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干涉系统在拼接主镜共相位检测上的应用

2014/11/13 21:35:44  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

  宋贺伦1,2 ,鲜 浩1 ,姜文汉1,王胜千1,2

  (1. 中国科学院光电技术研究所 四川 成都 610209;2. 中国科学院研究生院 北京 100039)

  摘要:由拼接镜面实现的大口径望远镜主镜,需要对拼接子镜进行精确校正来实现子镜间的共面,使得望远镜取得接近其衍射极限的光学成像质量,子镜之间的垂向位移误差需要被校正到入射光波长的几分之一(<100 nm)。为实现此目标,在基于大口径迈克逊干涉原理的基础上设计了一套子镜间相位误差检测系统。该检测系统的创新性在于激光光源与白光光源同时应用,以对拼接主镜子镜间位置误差进行检测,检测的不确定度为5~6 nm,检测范围为30~40 μm,最后对该干涉检测系统的光学系统的设计进行分析,仿真出基于该检测系统的理论干涉图形,并得出较好的测试结果。

  0 引 言

  当今世界许多新型的地基或空间望远镜主镜,几乎都在计划或正在采用主镜镜面拼接技术来实现大口径望远镜主镜的构建,用以提升其光学性能。譬如美国KECK I 望远镜,KECK II 望远镜,HET 望远镜,加州CELT 望远镜,NASA 大型可折叠式反射镜,南非的SALT 望远镜,墨西哥的TIM 望远镜,欧洲南方天文台(ESO)100 m 级的超级大OWL 望远镜,还有计划中的美国未来大型空间望远镜(JWST)等[1]。简单来说,主镜镜面拼接技术即通过多个小口径的单块子镜共同通过某种拼接手段,拼接成为一块面形连续的大口径主镜镜面,进而实现大口径的镜面面形。通过应用大口径望远镜进行天文成像观测,不仅可以使望远镜的集光能力显著增强,而且望远镜的分辨率也因此显著增强。大口径拼接镜面是今后大型光学望远镜主镜的发展方向。

  然而,伴随着望远镜主镜采用组合拼接的这种方式出现的同时,也有一些需要迫切解决的问题,而在这些问题当中最突出的问题就是如何保证拼接主镜镜面的面形连续性,即如何实现拼接子镜间的共相位问题。子镜间的良好共相将使得大口径望远镜的集光能力大幅度提高,并使其达到或接近拼接主镜全口径直径上的成像分辩率,即达到或接近衍射极限的成像效果;相反,未实现良好共相位的拼接主镜望远镜,其光学成像分辩率及主镜集光能力将大幅度降低。对于未实现良好共相位的拼接主镜望远镜,需要进行校正的子镜间的相互位置误差有子镜相互之间的两个倾斜误差(以下称作tip 和tilt 误差)和子镜间垂直方向的位移误差(以下称其为piston 误差)。拼接主镜子镜间的两个倾斜误差通过hartmann 波前传感器很容易得到解决,然而hartmann 波前传感器却不能用来检测子镜间存在的piston 误差,所以,为了使得拼接主镜达到或接近同等口径的衍射极限成像质量,子镜之间piston 误差需要进行精确检测,并校正到入射光波长的几分之一的大小[2-3]。如果一个系统能够对拼接主镜间的piston 误差进行纳米级的精度检测,并且若能够在白天的情况之下同样进行检测工作,进而为望远镜的晚间天文观测延长时间,这将是在实现pinton误差检测方面的一大实质性的进步。

  最近,国际天文界对在白天的情况下对拼接主镜相位检测系统的发展产生了越来越浓厚的兴趣。例如针对keck 望远镜而言,其相位检测系统有其自身的缺点,因为其相位检测系统是基于星光为目标调整技术,也就是说,其只能在黑夜的情况之下对子镜间相位误差进行检测,这样就浪费了许多天文观测的有效时间,对观测效率造成了极大的影响,所以国际天文界对能够在白天进行主镜拼接镜面进行相位检测这方面的技术格外重视[4]。这里将介绍一种拼接主镜共相位检测系统,其在白天的情况之下,通过高精度干涉检测技术,对望远镜拼接子镜间相位误差进行纳米级精度检测。

