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中科院研究新型基于光学等厚干涉的拼接镜面边缘传感器方案

更新时间:2021-06-29 10:47:18人气:38

建造更大口径的天文光学望远镜一直是天文光学技术的重点研究方向。但是,随着镜面尺寸的增大,也会带来制造、加工、装调等技术方面的难题。主动光学拼接镜面技术是突破传统单镜面光学望远镜口径限制的一个有效方法:将大镜面采用大量小镜面拼接而成,不仅能解决制造上的技术难题,还可以节约成本。由中国科学院南京天文光学技术研究所作为主要研制单位承担的国家九五重大科学工程郭守敬望远镜(LAMOST),是我国目前口径最大的地基大视场光学望远镜,拥有“光谱之王”和“世界光谱工厂”等众多美誉,在世界上引领了大规模光谱巡天的国际潮流。LAMOST创新性地开辟和发展了具有中国独立知识自主产权的新型主动光学技术,在国际上首先发明和实现在同一镜面上同时应用薄镜面主动光学和拼接镜面主动光学,实现了常规不能实现的光学系统,打破了大视场兼备大口径光谱巡天望远镜的国际天文瓶颈,攻克了世界级技术挑战,是我国光学望远镜研制历程和光学工程发展史上的重大里程碑之一,奠定了我国未来天文望远镜研制的坚实基础。

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郭守敬望远镜(国家重大科技基础设施LAMOST)

对于大口径拼接镜面天文望远镜来说,只有实现子镜拼接共相,才能真正发挥其高分辨性能和效率的最大威力,达到衍射极限性能。共相的精度取决于边缘传感器的测量精度。

边缘传感器位于相邻拼接子镜边缘,可精确测量子镜间的相对刚体自由度的位姿状态误差。目前,世界上的大型拼接镜面望远镜几乎都采用基于电学原理的边缘传感器,这类电学传感器安装于子镜背面,一般只能进行相对测量,需要辅助设备对其进行一定周期频率的精确标定;而且存在的温漂/时漂,不仅极难改善,在实际应用中也很难彻底消除。

南京天光所科研团队提出了基于光学等厚干涉原理的拼接镜面边缘传感器新方案,基于等厚干涉原理,通过探测器上得到的等厚干涉条纹,即可得知相邻子镜的姿态,具有精度高、原理简单、易于装调、工作稳定、无温漂时漂、适用于野外恶劣环境下使用等突出优点,具体原理示意图如下。

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基于等厚干涉原理的拼接镜面边缘误差检测结构示意图

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两子镜存在相对误差时的光强分布条纹。(a) x轴倾斜误差;(b) y轴倾斜误差;(c)平移误差

研究人员通过仿真模拟验证了该方案的可行性,并且优化了同心圆识别算法,可以实现高精度的同心圆提取,保证对误差进行实时监测。仿真结果显示:理论测量精度可以达到倾斜误差0.02"、平移误差20nm,可以满足大口径拼接镜面望远镜的共相检测需求。

本方案的关键优势包括:1)简化了拼接共相过程,可实时得到相邻子镜位姿之间的绝对误差,无需单独进行额外的定标;2)利用相邻子镜的条纹差异信息来反演相邻子镜的绝对位姿误差,可避免传感器安装支架和系统的重力变形、热变形及安装误差带来的影响;3)系统设计不基于电学原理,不易受温漂和时漂的影响,也避免了电噪声的干扰;4)原理简单,结构紧凑,方便在镜面上进行大规模部署。

目前,科研团队针对图像处理方法进行了深入研究,后续将在郭守敬望远镜(LAMOST)上进行实地测试和应用。该方法有望攻克拼接共相中的高精度位姿检测等关键科学难题,打破国外垄断,在众多高精尖测量领域有着广阔的应用前景。

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