郭寧馨,張景旭,劉昌華,陳 濤,安其昌,明 名

(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林 長(zhǎng)春 130033)

1 引 言

望遠(yuǎn)鏡是天文觀測(cè)的重要工具,其分辨能力決定著人們可觀測(cè)到的宇宙空間的大小。望遠(yuǎn)鏡從誕生至今已經(jīng)經(jīng)歷了400余年的發(fā)展歷史,口徑由厘米級(jí)擴(kuò)大到米級(jí),用途也由純天文觀測(cè)發(fā)展成對(duì)地球外層空間人造目標(biāo)的普查編目、監(jiān)視定軌及成像識(shí)別[1]。

由光學(xué)系統(tǒng)可知,相機(jī)的焦平面靶面面積與望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)角和焦距有關(guān),如式(1)所示。

SCCD=2ftan(ω/2)

(1)

式中,f為光學(xué)系統(tǒng)焦距；ω是光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)角。

傳統(tǒng)光學(xué)元件和系統(tǒng)的分辨率一直被認(rèn)為滿足經(jīng)典瑞利準(zhǔn)則[2]?，F(xiàn)有單片CCD受半導(dǎo)體材料和制造工藝水平的限制,面積大小不能滿足大視場(chǎng)的要求,若想在短期內(nèi)開(kāi)發(fā)出集成度更高、像元數(shù)更高的CCD器件也是非常困難的,所以拼接CCD成為大口徑大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

成像光學(xué)系統(tǒng)是外界被照明物體(或發(fā)光物體)所發(fā)出的球面波集合通過(guò)透鏡系統(tǒng)后,在系統(tǒng)的理想平面上獲得清晰的像,這一平面叫做光學(xué)系統(tǒng)的焦平面。由于實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)像差矯正后,除在理想焦平面上獲得清晰的像外,常把理想波面的參考點(diǎn)沿軸向離焦,使波差不超過(guò)λ/2時(shí)也能得到清晰的像則所對(duì)應(yīng)的離焦量稱作焦深,如式(2)所示。

(2)

式中,λ為入射光波長(zhǎng)；f為光學(xué)系統(tǒng)焦距；D為光學(xué)系統(tǒng)入射光瞳直徑；f/D為光學(xué)系統(tǒng)的F#數(shù)。

在焦深范圍內(nèi),成像質(zhì)量仍然能滿足光學(xué)系統(tǒng)性能需求。光學(xué)系統(tǒng)成像原理圖如圖1。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)成像原理圖Fig.1 Optics system imaging elements

由此可知對(duì)于給定的光學(xué)系統(tǒng),CCD 靶面傾角誤差應(yīng)嚴(yán)格地限制在焦深范圍,否則將使部分靶面脫離光學(xué)系統(tǒng)像面,在光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)范圍內(nèi)使得圖像有虛有實(shí),達(dá)不到系統(tǒng)的使用要求[3]。

因此,焦平面靶面拼接后的對(duì)平面度要求一般需要達(dá)到20～30 μm,實(shí)際上,這是一個(gè)十分具有挑戰(zhàn)性的要求。在誤差分配環(huán)節(jié),有很多因素影響大口徑大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡焦平面上的靶面達(dá)到微米級(jí)別的平面度控制。這些影響因素主要包括各個(gè)獨(dú)立組件之間的集成組裝,以及隨著時(shí)間漸變的表面精度,最后的設(shè)計(jì)和裝配方案是要在充分考慮分析仿真以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試的基礎(chǔ)上才能得出。因此,在集成組裝的過(guò)程中需要多次測(cè)量平面度,根據(jù)結(jié)果進(jìn)行多次微調(diào)和分析,才能得到滿足要求的拼接靶面。

