近期，中國科學(xué)院國家天文臺南京天文光學(xué)技術(shù)研究所左恒副研究員團隊提出了一種基于光學(xué)等厚干涉原理的拼接共相邊緣檢測方法。該方法不僅可以從原理上避免了溫漂、時(shí)漂以及電噪聲等誤差干擾，而且可以簡(jiǎn)化拼接共相過(guò)程，實(shí)時(shí)獲得相鄰子鏡間的絕對位姿誤差。有關(guān)研究進(jìn)展被《光學(xué)學(xué)報》2021年6月第41卷第12期作為封面文章發(fā)表。

　　《光學(xué)學(xué)報》第41卷第12期封面

　　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(diǎn)研究方向。但是，隨著(zhù)鏡面尺寸的增大，也會(huì )帶來(lái)制造、加工、裝調等技術(shù)方面的難題。主動(dòng)光學(xué)拼接鏡面技術(shù)是突破傳統單鏡面光學(xué)望遠鏡口徑限制的一個(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(chǎng)光學(xué)望遠鏡，擁有“光譜之王”和“世界光譜工廠(chǎng)”等眾多美譽(yù)，在世界上引領(lǐng)了大規模光譜巡天的國際潮流。LAMOST創(chuàng )新性地開(kāi)辟和發(fā)展了具有中國獨立知識自主產(chǎn)權的新型主動(dòng)光學(xué)技術(shù)，在國際上首先發(fā)明和實(shí)現在同一鏡面上同時(shí)應用薄鏡面主動(dòng)光學(xué)和拼接鏡面主動(dòng)光學(xué)，實(shí)現了常規不能實(shí)現的光學(xué)系統，打破了大視場(chǎng)兼備大口徑光譜巡天望遠鏡的國際天文瓶頸，攻克了世界級技術(shù)挑戰，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(lái)天文望遠鏡研制的堅實(shí)基礎。

　　郭守敬望遠鏡（國家重大科技基礎設施LAMOST）

　　對于大口徑拼接鏡面天文望遠鏡來(lái)說(shuō)，只有實(shí)現子鏡拼接共相，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(lèi)電學(xué)傳感器安裝于子鏡背面，一般只能進(jìn)行相對測量，需要輔助設備對其進(jìn)行一定周期頻率的精確標定；而且存在的溫漂/時(shí)漂，不僅極難改善，在實(shí)際應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(guò)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(jiǎn)單、易于裝調、工作穩定、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結構示意圖

　　 兩子鏡存在相對誤差時(shí)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(guò)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(shí)現高精度的同心圓提取，保證對誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)監測。仿真結果顯示：理論測量精度可以達到傾斜誤差0.02"、平移誤差20nm，可以滿(mǎn)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(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誤差，無(wú)需單獨進(jìn)行額外的定標；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位姿誤差,可避免傳感器安裝支架和系統的重力變形、熱變形及安裝誤差帶來(lái)的影響；3）系統設計不基于電學(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，結構緊湊，方便在鏡面上進(jìn)行大規模部署。

　　目前，科研團隊針對圖像處理方法進(jìn)行了深入研究，后續將在郭守敬望遠鏡（LAMOST）上進(jìn)行實(shí)地測試和應用。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(zhù)廣闊的應用前景。

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

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