中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

为了探测更深邃的宇宙，使天文望远镜拥有更强的分辨本领，需要增大光学天文望远镜的镜面口径。然而，单镜面主镜的口径大小存在一定的工程极限，以现阶段的技术水平来说，单镜面的口径很难突破8米级。拼接镜面是解决大口径天文望远镜建设过程中单镜面主镜口径限制问题的最有效方案，它使用多个小口径子镜进行拼接，实现了极大口径镜面的瓶颈突破。

拼接镜面技术不仅能实现大口径的突破，也使得镜面制造加工及支撑装调的难度降低，有效减少了望远镜建设成本。但是，拼接镜面同样会带来其他问题，例如由于环境的风力、重力等因素会造成子镜间存在拼接误差，此类误差会影响望远镜的实际分辨本领。为了使大口径的拼接镜面真正发挥其大口径的优势，需要对拼接子镜进行共相，因此，拼接镜面共相技术是大口径拼接镜面天文望远镜建设的关键技术之一。

在光学天文望远镜的实际观测运行中，拼接镜面的共相过程可以分为两个步骤：共相定标及共相维持。共相定标通常在观测运行前进行，通过光学测量方法对子镜的初始位置进行检测并调整，可以确定子镜的位置零点；共相维持则在观测运行中进行，依靠边缘传感器对子镜的偏离进行实时检测并校正。可以说，观测过程中共相的精度主要取决于边缘传感器的测量精度。现阶段，国内外的大口径拼接镜面望远镜主要采用电学边缘传感器，这类仪器虽然可以达到很高的测量精度，但存在难以消除的温漂、时漂现象，很难应对恶劣的野外环境。

对此，本文提出了一种基于光学等厚干涉原理的拼接镜面边缘传感器设计方案。该光学边缘传感器不仅能够达到大口径拼接镜面天文望远镜的共焦及共相需求，同时在原理上避免了环境温度变化的影响，解决了在电学仪器中显著的温漂、时漂问题，抗干扰性强；此外，它将共相定标与共相维持合二为一，无需在观测运行前进行单独定标，简化了拼接镜面的共相过程。同时，该传感器也可以用于大口径拼接镜面建设过程中针对拼接镜面的初始安装，针对拼接子镜的初步共相装调也可发挥实际作用。

在本文中，我们主要针对基于光学等厚干涉原理的拼接镜面边缘传感器进行研究，开展了以下工作：
1.基于光学干涉原理，分析在拼接镜面中使用等厚干涉进行共相检测的原理和可行性。进行了等厚干涉边缘传感器的初步方案设计，并推导出干涉条纹的半径公式，明确了以干涉条纹形态与拼接子镜间的共焦及共相误差之间的关系，确定了以干涉条纹圆心及半径信息检测来反解共相误差的测量方法，建立了相关理论模型和公式，并分析了影响共相检测的因素。
2.以干涉图像成像质量和干涉条纹清晰度为基准，系统性的设计了等厚干涉拼接镜面边缘传感器的结构。讨论边缘传感器安装误差对共相检测可能造成的影响，并以小型化和最小挡光为约束条件，对传感器的封装系统及在大口径拼接镜面望远镜上的集成方案进行了初步设计。
3.开发了干涉条纹特征检测算法，包括图像预处理算法和特征信息检测算法。在特征信息检测算法中，分别针对共焦（干涉条纹圆心位置）及共相（干涉条纹半径）信息进行提取。最终，采用基于边缘轮廓的方法进行共焦检测，采用基于插值逼近的寻峰算法进行共相检测。
4.针对共焦和共相过程，分别进行了仿真及实验室内测试。在仿真测试中，对干涉条纹特征检测算法的测量精度进行了有效评估，结果表明共焦检测算法的最大误差为0.00223"，共相检测精度能够达到5nm，特征检测算法的检测性能优异；实验室内测试结果表明：共焦检测的精度优于0.02"RMS，且线性度小于1.48%，共相检测精度能够达到20nm。

本文提出的基于等厚干涉的拼接镜面边缘传感器，依据现有仿真及实测结果，表明该传感器在拼接镜面共焦及共相检测中性能表现符合设计预期，能够满足大口径拼接镜面望远镜的共相检测要求。相关技术的研究有望应用于地基大口径拼接镜面望远镜(比如LAMOST)中的共焦及共相，助力高精度边缘传感器技术的研究与发展，并将在未来的大口径、极大口径望远镜建造中发挥重要作用。