2 靶面拼接平面度測(cè)量要求

對(duì)于單個(gè)CCD的測(cè)量側(cè)重于對(duì)CCD性能的檢驗(yàn),單塊CCD的平面度要求達(dá)到10 μm左右,干涉儀具有納米級(jí)的分辮率和精度,能夠滿足測(cè)量目的。拼接后CCD的測(cè)量側(cè)重于對(duì)整體靶面平面度的檢驗(yàn)和裝調(diào),平面度要求在室溫下達(dá)到20 μm左右,CCD拼接后產(chǎn)生的拼縫會(huì)影響測(cè)量結(jié)果,不能選用干涉儀測(cè)量。工作狀態(tài)CCD的測(cè)量需要透過(guò)窗口,對(duì)于儀器要求有一定的測(cè)量距離(比如HSC的窗口的厚度 37 mm,CCD到窗口的距離5 mm[4]),平面度要求拼接CCD在冷卻和真空環(huán)境下達(dá)到30 μm左右。這限制了測(cè)量 CCD的各種可能技術(shù)平面度,要保證測(cè)量方法和 測(cè)量結(jié)果不能受到窗口和測(cè)量距離的影響。

因此,靶面拼接平面度測(cè)量的需求主要有三種,首先是單個(gè)CCD芯片的平面度檢測(cè),用于檢驗(yàn)；其次是多個(gè)CCD拼接過(guò)程中的檢測(cè),用于裝調(diào)；最后是拼接CCD冷卻后,透過(guò)低溫杜瓦的窗口檢測(cè),測(cè)量結(jié)果不能受到窗口的影響。

3 CCD平面度檢測(cè)現(xiàn)有技術(shù)

3.1 目測(cè)法[5]

歐洲南方天文臺(tái)(ESO)采用了一種非常簡(jiǎn)單的方法來(lái)測(cè)量CCD。肉眼觀察千分表在CCD表面測(cè)量的顯微鏡物鏡的位移,在x-y坐標(biāo)系上精確移動(dòng)CCD,并在被測(cè)CCD上的多個(gè)位置重復(fù)測(cè)量目標(biāo)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(wú)法測(cè)量前面設(shè)置有窗口的CCD。這就給CCD帶來(lái)了環(huán)境粉塵污染和測(cè)量過(guò)程中意外損壞的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)這種方法還需要有經(jīng)驗(yàn)的人執(zhí)行測(cè)量,以實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的結(jié)果,所有的定位、對(duì)焦、記錄等步驟都必須手工完成,測(cè)量過(guò)程非常耗時(shí)。

3.2 激光與相機(jī)探測(cè)系統(tǒng)[5]

加州大學(xué)和利克天文臺(tái)采用了更自動(dòng)化和先進(jìn)的測(cè)量系統(tǒng)。他們將激光束投射到CCD的表面,并檢測(cè)由于CCD傾斜而產(chǎn)生的光束偏轉(zhuǎn)。圖2描述了系統(tǒng)的幾何形狀。

該系統(tǒng)由一個(gè)激光器、一個(gè)放置CCD的X-Y平移臺(tái)、兩個(gè)反射鏡和一個(gè)用于探測(cè)反射激光束位置的照相機(jī)組成。激光束由第一面鏡子定向到被測(cè)表面上,然后從CCD表面反射到第二個(gè)鏡子引導(dǎo)光束到相機(jī)探測(cè)系統(tǒng)。如果移動(dòng)被測(cè)CCD,其表面的局部坡度發(fā)生變化,相機(jī)就會(huì)記錄下光點(diǎn)的移動(dòng)。通過(guò)掃描整個(gè)表面和記錄光電運(yùn)動(dòng),可以重建CCD的表面特征。

圖2 加州大學(xué)/利克天文臺(tái)用于CCD平面度測(cè)量的裝置示意圖[5]Fig.2 Diagram of the set up used for CCD flatness measurements used at the Lick Observatory and University of California

用這種方法測(cè)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(lái)測(cè)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(jī)上的光點(diǎn)變得模糊,就很難準(zhǔn)確的定位。

3.3 基于哈特曼掩模的測(cè)量方法[5]

