中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

随着天文光学技术的不断发展，对光学系统聚光能力以及分辨率的要求越来越高，对望远镜口径的需求也越来越大。但由于加工能力、运输能力、制造成本等制约，单镜式望远镜不再能够完美地满足发展要求，大口径拼接式望远镜则让超大口径望远镜的构想成为可能。国际天文重大科学工程中追求望远镜更大口径、更高性能而采用的创新拼接方式，都迫切需要高精度的拼接用测角边缘传感器。
国家重大科技基础设施郭守敬望远镜（LAMOST），是一种特殊的中星仪式反射施密特望远镜，主要结构由反射施密特改正板MA、球面主镜MB和焦面构成，是我国首次将薄镜面主动光学和拼接镜面主动光学共同应用于望远镜镜面。
拼接镜面共焦技术是大口径拼接镜面望远镜研制的关键技术之一。共焦精度的维持对于拼接式望远镜观测有着重要的影响，尤其是LAMOST的巨型球面拼接主镜的共焦测角维持。针对上述需求，本文提出了一种新型光学边缘测角传感器。与传统电学边缘传感器易受环境温度波动和时间漂移影响不同，该传感器核心部件采用光学材料，从本质上抑制了温漂与时漂对测量精度带来的干扰。基于组合后向反射原理，传感器能够实时监测拼接子镜之间的角度变化，从而实现共焦状态的高精度闭环维持。本文在理论分析基础上，开展了系统的光学仿真实验，针对系统中可能存在的光学耦合现象进行了独立建模与分析，设计并优化了定标装置以实现高精度的全局共焦维持测量。仿真与实验结果表明，本文所提出的共焦测角维持方法具有优异的可行性与稳定性，相关角度测量误差精度优于0.1″。
本文主要研究内容和创新点如下：
1.对基于后向反射原理的拼接式共焦测角光学传感器原理进行了数学推导，详细分析了其工作原理，搭建了数学模型和仿真模型，验证了其可行性。
2.成功设计并搭建了基于分立后向反射的拼接式共焦测角光学传感器实验装置，开展了大量实验测试与验证，获得了子镜间高精度的共焦维持角度测量精度；通过进一步引入辅助定标系统，实现高精度的全局共焦维持测量。 
3.针对实际实验系统光路产生的衍射环纹以及光斑过曝等影响因素，提出了一种基于最大灰度值比例的高阈值自适应分割算法，可实现优于亚像素级光斑中心定位，对应仿真分析和实验的共焦维持角度精度优于0.1″，满足共焦维持的测角（tip/tilt）指标要求，进一步验证其可行性，为未来在LAMOST上进行实际测量储备了技术经验。