  1 系统结构设计

  1.1 总体结构

  该干涉检测系统是在基于迈克逊干涉理论基础上设计出来的。该检测系统主要针对大口径拼接主镜,在白天的情况之下,通过干涉检测技术,对望远镜拼接子镜间位置误差进行纳米级精度检测[5-7]。该检测系统的检测原理结构如图2 所示。

  图2 中分光棱镜(BSC)将准直光束分成两束,即测量光束和参考光束。为了对拼接主镜间的piston 误差进行测量,该干涉检测系统的测量光束(MB)垂直发射到两块拼接子镜的分界面(intersegment region),参考光束完全垂直照射到其中一块子镜上,并且该光束在子镜上要尽可能靠近子镜间接连区域边缘。两束光束被反射,再次经分光棱镜,沿着干涉仪的观测臂产生干涉,由作为探测系统的CCD 阵列所记录,该检测系统三维结构图如图3 所示。

  积照射到两块子镜的分界面处,把两块需要进行piston 误差测量的拼接子镜当中的一块子镜作为系统的参考反射镜,这样就使得该检测仪器在很大程度上较少了震动敏感性[8],同时,也提供了与测量光束之间的波前匹配,这就意味着:即使主镜面形是双曲面,所形成的干涉图形也几乎不受影响。出于机械上的原因,该干涉仪的照明臂和观测臂所在的平面应平行于拼接主镜面,并通过一对倾斜45°的反射镜(M2 、M3) 把测量光束和参考光束照射到被检子镜。该光学干涉系统设计的一大特点是单色光源与白光源组合应用,这就要求同时保证该干涉仪的测量臂和和参考臂是完全几何对称的,出于补偿板具有高色差性的考虑,所以该系统在这里没有应用补偿板。

  1.2 系统光源

  该干涉检测系统在进行拼接主镜子镜间piston误差检测时,其主要依据就是根据该干涉系统所成干涉条纹不匹配性来进行piston 误差的提取。由于激光具有高度时间与空间相干性,并且具有高度集中的能量密度,以使得干涉条纹具有足够的对比度,所以,该检测系统采用氦氖激光器作为单色光源[9],但是所产生的干涉图间的横向条纹偏移具有λ/2 的模糊性,所以,为了解决这个问题,就考虑同时采用白色光源作为照明系统的一部分。

  该检测系统的照明系统是一套独立的照明系统,包括氦氖激光器,卤素灯、衰减片,光纤、准直系统,该准直系统由消色差双胶合透镜构成,光源放置在此透镜的焦平面上,并经由光纤输出,单色光源(HE-NE激光,中心波长是632.8 nm,带宽是10 nm)与白色光源通过插入衰减片进行光强衰减,借以保证彼此光强的匹配性。

  2 干涉系统仿真

  图4 给出了不同照明光源、不同位置误差时的干涉图形。通过理论模型仿真,该干涉系统将在CCD成像系统探测区域内呈现一组干涉图样,其由三个区域组成。上层区域,即子镜2#(segment 2#)上参考波前的反射光与子镜1#(segment 1#)上测量波前的反射光相干涉所形成的条纹;中间区域,无干涉条纹;下层区域,即子镜2#(segment 2#)上参考波前的反射光与同一子镜上测量波前的反射光相干涉所形成的条纹。用单色光进行照明,若子镜间存在tip/tilt 角位移误差,则会对干涉图上层干涉条纹产生影响,具体来说,镜间相对tilt 角位移误差将使上层干涉条纹周期产生变化,子镜间相对tip 角误差将使上层干涉条纹的方向偏离其垂直方向。