格林威治天文臺(tái)(RGO)開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于哈特曼掩模的程序。在該系統(tǒng)中,光透過(guò)一個(gè)透鏡和位于光軸上帶有兩個(gè)孔的掩模,將兩個(gè)收斂光束錐投射到一個(gè)有源CCD上。如果探測(cè)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(gè)點(diǎn)；如果探測(cè)器在焦平面外,輸出的圖像中就有兩個(gè)點(diǎn),兩個(gè)點(diǎn)之間的距離與探測(cè)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(shí)掃描整個(gè)表面,并檢測(cè)圖像中的點(diǎn)位置,從而得到位置上的偏移量。

這一過(guò)程可以測(cè)量探測(cè)器表面高度差,測(cè)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(duì)多個(gè)CCD的拼接平整度進(jìn)行測(cè)量。圖3為RGO測(cè)量方法光學(xué)原理圖。

這種技術(shù)的缺點(diǎn)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(zhǎng)時(shí)間,這大大延長(zhǎng)了校正周期所需的時(shí)間,包括測(cè)量地形、校正傾斜度以及再次測(cè)量。所以需要很長(zhǎng)的測(cè)量周期,此外,它還無(wú)法測(cè)量機(jī)械樣品。

圖3 RGO測(cè)量方法光學(xué)原理圖[5]Fig.3 Optical schematic for the technique used by RGO for flatness measurement of CCDs

3.4 干涉儀測(cè)量法

干涉法是最常用的光學(xué)表面形貌測(cè)量方法。干涉測(cè)量是一種基于光波疊加原理,分析處理干涉場(chǎng)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(cè)量的有關(guān)信息。

通過(guò)在干涉儀的一支光路中引入被測(cè)量,干涉儀的光程差就會(huì)發(fā)生變化,干涉條紋也會(huì)隨之變化,這時(shí)可測(cè)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[6]。干涉儀測(cè)量原理圖如圖4所示。

圖4 干涉儀測(cè)量原理圖[7]Fig.4 Schematic diagram of interferometer measurement

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(huì)打斷干涉條紋圖樣,這種方法無(wú)法計(jì)算拼接CCD之間的高度差,因此干涉測(cè)量法在大口徑大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡拼接靶面平面度測(cè)量中應(yīng)用度較低。

3.5 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(duì)形成的干涉條紋進(jìn)行分析處理的儀器,其基本原理就是通過(guò)不同的光學(xué)元件,把白光分解成參考光路和檢測(cè)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(guò)不同光路的光疊加起來(lái),從而形成明暗相間的干涉條紋。白光干涉條紋的特點(diǎn)是中央零件條紋精確定位,據(jù)此可以為測(cè)量提供一個(gè)絕對(duì)坐標(biāo)[8],實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精確測(cè)量。

基于Twymann-Green干涉儀的垂直掃描白光干涉儀(如圖5所示)產(chǎn)生的相干光束被分束器分成參考部分和信號(hào)部分。參考部分來(lái)自一個(gè)可移動(dòng)的鏡子,并與來(lái)自研究對(duì)象的信號(hào)光束疊加反射回分束器,沿著這束光即可觀察到干涉,從而得到基準(zhǔn)平面鏡和被測(cè)表面的相對(duì)差值[9]。

當(dāng)參考光路中的反射鏡以連續(xù)的速度移動(dòng)時(shí),用光電二極管或者相機(jī)檢測(cè)組合光束的強(qiáng)度,當(dāng)路徑長(zhǎng)度的差值大于相干長(zhǎng)度時(shí),則沒(méi)有發(fā)生構(gòu)造干涉。當(dāng)兩個(gè)長(zhǎng)度相等時(shí),則在光電二極管處產(chǎn)生相長(zhǎng)干涉。由于反射鏡的連續(xù)運(yùn)動(dòng),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(qiáng)的波動(dòng),同時(shí)測(cè)量反射鏡的位置。通過(guò)分析相長(zhǎng)干涉的頻率和特性,可以更準(zhǔn)確地測(cè)量出這段距離[9]。

