南京天光所提出基于光学等厚干涉的拼接镜面边缘传感器新方案

近日，中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所副教授左恒及其团队提出了一种基于光学不透明干涉的通用相位边缘检测方法。该方法在原理上避免了温度漂移、时间漂移和电噪声的误差干扰，简化了拼接过程，实时获得了相邻子镜之间的绝对位姿误差。这项研究作为封面文章发表在《光学学报》上。

大口径天文光学望远镜的研制是天文光学技术的关键研究方向。然而，随着镜面尺寸的增大，会带来制造、加工、装配等技术问题。主动光学拼接镜技术是一种突破传统单镜光学望远镜孔径限制的有效方法:将大镜与大量小镜拼接在一起，既解决了制造上的技术难题，又节约了成本。对于大口径拼接镜天文望远镜，只有实现子镜拼接的共相位，才能充分发挥其高分辨率性能和效率，达到衍射极限性能。共相位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的边缘，能够准确测量子镜间相对刚体自由度的位置和位姿误差。目前，基于电原理的边缘传感器几乎应用于世界上的大型拼接镜望远镜中。这种电传感器安装在子镜的背面，一般只能进行相对测量，需要辅助设备对一定周期的频率进行精确校准;温度/小时漂移的存在在实际应用中很难完全改善和消除。

南京天光研究所研究团队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新方案。根据等厚度干涉原理，通过探测器上得到的等厚度干涉条纹可以得到相邻子镜的姿态。它具有精度高、原理简单、安装调节方便、运行稳定、无温度漂移、适合野外恶劣环境使用等优点。

通过仿真验证了所提方案的可行性，并对同心圆识别算法进行了优化，实现了同心圆的高精度提取和误差的实时监控。仿真结果表明，理论测量精度可达到0.02”倾斜误差和20nm平移误差，满足大口径拼接镜望远镜的要求。

该方案的优点是:简化了联合相位过程，无需单独进行校正即可实时获得相邻子镜位置位姿之间的绝对误差;利用相邻子镜的条纹差信息反演相邻子镜的绝对位姿误差，可以避免重力变形、热变形和传感器安装支架及系统安装误差的影响。系统设计不基于电气原理，不易受温度漂移和时间漂移的影响，避免电气噪声的干扰;原理简单，结构紧凑，便于在镜子上大规模部署。

目前，该研究团队已经对图像处理方法进行了深入的研究，将在郭守静望远镜(LAMOST)上进行测试和应用。该方法有望解决关节相位位姿的高精度检测等关键科学问题，在高精度测量领域具有广阔的应用前景。本课题由国家自然科学基金、国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会资助。

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