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干涉系統在拼接主鏡共相位檢測上的應用
發布時間：2017-09-01
引 言
當今世界許多新型的地基或空間望遠鏡主鏡，幾乎都在計劃或正在采用主鏡鏡面拼接技術來實現大口徑望遠鏡主鏡的構建，用以提升其光學性能。譬如美國KECK I 望遠鏡，KECK II 望遠鏡，HET 望遠鏡，加州CELT 望遠鏡，NASA 大型可折疊式反射鏡，南非的SALT 望遠鏡，墨西哥的TIM 望遠鏡，歐洲南方天文臺(ESO)100 m 級的超級大OWL 望遠鏡，還有計劃中的美國未來大型空間望遠鏡(JWST)等[1]。簡單來說，主鏡鏡面拼接技術即通過多個小口徑的單塊子鏡共同通過某種拼接手段，拼接成為一塊面形連續的大口徑主鏡鏡面，進而實現大口徑的鏡面面形。通過應用大口徑望遠鏡進行天文成像觀測，不僅可以使望遠鏡的集光能力顯著增強，而且望遠鏡的分辨率也因此顯著增強。大口徑拼接鏡面是今后大型光學望遠鏡主鏡的發展方向。
然而，伴隨著望遠鏡主鏡采用組合拼接的這種方式出現的同時，也有一些需要迫切解決的問題，而在這些問題當中最突出的問題就是如何保證拼接主鏡鏡面的面形連續性，即如何實現拼接子鏡間的共相位問題。子鏡間的良好共相將使得大口徑望遠鏡的集光能力大幅度提高，并使其達到或接近拼接主鏡全口徑直徑上的成像分辯率，即達到或接近衍射極限的成像效果;相反，未實現良好共相位的拼接主鏡望遠鏡，其光學成像分辯率及主鏡集光能力將大幅度降低。對于未實現良好共相位的拼接主鏡望遠鏡，需要進行校正的子鏡間的相互位置誤差有子鏡相互之間的兩個傾斜誤差(以下稱作tip 和tilt 誤差)和子鏡間垂直方向的位移誤差(以下稱其為piston 誤差)。拼接主鏡子鏡間的兩個傾斜誤差通過hartmann 波前傳感器很容易得到解決，然而hartmann 波前傳感器卻不能用來檢測子鏡間存在的piston 誤差，所以，為了使得拼接主鏡達到或接近同等口徑的衍射極限成像質量，子鏡之間piston 誤差需要進行精確檢測，并校正到入射光波長的幾分之一的大小[2-3]。如果一個系統能夠對拼接主鏡間的piston 誤差進行納米級的精度檢測，并且若能夠在白天的情況之下同樣進行檢測工作，進而為望遠鏡的晚間天文觀測延長時間，這將是在實現pinton誤差檢測方面的一大實質性的進步。
最近，國際天文界對在白天的情況下對拼接主鏡相位檢測系統的發展產生了越來越濃厚的興趣。例如針對keck 望遠鏡而言，其相位檢測系統有其自身的缺點，因為其相位檢測系統是基于星光為目標調整技術，也就是說，其只能在黑夜的情況之下對子鏡間相位誤差進行檢測，這樣就浪費了許多天文觀測的有效時間，對觀測效率造成了極大的影響，所以國際天文界對能夠在白天進行主鏡拼接鏡面進行相位檢測這方面的技術格外重視[4]。這里將介紹一種拼接主鏡共相位檢測系統，其在白天的情況之下，通過高精度干涉檢測技術，對望遠鏡拼接子鏡間相位誤差進行納米級精度檢測。
1 系統結構設計
1.1 總體結構
該干涉檢測系統是在基于邁克遜干涉理論基礎上設計出來的。該檢測系統主要針對大口徑拼接主鏡，在白天的情況之下，通過干涉檢測技術，對望遠鏡拼接子鏡間位置誤差進行納米級精度檢測[5-7]。該檢測系統的檢測原理結構如圖2 所示。
圖2 中分光棱鏡(BSC)將準直光束分成兩束，即測量光束和參考光束。為了對拼接主鏡間的piston 誤差進行測量，該干涉檢測系統的測量光束(MB)垂直發射到兩塊拼接子鏡的分界面(intersegment region)，參考光束完全垂直照射到其中一塊子鏡上，并且該光束在子鏡上要盡可能靠近子鏡間接連區域邊緣。兩束光束被反射，再次經分光棱鏡，沿著干涉儀的觀測臂產生干涉，由作為探測系統的CCD 陣列所記錄，該檢測系統三維結構圖如圖3 所示。