圖5 基于Twymann-Green干涉儀的垂直掃描白光干涉儀原理圖[9]Fig.5 Schematic of a vertical-scanning white-light interferometer based on a Twymann-Green interferometer

這個(gè)測(cè)量方法克服了測(cè)量窗戶后面探測(cè)器的問(wèn)題。白光干涉儀的窗口反射與CCD自身信號(hào)之間的路徑長(zhǎng)度之差大于相干長(zhǎng)度,因此不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。

3.6 激光同軸位移器測(cè)量法

激光同軸位移器通常將一束光聚焦到目標(biāo)上,采用輻條式光纖探針進(jìn)行表面離焦檢測(cè),檢測(cè)出物體表面是否在這個(gè)焦點(diǎn)上以及物體表面離焦點(diǎn)有多遠(yuǎn)[10]?？砂惭b于龍門自動(dòng)影像測(cè)量?jī)x,基于算法以非接觸方式測(cè)量表面位置坐標(biāo)和傾角,可以獲得表面形貌、表面傾角和距離,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中尺寸和形狀的在線監(jiān)測(cè)。

測(cè)量系統(tǒng)布置示意圖如圖6所示,傳感器系統(tǒng)的主要組成部分是一個(gè)像輻條一樣排列的光纖束,使用一種對(duì)于相干性或單色性沒(méi)有特殊要求的光源,這種光束通過(guò)透鏡系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)并聚焦,然后以投射的方式反射回光學(xué)系統(tǒng),使用分束器或光柵準(zhǔn)直后,反射光被定向到入射光束路徑。分析光從表面反射的方式,該系統(tǒng)可以確定目標(biāo)是否在照明光學(xué)的焦點(diǎn)上以及偏移量和偏移方向[10]。

圖6 激光同軸位移器[10]Fig.6 Focus sensors measurement principle

激光同軸位移器的移動(dòng)質(zhì)量一般非常小,能比較快的系統(tǒng)掃描一個(gè)表面,可達(dá)到較高的精度、靈敏度。由于大多數(shù)對(duì)焦檢測(cè)系統(tǒng)只能在很小的范圍內(nèi)工作,因此平穩(wěn)的移動(dòng)整個(gè)系統(tǒng),減小機(jī)械誤差使光點(diǎn)始終聚焦在表面上是重點(diǎn)。

3.7 三角激光測(cè)量法

激光位移傳感器是采用三角法實(shí)現(xiàn)物體位移的非接觸測(cè)量,原理圖如圖7所示,用一束激光以某一角度聚焦在被測(cè)物體表面,然后從另一角度對(duì)物體表面上的激光光斑進(jìn)行成像,物體表面激光照射點(diǎn)的位置不同,所接受散射或反射光線的角度也不同,用位敏探測(cè)器測(cè)出光斑像的位置,即可計(jì)算出物體表面激光照射點(diǎn)的位置。當(dāng)物體沿激光線方向發(fā)生移動(dòng)時(shí),測(cè)量結(jié)果就將發(fā)生改變,從而實(shí)現(xiàn)用激光測(cè)量物體的位移[11]。

使用三角激光測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量時(shí),通過(guò)一維電位移平臺(tái)帶動(dòng)激光位移傳感器掃描物體的表面,然后對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,進(jìn)而得到物體的表面形貌。

圖7 三角激光測(cè)量傳感器原理圖[12]Fig.7 Triangulation sensor used for measuring the distance to a surface with specular reflection

激光三角測(cè)量法具有相干性好,頻率單一、穩(wěn)定性好等特點(diǎn),測(cè)量精度取決于工作距離和測(cè)量范圍。市場(chǎng)上有一些設(shè)備的分辨率為0.2 μm,在整個(gè)可測(cè)量范圍內(nèi)的精度約為5 μm。但是測(cè)量結(jié)果容易受到系統(tǒng)自身機(jī)械誤差的影響。

