大尺寸CCD拼接焦面关键技术研究

Deep sky observation and wide field survey are important for astronomical research. It is needed to use large size focal plane CCD for large telescope. Therefore, the study of large size CCD technique is significant for astronomical instrument development. We are going to study the multiple CCDs mounting technique. we will analyse, study and practise the method of CCD mounting and its extensibility, requirement of accuracy, bases materials, cooling and vacuum technique. In this proposal, a 4-CCD mounting array system will be developed using the CCD controllers and chips of National Astronomical Observatory Chinese Academy of Science. It may be used on one telescope in Xinglong Station.

CCD大口径深度观测和大视场巡天观测将是今后天文学研究的重要方向。从仪器技术上分析,不管是大口径望远镜还是大视场望远镜，都需要匹配大尺寸CCD焦面,因此推动研制大尺寸CCD焦面是必要的。课题从理论和技术上研究了实现大尺寸CCD焦面的技术手段，给出了以多个CCD拼接实现大尺寸CCD焦面的技术方案，对拼接方法及其扩展性、拼接精度、基座材料、大面阵CCD深度制冷、真空技术等关键技术进行了分析、研究和试验。本课题将利用国家天文台现有CCD和控制器研制一套4-CCD拼接焦面系统，并计划申请安装在兴隆基地现有望远镜上进行性能测试和实际观测，对本课题提出的CCD拼接技术方案进行验证。

国际天文界正在研制下一代巨大口径光学望远镜，例如正在建造的LSST，TMT，国内正在筹备的12米。这些大型光学天文望远镜通常都有大尺寸的成像焦面，传统的CCD成像单元已经无法满足使用，因此与大光学焦面匹配的大尺寸成像焦面也急需突破。本课题正是基于这个需求，对大尺寸CCD拼接焦面的关键技术进行攻关，在拼接方法，拼接结构材料选型，拼接精度，面型检测方法，大尺寸焦面深度制冷方法，大尺寸焦面真空杜瓦设计等方面作了深入研究。课题第一阶段以LAMOST使用的e2v203-82，4Kx4K，12um型号CCD为拼接单元，完成了一套2x2，4-CCD拼接焦面，拼接方法采取机械固定拼接。平面度检测采用非接触式的光学扫描测量方式。CCD拼接焦面在常温和-90C分别测试了焦面平面度。在真空和非真空条件下，测量了CCD封窗玻璃的形变量和引入的测量误差。经过实测4-CCD焦面在常温和低温-90C两种工况下，平面度峰谷值均达到小于30um，与单块CCD平面度一致。项目研制了4CCD系统整机，并通过小孔成像原理进行了实验室成像。项目第二阶段，以e2v203-82为原型加工了9块CCD铝合金模型，研制了电动CCD拼接焦面，其中中心CCD单元可以电动微调。调节方式使用3个微型压电电机支撑CCD，以限制自由度运动方式调节CCD姿态。电动调节精度测量采用光学三角测量的方法，实测调节精度达到1um，调节范围达到20mm。本课题对大尺寸CCD拼接焦面多项关键技术进行了深入的研究和实验验证，建立了一整套的拼接方法和测量方法，尤其是发展了高精度电动调节方法，可以满足更为复杂的像面拼接，电动拼接方式不仅效率高，还可以时时调节修正，即使在设备投入使用后仍然可以不断完善。课题为大尺寸拼接焦面的研制作了很有意义的探索。