拼接镜主动光学共相实验

　　1　引　言

　　拼接望远镜的子镜之间完全共相时的系统分辨率比完全不共相时的高倍(n为拼接子镜的个数),但受大气视宁度的影响,实际地基望远镜在可见光波段却由于大气相干长度很短(小于子镜的尺寸),子镜之间的共相位基本上不能提高望远镜的分辨率;而在红外波段,由于大气相干长度较长(与整个拼接镜尺寸相当),这时子镜之间共相位的好坏直接决定了望远镜的性能。对于没有大气扰动的天基望远镜,或者是采用自适应光学消除掉大气影响的系统,在1μm波段,即使是25nm的相位误差也会对望远镜的调制传递函数产生很大的影响[1],所以将子镜之间的相位差控制到一定小的范围对获得高性能的望远镜系统是很关键的。

　　望远镜工作过程中受温度和重力等因素的影响,子镜之间的共焦和共相位关系会发生改变,目前多采用主动光学系统来维持共焦和共相位的稳定。首先,通过高精度的位置传感器来获得子镜之间的位置改变信息,然后由高精度的微位移调整机构调整子镜的位置,使传感器的读数维持在子镜共焦、共相位标定好时的值。本实验主要研究共焦、共相位的标定技术,其中共焦标定已经在前期完成[2](下文中所述的共焦调整方法可以使子镜的tip/tilt调整精度达到0.016″,可以认为子镜相互之间的tip/tilt对共相影响很小。),本文主要讨论共相位标定技术。

　　目前测量子镜之间相位的光学方法有多种,如衍射技术[3-4]、曲率传感技术[5]、干涉测量技术[6-7]、相位差异技术[8-9]和Pyramid传感器技术[10]等。衍射技术通过分析子镜相邻边缘某一区域的衍射图案来确定子镜之间的相位差。曲率传感技术通过对望远镜子镜所成的一对相同离焦量的焦前和焦后图像的强度差进行重构得到波前,Cuevas(2000)已证明曲率信号确实包含了相对相位信息。干涉测量技术通过分析与子镜共轭的平面内,或是子镜相邻区域内的干涉图来测量相位误差。相位差异技术是对从焦点和稍微离焦(要求离焦量很小且精确)图像的测量数据使用迭代算法来找到与该数据最匹配的光瞳面像差。Pyramid波前传感技术是从底面为方形的棱锥所产生的图像信号中提取出相位信息,2001年Es-positoa提出在拼接镜中应用Pyramid作波前传感器,数值仿真表明该传感器可以同时传感并控制各子镜的差分piston,tip和tilt。

　　目前,两个正在运行的拼接望远镜(KeckⅠⅡ和GTC望远镜)都是采用衍射技术来获取子镜之间相位信息的,上述的其它方法都由于各自存在的一些难题,如干涉方法存在条纹抖动和2π的相位模糊问题,实际应用较少。

　　共相位标定初始时,拼接子镜之间的相位误差会很大,受到方法捕获范围的限制,上述各方法均不能直接应用,需要预先采取其它的方法使子镜之间的相位差减小。本文是先采用球径仪对子镜进行粗调整,之后利用白光斐索干涉原理调整子镜之间的相位差到较小的范围,最后再应用子孔径衍射的方法进行相位调整的。该方法可以使子镜的相位差由几十微米量级调整到十几纳米量级,达到较好的共相效果。