表1 測(cè)量?jī)x器對(duì)比表Tab.1 Comparison table of measuring instruments

4 國(guó)際上大口徑大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡拼接靶面的檢測(cè)概況

目前,國(guó)際上的大口徑大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡對(duì)于靶面拼接的研究已經(jīng)有一定成果和經(jīng)驗(yàn)了。望遠(yuǎn)鏡的口徑也由之前的3～5 m級(jí)逐漸擴(kuò)大到8～10 m等級(jí),這些望遠(yuǎn)鏡在檢測(cè)靶面平面度所用的方法也相對(duì)應(yīng)有所不同。

4.1 TAOS-Ⅱ

TAOS-Ⅱ在墨西哥加利福尼亞州的國(guó)家天文臺(tái)運(yùn)行三臺(tái)口徑1.3m的望遠(yuǎn)鏡,視場(chǎng) 2.3°和高速CMOS成像儀照相機(jī)能夠以20Hz的讀出頻率同時(shí)監(jiān)測(cè)1萬(wàn)顆恒星。TAOS-Ⅱ在e2v定制了總共40個(gè)CMOS成像儀,每個(gè)CMOS芯片規(guī)格4608×1920,16 μm像素,這些設(shè)備以2×5的模式布置在冷板上,冷板的平面度要求為峰谷值相差小于20 μm,并且在裝配過(guò)程中進(jìn)行了幾次調(diào)整,以確定冷板的平整度不會(huì)受到了熱循環(huán)的影響。焦平面拼接平面度要求為峰谷值相差小于30 μm[13]。

TAOS-Ⅱ靶面平面度測(cè)量選用了Keyence LK-H085的三角激光探測(cè)測(cè)量方法,其不僅應(yīng)用在探測(cè)器平面度的測(cè)量過(guò)程中,還應(yīng)用在了冷板的基準(zhǔn)面的測(cè)量中[14]，如圖8所示。

圖8 TAOS-Ⅱ采用基恩士LK-H085測(cè)量冷板平面度[14]Fig.8 Keyence LK-H085 measure TAOS-Ⅱ coldplate flatness

4.2 KMTNet

KMTNet望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目由韓國(guó)天文臺(tái)和空間科學(xué)研究所(KASI)贊助,項(xiàng)目中用于觀測(cè)的是分別位于智利的Cerro-Tololo(CTIO),南非的Sutherland(SAAO)和澳大利亞的SSO天文臺(tái)三架口徑為1.6 m的寬視場(chǎng)赤道安裝望遠(yuǎn)鏡,對(duì)星系隆起區(qū)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè),以尋找太陽(yáng)系外行星。相機(jī)焦平面由四塊的CCD290-99拼接而成,高性能CCD具有9 k×9 k格式,10 μm像素,平面度最高峰谷值可達(dá)到29 μm[15]。

KMTNet平面度測(cè)量選用了OGP Smart Scope Vantage系統(tǒng),多個(gè)視場(chǎng)可以拼接在一起,便于自動(dòng)對(duì)齊和缺陷檢測(cè)的模式識(shí)別。所有SmartScope Quest300可以配備電動(dòng)10× TeleStar遠(yuǎn)距變焦鏡頭,能夠?qū)魉偷膱D像由固態(tài)攝像機(jī)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),提供最高質(zhì)量的圖像,精確計(jì)量?jī)?yōu)化。OGP measure remind?3D多傳感器軟件能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、重復(fù)性的邊緣檢測(cè)[16]，如圖9所示。

圖9 使用OGP_SmartScope Vantage 300測(cè)量KMTNet拼接探測(cè)器的平面度[17]Fig.9 OGP_SmartScope Vantage 300 measure the flatness of the KMTNet focal plane

