光學計量在大型望遠鏡中的應(yīng)用

朱嘉寧 陳海詠 金磊

上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 上海 201114

為了更好地適應(yīng)大口徑大視場望遠鏡的成像要求，在相機焦平面拼接多個CCD使其能夠覆蓋望遠鏡的全視場成為大口徑大視場望遠鏡光學相機設(shè)計的重。

1 靶面拼接平面度測量要求

對于單個CCD的測量側(cè)重于對CCD性能的檢驗，單塊CCD的平面度要求達到10μm左右，干涉儀具有納米級的分辮率和精度，能夠滿足測量目的。拼接后CCD的測量側(cè)重于對整體靶面平面度的檢驗和裝調(diào)，平面度要求在室溫下達到20μm左右，CCD拼接后產(chǎn)生的拼縫會影響測量結(jié)果，不能選用干涉儀測量[1]。

工作狀態(tài)CCD的測量需要透過窗口，對于儀器要求有一定的測量距離(比如HSC的窗口的厚度37mm，CCD到窗口的距離5mm，平面度要求拼接CCD在冷卻和真空環(huán)境下達到30μm左右。這限制了測量CCD的各種可能技術(shù)平面度，要保證測量方法和測量結(jié)果不能受到窗口和測量距離的影響。因此，靶面拼接平面度測量的需求主要有三種，

首先是單個CCD芯片的平面度檢測，用于檢驗;其次是多個CCD拼接過程中的檢測，用于裝調(diào);最后是拼接CCD冷卻后，透過低溫杜瓦的窗口檢測，測量結(jié)果不能受到窗口的影響。

2 CCD平面度檢測現(xiàn)有技術(shù)

2.1 目測法

歐洲南方天文臺（ESO）采用了一種非常簡單的方法來測量CCD。肉眼觀察千分表在CCD表面測量的顯微鏡物鏡的位移，在x-y坐標系上精確移動CCD，并在被測CCD上的多個位置重復(fù)測量目標之間的高低差、角度以及偏移量。由于顯微鏡鏡頭到CCD距離較近，這種方法無法測量前面設(shè)置有窗口的CCD。這就給CCD帶來了環(huán)境粉塵污染和測量過程中意外損壞的風險。同時這種方法還需要有經(jīng)驗的人執(zhí)行測量，以實現(xiàn)可重復(fù)的結(jié)果，所有的定位、對焦、記錄等步驟都必須手工完成，測量過程非常耗時。

2.2 激光與相機探測系統(tǒng)

加州大學和利克天文臺采用了更自動化和先進的測量系統(tǒng)。他們將激光束投射到CCD的表面，并檢測由于CCD傾斜而產(chǎn)生的光束偏轉(zhuǎn)。該系統(tǒng)由一個激光器、一個放置CCD的X-Y平移臺、兩個反射鏡和一個用于探測反射激光束位置的照相機組成。激光束由第一面鏡子定向到被測表面上，然后從CCD表面反射到第二個鏡子引導(dǎo)光束到相機探測系統(tǒng)。如果移動被測CCD，其表面的局部坡度發(fā)生變化，相機就會記錄下光點的移動。通過掃描整個表面和記錄光電運動，可以重建CCD的表面特征。用這種方法測量物體表面特征的初始條件是物體的表面必須是連續(xù)的，所以不能用來測量拼接CCD之間的高度差。而且還要求CCD的反射光束不能模糊，如果相機上的光點變得模糊，就很難準確的定位。

2.3 基于哈特曼掩模的測量方法

格林威治天文臺（RGO）開發(fā)了一個基于哈特曼掩模的程序。在該系統(tǒng)中，光透過一個透鏡和位于光軸上帶有兩個孔的掩模，將兩個收斂光束錐投射到一個有源CCD上。如果探測器恰好位于投影系統(tǒng)的焦平面上，那么CCD圖像中只有一個點;如果探測器在焦平面外，輸出的圖像中就有兩個點，兩個點之間的距離與探測器表面到焦平面的偏差成正比。為了得到CCD的表面特征，需要在一次曝光時掃描整個表面，并檢測圖像中的點位置，從而得到位置上的偏移量。這一過程可以測量探測器表面高度差，測量表面是否連續(xù)不影響結(jié)果。因此，利用該系統(tǒng)可以對CCD的拼接平整度進行測量。缺點是CCD必須是處于接通電源以及冷卻狀態(tài)的，并且冷卻需要很長時間，這大大延長了校正周期所需的時間，包括測量地形、校正傾斜度以及再次測量。

2.4 干涉儀測量法

干涉法是最常用的光學表面形貌測量方法。干涉測量是一種基于光波疊加原理，分析處理干涉場中亮暗變化、條紋形狀變化或其他條紋數(shù)的變化，從中獲取被測量的有關(guān)信息。通過在干涉儀的一支光路中引入被測量，干涉儀的光程差就會發(fā)生變化，干涉條紋也會隨之變化，這時可測量出干涉條紋的變化量，就可以獲得與介質(zhì)折射率和幾何路程有關(guān)的一系列物理量和幾何量。

為了重建CCD的形狀，需要分析了非常窄的帶通光條紋圖，CCD之間的拼接間隙會打斷干涉條紋圖樣，這種方法無法計算拼接CCD之間的高度差，因此干涉測量法在大口徑大視場望遠鏡拼接靶面平面度測量中應(yīng)用度較低。

2.5 掃描白光干涉儀

白光干涉儀是將白光分解、傳輸和疊加后，對形成的干涉條紋進行分析處理的儀器，其基本原理就是通過不同的光學元件，把白光分解成參考光路和檢測光路，然后在每束光中引入一定的光程差，最后將這些經(jīng)過不同光路的光疊加起來，從而形成明暗相間的干涉條紋。白光干涉條紋的特點是中央零件條紋精確定位，據(jù)此可以為測量提供一個絕對坐標，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精確測量。當參考光路中的反射鏡以連續(xù)的速度移動時，用光電二極管或者相機檢測組合光束的強度，當路徑長度的差值大于相干長度時，則沒有發(fā)生構(gòu)造干涉。由于反射鏡的連續(xù)運動，在光電二極管的位置上不斷形成和破壞干涉區(qū)，記錄光強的波動，同時測量反射鏡的位置。通過分析相長干涉的頻率和特性，可以更準確地測量出這段距離[2]。

3 結(jié)語

目前國際上大口徑大視場望遠鏡拼接靶面的平面度測量方法普遍采用三角激光測量法或者彩色激光同軸位移測量法，測量精度一般可以達到0.1～1μm，能夠滿足拼接CCD的測量精度，并且可以滿足隔著杜瓦窗口測量工作狀態(tài)CCD的目的。隨著我國科技水平的快速發(fā)展進步，大型望遠鏡技術(shù)也將得到更快的應(yīng)用，并發(fā)揮越來越重要的作用。