡面邊緣傳感器新方案，基于等厚干涉原理，通過(guò)探測(cè)器上得到的等厚干涉條紋，即可得知相鄰子鏡的姿態(tài)，具有精度高、原理簡(jiǎn)單、易于裝調(diào)、工作穩(wěn)定、無(wú)溫漂時(shí)漂、適用于野外惡劣環(huán)境下使用等突出優(yōu)點(diǎn)，具體原理示意圖如下。

基于等厚干涉原理的拼接鏡面邊緣誤差檢測(cè)結(jié)構(gòu)示意圖

兩子鏡存在相對(duì)誤差時(shí)的光強(qiáng)分布條紋。（a） x軸傾斜誤差；（b） y軸傾斜誤差；（c）平移誤差

研究人員通過(guò)仿真模擬驗(yàn)證了該方案的可行性，并且優(yōu)化了同心圓識(shí)別算法，可以實(shí)現(xiàn)高精度的同心圓提取，保證對(duì)誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。仿真結(jié)果顯示：理論測(cè)量精度可以達(dá)到傾斜誤差0.02“、平移誤差20nm，可以滿足大口徑拼接鏡面望遠(yuǎn)鏡的共相檢測(cè)需求。

本方案的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)包括：1）簡(jiǎn)化了拼接共相過(guò)程，可實(shí)時(shí)得到相鄰子鏡位姿之間的絕對(duì)誤差，無(wú)需單獨(dú)進(jìn)行額外的定標(biāo)；2）利用相鄰子鏡的條紋差異信息來(lái)反演相鄰子鏡的絕對(duì)位姿誤差，可避免傳感器安裝支架和系統(tǒng)的重力變形、熱變形及安裝誤差帶來(lái)的影響；3）系統(tǒng)設(shè)計(jì)不基于電學(xué)原理，不易受溫漂和時(shí)漂的影響，也避免了電噪聲的干擾；4）原理簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，方便在鏡面上進(jìn)行大規(guī)模部署。

目前，科研團(tuán)隊(duì)針對(duì)圖像處理方法進(jìn)行了深入研究，后續(xù)將在郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）上進(jìn)行實(shí)地測(cè)試和應(yīng)用。該方法有望攻克拼接共相中的高精度位姿檢測(cè)等關(guān)鍵科學(xué)難題，打破國(guó)外壟斷，在眾多高精尖測(cè)量領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

該項(xiàng)研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金天文聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目（U2031207）、國(guó)家自然科學(xué)基金 （U1931126、12073053）、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)（2013041）等項(xiàng)目資助。

論文地址：http://www.opticsjournal.net/Articles/Abstract/gxxb/41/12/1212002.cshtml

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