4.3 J-PAS

J-PAS項(xiàng)目是OAJ(Observatorio Astroflsico de Javalambre)在西班牙特魯埃爾進(jìn)行的一個(gè)為期五年的巡查項(xiàng)目,項(xiàng)目中使用口徑為2.55 m大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡對(duì)北天區(qū)進(jìn)行重子聲波振蕩(BAO)測(cè)量。該望遠(yuǎn)鏡的相機(jī)焦平面由14塊用于成像的9 k×9 k e2v CCD290-99,8塊用于波前傳感傳輸?shù)? k×2 k e2v CCD44-82,4塊用于自動(dòng)導(dǎo)引傳輸?shù)? k×1 k e2v CCD47-20拼接安裝在直徑約500 mm精密焦平面冷板上,拼接后靶面平面度要求為峰谷值相差小于27 μm[18]，如圖10所示。

(a)CT1000測(cè)量過(guò)程

(b)放置在低溫杜瓦內(nèi)的探測(cè)器

J-PAS靶面平面度測(cè)量選用了CT1000非接觸式三維測(cè)量系統(tǒng),該系統(tǒng)通過(guò)彩色白色傳感器利用光點(diǎn)和光譜儀進(jìn)行測(cè)量。由不同波長(zhǎng)組成的光被投射到不同的高度,分光計(jì)分析強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系,當(dāng)分光計(jì)中某一波長(zhǎng)的強(qiáng)度達(dá)到最大值時(shí),就會(huì)產(chǎn)生高度讀數(shù)。Z軸移動(dòng)精度可達(dá)到1.5 μm,X和Y軸移動(dòng)精度可達(dá)到10 μm[18]。

4.4 VST

VST是歐洲南方天文臺(tái)(ESO)在智利的帕拉納爾天文臺(tái)(Paranal Observatory)2005年投入使用的口徑2.6m巡天望遠(yuǎn)鏡,OmegaCAM安裝在VST的卡塞格林焦點(diǎn)處,焦平面由32塊15μm像元尺寸的2 k×4 k的e2v CCD44-82拼接而成,拼接后測(cè)量平面度可以達(dá)到峰谷值18 μm左右[19]。

VST平面度測(cè)量選用了Keyence的LK-H082三角激光測(cè)量探頭以及l(fā)abview數(shù)據(jù)處理,在單個(gè)曲面探測(cè)器和OmegaCam拼接靶面的測(cè)量中得到了很好的應(yīng)用。Keyence LK-H082可以同時(shí)測(cè)量多個(gè)表面,沒(méi)有預(yù)熱和過(guò)熱的問(wèn)題,可以隔著杜瓦窗口進(jìn)行即時(shí)測(cè)量。測(cè)量范圍-17.6～+14.5 mm,可以表征傾斜表面和三維曲面探測(cè)器,速度快,精度高,在76.7 mm的工作距離下提供更大的測(cè)量范圍。

內(nèi)部編程的LabView 2010模塊能夠在X、Y軸機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的面板上校正X和Y的初始位置,實(shí)時(shí)屏幕讀出激光傳感器的Z值。激光位移傳感器由控制軟件LK-Navigator提供,用于激光三角測(cè)量傳感器的定位和調(diào)整,每一次新的測(cè)量運(yùn)行前都要對(duì)反射面選擇、采樣時(shí)間、頻率和信號(hào)質(zhì)量檢查進(jìn)行調(diào)整。所使用的激光三角測(cè)量傳感器安裝在一個(gè)精確的X-Y-Z平移臺(tái)上,可以對(duì)下方區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)掃描,在Z軸上采用手動(dòng)線性平移[20]，測(cè)量過(guò)程如圖11所示。

圖11 Keyence LK-H082測(cè)量過(guò)程[20]Fig.11 Keyence LK-H082 measure the flatness of the VST OmegaCAM focal plane

4.5 DES

DES與NOAO合作在塞羅-托洛洛國(guó)際天文臺(tái)(CTIO)在建造了口徑4 m的Blanco望遠(yuǎn)鏡,用于對(duì)南部銀河系范圍5000平方度的測(cè)量。DECam是暗能量測(cè)量的主要儀器,焦平面陣列由62塊用于成像2 k×4 k CCD,12塊用于引導(dǎo)和聚焦2 k×2 k CCD拼接而成,CCD由勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LBNL)開(kāi)發(fā)。拼接后靶面平面度要求峰谷值相差小于25 μm[21]。

