中科院研究新型基于光學(xué)等厚干涉的拼接鏡面邊緣傳感器方案

建造更大口徑的天文光學(xué)望遠鏡一直是天文光學(xué)技術(shù)的重點研究方向。但是，隨著鏡面尺寸的增大，也會帶來制造、加工、裝調(diào)等技術(shù)方面的難題。主動光學(xué)拼接鏡面技術(shù)是突破傳統(tǒng)單鏡面光學(xué)望遠鏡口徑限制的一個有效方法：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)的國家九五重大科學(xué)工程郭守敬望遠鏡(LAMOST)，是我國目前口徑最大的地基大視場光學(xué)望遠鏡，擁有“光譜之王”和“世界光譜工廠”等眾多美譽，在世界上引領(lǐng)了大規(guī)模光譜巡天的國際潮流。LAMOST創(chuàng)新性地開辟和發(fā)展了具有中國獨立知識自主產(chǎn)權(quán)的新型主動光學(xué)技術(shù)，在國際上首先發(fā)明和實現(xiàn)在同一鏡面上同時應(yīng)用薄鏡面主動光學(xué)和拼接鏡面主動光學(xué)，實現(xiàn)了常規(guī)不能實現(xiàn)的光學(xué)系統(tǒng)，打破了大視場兼?zhèn)浯罂趶焦庾V巡天望遠鏡的國際天文瓶頸，攻克了世界級技術(shù)挑戰(zhàn)，是我國光學(xué)望遠鏡研制歷程和光學(xué)工程發(fā)展史上的重大里程碑之一，奠定了我國未來天文望遠鏡研制的堅實基礎(chǔ)。

對于大口徑拼接鏡面天文望遠鏡來說，只有實現(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，達到衍射極限性能。共相的精度取決于邊緣傳感器的測量精度。

邊緣傳感器位于相鄰拼接子鏡邊緣，可精確測量子鏡間的相對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，一般只能進行相對測量，需要輔助設(shè)備對其進行一定周期頻率的精確標(biāo)定;而且存在的溫漂/時漂，不僅極難改善，在實際應(yīng)用中也很難徹底消除。

南京天光所科研團隊提出了基于光學(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，通過探測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、原理簡單、易于裝調(diào)、工作穩(wěn)定、無溫漂時漂、適用于野外惡劣環(huán)境下使用等突出優(yōu)點，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結(jié)構(gòu)示意圖

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

研究人員通過仿真模擬驗證了該方案的可行性，并且優(yōu)化了同心圓識別算法，可以實現(xiàn)高精度的同心圓提取，保證對誤差進行實時監(jiān)測。仿真結(jié)果顯示：理論測量精度可以達到傾斜誤差0.02"、平移誤差20nm，可以滿足大口徑拼接鏡面望遠鏡的共相檢測需求。

本方案的關(guān)鍵優(yōu)勢包括：1)簡化了拼接共相過程，可實時得到相鄰子鏡位姿之間的絕對誤差，無需單獨進行額外的定標(biāo);2)利用相鄰子鏡的條紋差異信息來反演相鄰子鏡的絕對位姿誤差,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的影響;3)系統(tǒng)設(shè)計不基于電學(xué)原理，不易受溫漂和時漂的影響，也避免了電噪聲的干擾;4)原理簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，方便在鏡面上進行大規(guī)模部署。

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