  单色光照明时,若子镜间piston 误差大于一个波长λ 时,单独使用单色光将不能解决检测精度的λ/2模糊性问题,所以,该系统同时用白光源来进行检测,使得这一难题得以顺利解决。当存在倾斜误差的时候来进行piston 误差的提取是不准确的,所以,只有当两块相邻子镜间的相对倾斜误差完全被移除了之后,子镜间的piston 误差才能够根据干涉图中条纹的不匹配性来进行精确提取。

  经过仿真,该检测系统的piston 误差在检测范围为30~40 μm 时,其检测不确定度可达到5~6 nm,远远满足拼接主镜实现衍射极限分辩率所需要的误差范围,图5 给出了该干涉检测系统的理论仿真结果。

  为在干涉图形当中获得足够的干涉条纹,在测量光束和参考光束当中需引进某种程度上的倾斜量,解决的办法是在M3 反射镜上安装一个旋转轴R1,同时也通过该倾斜量来设置干涉条纹的周期性,以便调节子镜间理想的piston 误差检测范围,该测量范围受限于CCD 探测器阵列上干涉条纹采样周期。

  3 结 论

  通过仿真结果表明:该系统能够测量子镜间piston 误差范围为30~40 μm,并且该系统可以在白天的情况下对拼接子镜进行相位调整,这样就大大的节省了天文观测的时间。此外,该系统把干涉仪安装在可以移动的移动臂上,这样即可以方便测量每个子镜间的相对位置误差,同时当望远镜指向天区进行观测的时候,避免望远镜主镜镜面承受不必要的重量压力,以免造成主镜镜面的面形误差。该检测设备做为一套望远镜拼接主镜镜面相位误差检测系统,在检测精度及检测范围上完全满足成像质量要求,下一步将针对该系统的检测重复性及检测效率等诸多方面继续进行分析,以求进一步对该检测系统进行完善,为该检测系统应用于大口径拼接镜面面形连续性检测奠定坚实的基础。

  参考文献:

  [1] NELSON J E , MAST T S , FABER S M. The design of the Keckobservatory and telescope(ten meter telescope) [R]. KeckObservatory,1985.

  [2] CHANAN G, TROY M, DEKENS F, et al.Phasing the mirror segmentsof the Keck telescopes: the broadband phasing algorithm[J]. ApplOpt ,1998, 37: 140-155.

  [3] CHANAN G, OHARA C, TROY M. Phasing the mirror segments of theKeck telescopes II: the narrow-band phasing algorithm[J]. Appl Opt,2000,39: 4706-4714.

  [4] SIEMSEN K J, SIEMSEN R F, DECKER J E, et al.A multiplefrequency heterodyne technique for the measurement of long gauges[J].Metrologia, 1996, 33: 555-563.

  [5] SCHWIDER J.Advanced evaluation techniques in interferometry[M].in Progress in Optics, E. Wolf ed.,28: 271-359 (North Holland,Amsterdam, Oxford, New York, Tokyo, 1990), Chap. 4.

  [6] GREIVENKAMP J E, BRUNNING J H.Phase shiftinginterferometry[M]. in Optical Shop Testing, D.Malacara ed., (JohnWiley & Sons, Inc., New York, Chichester, Brisbane, Toronto,Singapore, 1992) Chap. 14: 501-598.

  [7] CREATH K.Temporal phase measurement methods[M].inInterferogram Analysis: Digital Fringe Pattern Measurement, D.W.Robinson and G. Reid, eds, (Institute of Physics Publishing,Bristol,Philadelphia, 1993).

  [8] ZHAO C, BURGE J H. Vibration-compensated interferometer forsurface metrology[J]. Appl Opt, 2001, 40(34): 6215-6222.

  [9] 李自勤, 李琦, 成向阳, 等. 激光成像系统图像几何失真校正算法[J]. 红外与激光工程, 2005, 34(2): 146-150.

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