FNAL公司利用Micro-Epsilon公司的共焦色散位移測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了一套平面度掃描系統(tǒng)。該設(shè)備從鹵素?zé)襞葜蝎@取光,并將其定向,使不同頻率的光聚焦在距離儀器頭部不同距離的地方。該系統(tǒng)可檢測(cè)到從焦點(diǎn)反射回來(lái)的光的頻率,并提示被照表面與儀器頭部之間的距離。線性24 mm范圍內(nèi)精度約為7 μm,最大工作距離約為250 mm[22]。

測(cè)量過(guò)程中直線度的變化將直接影響測(cè)量精度,因?yàn)橛糜谝龑?dǎo)掃描頭的定位系統(tǒng)必須具有特殊的直線度,才能達(dá)到儀器的精度。所以選用了Physik的一套儀器,精度為每運(yùn)行100 mm直線度1 μm,系統(tǒng)的運(yùn)行范圍為300 mm×300 mm,不足以測(cè)量的整個(gè)相機(jī)靶面,但它能夠測(cè)量很大一部分,整個(gè)陣列的平面度可以通過(guò)少量重疊的測(cè)量部分進(jìn)行映射,掃描系統(tǒng)如圖12所示[22]。

圖12 共焦彩色CCD平面度掃描系統(tǒng)定位于其中一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)[22]Fig.12 Scanning system is located in one of the test plane

4.6 Subaru

超級(jí)主焦點(diǎn)相機(jī)(HSC)是用于下一代主焦點(diǎn)形式的口徑8.3 m視場(chǎng)1.5°的大口徑大視場(chǎng) Subaru望遠(yuǎn)鏡的相機(jī),HSC的大視場(chǎng)由116個(gè)15 μm像素的2 k×4 k全耗盡型背照式CCD組成,全工作時(shí)可覆蓋1.5°直徑視場(chǎng),這些CCD由HAMAMATSU Photonics K.K和日本國(guó)立天文臺(tái)(NAOJ)研制。焦平面平面度測(cè)量后峰谷值相差小于45 μm[23]。

在室溫下用Mitaka-Koki NH3-SP高度測(cè)量系統(tǒng)(如圖13所示)測(cè)量了每個(gè)CCD的平面度,Mitaka-Koki NH3-SP高度測(cè)量系統(tǒng)是一個(gè)非接觸式3D表面高度測(cè)量系統(tǒng),具有0.5 μm的測(cè)量精度。整體CCD組件測(cè)量選用了Mitaka-Koki公司的 NH-3SN型非接觸式坐標(biāo)測(cè)量?jī)x(測(cè)量精度1 μm),測(cè)量了116個(gè)CCD組件的厚度和平面度,測(cè)量結(jié)果安裝在焦平面上的所有CCD的整體平面度不超過(guò)40 μm,厚度變化在35 μm之內(nèi)[24]。

圖13 Mitaka-Koki NH3-SP高度測(cè)量系統(tǒng)[23]Fig.13 Mitaka-Koki NH3-SP measurement system

對(duì)于冷板的平面度測(cè)量方法,采用Mitsutoyo公司的接觸式坐標(biāo)測(cè)量?jī)x(CMM)LEGEX9100,通過(guò)測(cè)量每個(gè)CCD的安裝中心點(diǎn)來(lái)確認(rèn)其平面度。該CMM的可測(cè)量工作范圍為1 m,直徑620 mm的冷板表面的測(cè)量精度可以達(dá)到1 μm。冷板通過(guò)三個(gè)特質(zhì)墊片安裝在CMM的坐標(biāo)測(cè)量?jī)x上,這樣避免了引入的位置表面變形[24]。

