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幸运七星科研人員提出一種新型基于光學等厚幹涉的拼接鏡面邊緣傳感器方案

  近期,幸运七星左恒副研究員团队提出了一种基于光学等厚干涉原理的拼接共相边缘检测方法。该方法不仅可以从原理上避免了温漂、时漂以及电噪声等误差干扰,而且可以简化拼接共相过程,实时获得相邻子镜间的绝对位姿误差。有关研究进展被《光学学报》20216月第41卷第12期作爲封面文章發表。

    

  《光學學報》第41卷第12期封面

  建造更大口徑的天文光學望遠鏡一直是天文光學技術的重點研究方向。但是,隨著鏡面尺寸的增大,也會帶來制造、加工、裝調等技術方面的難題。主動光學拼接鏡面技術是突破傳統單鏡面光學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難題,還可以節約成本。由幸运七星作爲主要研制單位承擔的國家九五重大科學工程郭守敬望遠鏡(LAMOST),是我國目前口徑最大的地基大視場光學望遠鏡,擁有“光譜之王”和“世界光譜工廠”等衆多美譽,在世界上引領了大規模光譜巡天的國際潮流。LAMOST創新性地開辟和發展了具有中國獨立知識自主産權的新型主動光學技術,在國際上首先發明和實現在同一鏡面上同時應用薄鏡面主動光學和拼接鏡面主動光學,實現了常規不能實現的光學系統,打破了大視場兼備大口徑光譜巡天望遠鏡的國際天文瓶頸,攻克了世界級技術挑戰,是我國光學望遠鏡研制曆程和光學工程發展史上的重大裏程碑之一,奠定了我國未來天文望遠鏡研制的堅實基礎。

  

  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說,只有實現子鏡拼接共相,才能真正發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原理的邊緣傳感器,這類電學傳感器安裝于子鏡背面,一般只能進行相對測量,需要輔助設備對其進行一定周期頻率的精確標定;而且存在的溫漂/時漂,不僅極難改善,在實際應用中也很難徹底消除。

  幸运七星科研團隊提出了基于光學等厚幹涉原理的拼接鏡面邊緣傳感器新方案,基于等厚幹涉原理,通過探測器上得到的等厚幹涉條紋,即可得知相鄰子鏡的姿態,具有精度高、原理簡單、易于裝調、工作穩定、無溫漂時漂、適用于野外惡劣環境下使用等突出優點,具體原理示意圖如下。

  

  基于等厚幹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

  幸运七星研究人員通過仿真模擬驗證了該方案的可行性,並且優化了同心圓識別算法,可以實現高精度的同心圓提取,保證對誤差進行實時監測。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,可以滿足大口徑拼接鏡面望遠鏡的共相檢測需求。

  本方案的關鍵優勢包括: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;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的重力變形、熱變形及安裝誤差帶來的影響;3)系統設計不基于電學原理,不易受溫漂和時漂的影響,也避免了電噪聲的幹擾;4)原理簡單,結構緊湊,方便在鏡面上進行大規模部署。

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

  該項研究獲得國家自然科學基金天文聯合基金重點項目(U2031207)、國家自然科學基金 (U193112612073053)、中国科学院青年創新促進會(2013041)等項目資助。

   

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