独辟蹊径，大口径望远镜子镜拼接检测技术实现新突破！

封面解读：

边缘传感器是实现主动光学拼接镜面共相的关键技术之一，只有实现子镜的严格共相拼接，才能真正发挥大口径望远镜的极限分辨优势。中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所左恒副研究员团队提出的基于光学等厚干涉原理的边缘传感器方案，可实时获得子镜拼接的绝对误差，从原理上避免了温漂、时漂、电噪声等误差。该方法在主动光学共相及微位移检测等相关领域有着广泛的应用前景。

封面文章| 《光学学报》2021年第12期封面故事：左恒; 张茜; 张勇; 基于等厚干涉的拼接镜面边缘传感器方法研究[J].光学学报, 2021, 41 (12):1212002.

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1、研究背景

主动光学拼接镜面技术是突破传统单镜面光学望远镜口径限制的一个有效方法：将大镜面采用大量小镜面拼接而成，不仅能解决制造上的技术难题，还可以节约成本。

当今世界上已建成了一批大型拼接镜面望远镜。由中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所作为主要研制单位承担的国家九五重大科学工程郭守敬望远镜（LAMOST），是我国目前口径最大的地基大视场光学望远镜（如图1所示），拥有“光谱之王”和“世界光谱工厂”等众多美誉，引领了世界大规模光谱巡天的国际潮流。

基于凸面光栅的成像光谱仪分光成像系统具有高像质、无畸变、小体积等优势，适用于高光谱遥感，但中波红外谱段的核心元件凸面闪耀衍射光栅槽密度低、闪耀角小，研制难度大，欧美等国长期对我国技术封锁。

图1 郭守敬望远镜（LAMOST，位于国家天文台兴隆观测站）

LAMOST创新性地开辟和发展了中国自己的新型主动光学技术，在国际上首先发明和实现在同一镜面上同时应用薄镜面主动光学和拼接镜面主动光学（如图2所示），实现了常规不能实现的光学系统，打破了大视场兼备大口径光谱巡天望远镜的国际天文瓶颈，攻克了世界级技术挑战，是我国光学望远镜研制历程和光学工程发展史上的重大里程碑之一，极大地奠定了我国未来天文望远镜研制的坚实基础。

图 2 郭守敬望远镜（LAMOST)拼接镜面（球面拼接主镜、反射施密特拼接改正镜）

对于大口径拼接镜面天文望远镜来说，只有实现子镜共相，才能真正发挥其最大的高分辨性能和效率的威力，达到衍射极限性能。而共相的精度则取决于相关波前和边缘传感器的测量精度。边缘传感器位于相邻拼接子镜边缘，可精确测量子镜间的相对刚体自由度的位姿状态误差。目前世界上几乎所有拼接镜面望远镜采用的边缘传感器主要基于电学原理，安装于子镜背面，一般只能进行相对测量，需要辅助设备的一定周期频率的精确标定，温漂/时漂极难以改善和彻底消除。

2、基于光学等厚干涉原理的拼接共相边缘检测方法

中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所左恒副研究员课题组面向世界科技前沿和国家重大需求，探寻了一种原理简单、易于装调、工作稳定、无温漂时漂、适用于野外恶劣天气的边缘传感器方案，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，同时简化了共相过程，可实时的获得相邻子镜间的绝对位姿误差。

该方法的结构如图3所示：在拼接镜面拼缝上放置一块等厚平晶透镜，当一束单色平行光入射到平晶时，经平晶后表面反射的光线与经过镜面反射回的两束光线之间有一个固定的光程差，两束光线会发生等厚干涉，在接收面上会出现明暗相间的牛顿环干涉条纹。

图 3 基于等厚干涉测量拼接镜面边缘误差检测结构

对一块理想的球面反射镜，会得到理想的牛顿环干涉条纹；若球面由两块子镜拼接而成，牛顿环也将被一分为二。当两块子镜没有拼接误差时，那么牛顿环的两部分应该能完全对齐；当两块子镜存在拼接误差时，则条纹无法对齐（图4），相应环带的半径和中心也不相同。通过分别测量两侧对应牛顿环的半径和圆心，就可得到两块相邻反射镜面之间的边缘拼接误差（绝对的位姿误差）。

图 4 两子镜存在相对误差时的光强分布。(a) x轴倾斜误差;(b) y轴倾斜误差;(c)平移误差

在误差检测模拟方面，相关团队从条纹图样的特点入手，分别对平移误差和倾斜误差进行检测模拟。针对平移误差，通过拟合峰值来找到平移方向上牛顿环半径的改变量；针对倾斜误差，基于明暗相间的同心圆环特点，课题组对霍夫变换法进行了优化，使其可以实现高精度的同心圆提取（图5）。

图 5 两子镜存在倾斜误差时霍夫检测结果。(a) 2-1 霍夫检测结果; (b)改进后的霍夫同心圆检测结果

此外，这种方法对传感器安装精度要求很低，允许平晶安装时存在一定量的位置和角度误差，且测量范围较大，可以解决镜面平移误差检测时的半波长整数倍问题。

在典型配置下的仿真结果显示：理论测量精度可以达到倾斜误差0.02"、平移误差20 nm，可以满足大口径拼接镜面望远镜的共相检测需求。本方案的主要优势为以下几点：

1） 传统的共相过程分为共相定标和共相维持两步，本方案简化了拼接共相过程，可实时得到相邻子镜之间的绝对误差，无需单独进行低效的定标来记录子镜的初始位姿；

2） 利用两边子镜的条纹差异信息来反演相邻子镜的绝对位姿误差,可避免传感器安装支架和系统的重力变形、热变形及安装误差带来的影响；

3） 系统设计不基于电学原理，不受温漂和时漂的影响，也避免了电噪声的干扰；

4） 原理简单，结构紧凑，易于装调，方便在镜面上进行大规模部署。

3、总结与展望

作为国家战略科技力量的一部分，中科院南京天光所始终秉承“四个面向”，在主动光学等关键核心卡脖子技术上自力更生持续迈进。目前，课题组针对图像处理方法进行了深入研究，进一步将简化检测步骤，提高测量精度和速度；并基于现有结构，搭建实验系统进行共相测量精度的验证，后续将在郭守敬望远镜上进行实地测试和应用研究。这种方法不同于国外电学检测方案，有望打破国外垄断，降低成本，攻克核心技术；未来不仅可以应用于主动光学的拼接检测，还将应用于光学加工、引力波测量、国防军工空间等大量相关领域中。