4.7 LSST

LSST是由NOAO贊助,由Michael Strauss主導(dǎo)的大口徑大視場(chǎng)的地基巡天望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目,口徑8.4 m,視場(chǎng)3.5°,主要對(duì)暗能量和暗物質(zhì)、太陽(yáng)系地圖、光學(xué)瞬變、星系天文學(xué)四個(gè)重點(diǎn)科學(xué)項(xiàng)目進(jìn)行觀測(cè)。相機(jī)焦平面采用圓形靶面形式,共有189塊4 k×4 k像元尺寸10 μm的CCD組成的陣列,為了保證其正常工作,所有CCD是采用3×3的組件形式安裝于峰谷值平面度6.5 μm的基筏之上,靶面平面度要求為峰谷值相差小于10 μm[25]。

LSST的拼接CCD平面度測(cè)量采用Keyence LT-9030M三角激光共焦距離測(cè)量?jī)x結(jié)合一套Aerotech ATS-3220開(kāi)放式中心x-y高精度氣浮平臺(tái)完成,該儀器的工作原理是基于共焦顯微鏡系統(tǒng)和一種新穎的內(nèi)部波束掃描機(jī)制,該測(cè)量方法不僅用于拼接CCD的實(shí)驗(yàn)室組裝監(jiān)測(cè),也用于透過(guò)透鏡窗口玻璃進(jìn)行裝配后的外部檢測(cè)。LT-9030M可達(dá)到為0.1 μm的測(cè)量精度,光學(xué)頭高度測(cè)量范圍為3 mm,與鏡頭前方的距離為30 mm。這個(gè)距離能夠通過(guò)低溫恒溫器的窗口進(jìn)行測(cè)量,結(jié)合氣浮平臺(tái)掃描范圍為200 mm× 200 mm[26]。

Fisba 200 mm口徑的Twyman-Green相位測(cè)量干涉儀可以對(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行干涉測(cè)量,以確定其平面度特性。利用Fisba干涉儀或Keyence系統(tǒng),可以通過(guò)低溫恒溫器窗口對(duì)拼接罷免進(jìn)行平面度監(jiān)測(cè)[26]。

5 結(jié) 語(yǔ)

由上述可知,目前國(guó)際上大口徑大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡拼接靶面的平面度測(cè)量方法普遍采用三角激光測(cè)量法或者彩色激光同軸位移測(cè)量法,測(cè)量精度一般可以達(dá)到0.1～1 μm,能夠滿足拼接CCD的測(cè)量精度,并且可以滿足隔著杜瓦窗口測(cè)量工作狀態(tài)CCD的目的。

國(guó)際上,30米級(jí)口徑地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)開(kāi)始建造,而我國(guó)目前的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡制造水平尚駐留于4米級(jí),與國(guó)際先進(jìn)水平存在不小的差距[27]。大口徑大視場(chǎng)焦平面靶面拼接在國(guó)外已有多年研究,取得了許多成功的應(yīng)用并積累了大量的經(jīng)驗(yàn),而國(guó)內(nèi)對(duì)于拼接CCD平面度的測(cè)量?jī)x器與測(cè)量方法的研究尚處于起步探索階段,可借鑒的經(jīng)驗(yàn)也少,缺乏成熟的使用成果和商品化的軟件產(chǎn)品?？梢?jiàn),進(jìn)行平面度高精度儀器的測(cè)量方法的研究,未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)主要集中在以下幾個(gè)方面:

(1)提高測(cè)量焦平面CCD平面度的準(zhǔn)確性和精確性,減少大口徑巡天望遠(yuǎn)鏡性能的系統(tǒng)性錯(cuò)誤。比如減小拼縫對(duì)焦平面CCD的拼接精度的影響,測(cè)量方法不受制冷和真空的條件的影響。

(2)國(guó)內(nèi)大口徑大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡的CCD平面度測(cè)量方法需要一套完善的誤差分析系統(tǒng)和針對(duì)于誤差的解決方法。

(3)針對(duì)提高檢測(cè)焦平面拼接靶面平面度精度的方法,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可行性,并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和迭代。