積照射到兩塊子鏡的分界面處，把兩塊需要進行piston 誤差測量的拼接子鏡當中的一塊子鏡作為系統的參考反射鏡，這樣就使得該檢測儀器在很大程度上較少了震動敏感性[8]，同時，也提供了與測量光束之間的波前匹配，這就意味著：即使主鏡面形是雙曲面，所形成的干涉圖形也幾乎不受影響。出于機械上的原因，該干涉儀的照明臂和觀測臂所在的平面應平行于拼接主鏡面，并通過一對傾斜45°的反射鏡(M2 、M3) 把測量光束和參考光束照射到被檢子鏡。該光學干涉系統設計的一大特點是單色光源與白光源組合應用，這就要求同時保證該干涉儀的測量臂和和參考臂是完全幾何對稱的，出于補償板具有高色差性的考慮，所以該系統在這里沒有應用補償板。
1.2 系統光源
該干涉檢測系統在進行拼接主鏡子鏡間piston誤差檢測時，其主要依據就是根據該干涉系統所成干涉條紋不匹配性來進行piston 誤差的提取。由于激光具有高度時間與空間相干性，并且具有高度集中的能量密度，以使得干涉條紋具有足夠的對比度，所以，該檢測系統采用氦氖激光器作為單色光源[9]，但是所產生的干涉圖間的橫向條紋偏移具有λ/2 的模糊性，所以，為了解決這個問題，就考慮同時采用白色光源作為照明系統的一部分。
該檢測系統的照明系統是一套獨立的照明系統，包括氦氖激光器，鹵素燈、衰減片，光纖、準直系統，該準直系統由消色差雙膠合透鏡構成，光源放置在此透鏡的焦平面上，并經由光纖輸出，單色光源(HE-NE激光，中心波長是632.8 nm，帶寬是10 nm)與白色光源通過插入衰減片進行光強衰減，借以保證彼此光強的匹配性。
2 干涉系統仿真
圖4 給出了不同照明光源、不同位置誤差時的干涉圖形。通過理論模型仿真，該干涉系統將在CCD成像系統探測區域內呈現一組干涉圖樣，其由三個區域組成。上層區域，即子鏡2#(segment 2#)上參考波前的反射光與子鏡1#(segment 1#)上測量波前的反射光相干涉所形成的條紋;中間區域，無干涉條紋;下層區域，即子鏡2#(segment 2#)上參考波前的反射光與同一子鏡上測量波前的反射光相干涉所形成的條紋。用單色光進行照明，若子鏡間存在tip/tilt 角位移誤差，則會對干涉圖上層干涉條紋產生影響，具體來說，鏡間相對tilt 角位移誤差將使上層干涉條紋周期產生變化，子鏡間相對tip 角誤差將使上層干涉條紋的方向偏離其垂直方向。
單色光照明時，若子鏡間piston 誤差大于一個波長λ 時，單獨使用單色光將不能解決檢測精度的λ/2模糊性問題，所以，該系統同時用白光源來進行檢測，使得這一難題得以順利解決。當存在傾斜誤差的時候來進行piston 誤差的提取是不準確的，所以，只有當兩塊相鄰子鏡間的相對傾斜誤差完全被移除了之后，子鏡間的piston 誤差才能夠根據干涉圖中條紋的不匹配性來進行精確提取。
經過仿真，該檢測系統的piston 誤差在檢測范圍為30～40 μm 時，其檢測不確定度可達到5～6 nm，遠遠滿足拼接主鏡實現衍射極限分辯率所需要的誤差范圍，圖5 給出了該干涉檢測系統的理論仿真結果。
為在干涉圖形當中獲得足夠的干涉條紋，在測量光束和參考光束當中需引進某種程度上的傾斜量，解決的辦法是在M3 反射鏡上安裝一個旋轉軸R1，同時也通過該傾斜量來設置干涉條紋的周期性，以便調節子鏡間理想的piston 誤差檢測范圍，該測量范圍受限于CCD 探測器陣列上干涉條紋采樣周期。
3 結 論
通過仿真結果表明：該系統能夠測量子鏡間piston 誤差范圍為30～40 μm，并且該系統可以在白天的情況下對拼接子鏡進行相位調整，這樣就大大的節省了天文觀測的時間。此外，該系統把干涉儀安裝在可以移動的移動臂上，這樣即可以方便測量每個子鏡間的相對位置誤差，同時當望遠鏡指向天區進行觀測的時候，避免望遠鏡主鏡鏡面承受不必要的重量壓力，以免造成主鏡鏡面的面形誤差。該檢測設備做為一套望遠鏡拼接主鏡鏡面相位誤差檢測系統，在檢測精度及檢測范圍上完全滿足成像質量要求，下一步將針對該系統的檢測重復性及檢測效率等諸多方面繼續進行分析，以求進一步對該檢測系統進行完善，為該檢測系統應用于大口徑拼接鏡面面形連續性檢測奠定堅實的基礎。
摘自：中國計量測控網
