光学计量在大型望远镜中的应用

朱嘉宁 陈海咏 金磊

上海市质量监督检验技术研究院 上海 201114

为了更好地适应大口径大视场望远镜的成像要求，在相机焦平面拼接多个CCD使其能够覆盖望远镜的全视场成为大口径大视场望远镜光学相机设计的重。

1 靶面拼接平面度测量要求

对于单个CCD的测量侧重于对CCD性能的检验，单块CCD的平面度要求达到10μm左右，干涉仪具有纳米级的分辫率和精度，能够满足测量目的。拼接后CCD的测量侧重于对整体靶面平面度的检验和装调，平面度要求在室温下达到20μm左右，CCD拼接后产生的拼缝会影响测量结果，不能选用干涉仪测量[1]。

工作状态CCD的测量需要透过窗口，对于仪器要求有一定的测量距离(比如HSC的窗口的厚度37mm，CCD到窗口的距离5mm，平面度要求拼接CCD在冷却和真空环境下达到30μm左右。这限制了测量CCD的各种可能技术平面度，要保证测量方法和测量结果不能受到窗口和测量距离的影响。因此，靶面拼接平面度测量的需求主要有三种，

首先是单个CCD芯片的平面度检测，用于检验;其次是多个CCD拼接过程中的检测，用于装调;最后是拼接CCD冷却后，透过低温杜瓦的窗口检测，测量结果不能受到窗口的影响。

2 CCD平面度检测现有技术

2.1 目测法

欧洲南方天文台（ESO）采用了一种非常简单的方法来测量CCD。肉眼观察千分表在CCD表面测量的显微镜物镜的位移，在x-y坐标系上精确移动CCD，并在被测CCD上的多个位置重复测量目标之间的高低差、角度以及偏移量。由于显微镜镜头到CCD距离较近，这种方法无法测量前面设置有窗口的CCD。这就给CCD带来了环境粉尘污染和测量过程中意外损坏的风险。同时这种方法还需要有经验的人执行测量，以实现可重复的结果，所有的定位、对焦、记录等步骤都必须手工完成，测量过程非常耗时。

2.2 激光与相机探测系统

加州大学和利克天文台采用了更自动化和先进的测量系统。他们将激光束投射到CCD的表面，并检测由于CCD倾斜而产生的光束偏转。该系统由一个激光器、一个放置CCD的X-Y平移台、两个反射镜和一个用于探测反射激光束位置的照相机组成。激光束由第一面镜子定向到被测表面上，然后从CCD表面反射到第二个镜子引导光束到相机探测系统。如果移动被测CCD，其表面的局部坡度发生变化，相机就会记录下光点的移动。通过扫描整个表面和记录光电运动，可以重建CCD的表面特征。用这种方法测量物体表面特征的初始条件是物体的表面必须是连续的，所以不能用来测量拼接CCD之间的高度差。而且还要求CCD的反射光束不能模糊，如果相机上的光点变得模糊，就很难准确的定位。

2.3 基于哈特曼掩模的测量方法

格林威治天文台（RGO）开发了一个基于哈特曼掩模的程序。在该系统中，光透过一个透镜和位于光轴上带有两个孔的掩模，将两个收敛光束锥投射到一个有源CCD上。如果探测器恰好位于投影系统的焦平面上，那么CCD图像中只有一个点;如果探测器在焦平面外，输出的图像中就有两个点，两个点之间的距离与探测器表面到焦平面的偏差成正比。为了得到CCD的表面特征，需要在一次曝光时扫描整个表面，并检测图像中的点位置，从而得到位置上的偏移量。这一过程可以测量探测器表面高度差，测量表面是否连续不影响结果。因此，利用该系统可以对CCD的拼接平整度进行测量。缺点是CCD必须是处于接通电源以及冷却状态的，并且冷却需要很长时间，这大大延长了校正周期所需的时间，包括测量地形、校正倾斜度以及再次测量。

2.4 干涉仪测量法

干涉法是最常用的光学表面形貌测量方法。干涉测量是一种基于光波叠加原理，分析处理干涉场中亮暗变化、条纹形状变化或其他条纹数的变化，从中获取被测量的有关信息。通过在干涉仪的一支光路中引入被测量，干涉仪的光程差就会发生变化，干涉条纹也会随之变化，这时可测量出干涉条纹的变化量，就可以获得与介质折射率和几何路程有关的一系列物理量和几何量。

为了重建CCD的形状，需要分析了非常窄的带通光条纹图，CCD之间的拼接间隙会打断干涉条纹图样，这种方法无法计算拼接CCD之间的高度差，因此干涉测量法在大口径大视场望远镜拼接靶面平面度测量中应用度较低。

2.5 扫描白光干涉仪

白光干涉仪是将白光分解、传输和叠加后，对形成的干涉条纹进行分析处理的仪器，其基本原理就是通过不同的光学元件，把白光分解成参考光路和检测光路，然后在每束光中引入一定的光程差，最后将这些经过不同光路的光叠加起来，从而形成明暗相间的干涉条纹。白光干涉条纹的特点是中央零件条纹精确定位，据此可以为测量提供一个绝对坐标，实现数据的精确测量。当参考光路中的反射镜以连续的速度移动时，用光电二极管或者相机检测组合光束的强度，当路径长度的差值大于相干长度时，则没有发生构造干涉。由于反射镜的连续运动，在光电二极管的位置上不断形成和破坏干涉区，记录光强的波动，同时测量反射镜的位置。通过分析相长干涉的频率和特性，可以更准确地测量出这段距离[2]。

3 结语

目前国际上大口径大视场望远镜拼接靶面的平面度测量方法普遍采用三角激光测量法或者彩色激光同轴位移测量法，测量精度一般可以达到0.1～1μm，能够满足拼接CCD的测量精度，并且可以满足隔着杜瓦窗口测量工作状态CCD的目的。随着我国科技水平的快速发展进步，大型望远镜技术也将得到更快的应用，并发挥越来越重要的作用。