极大望远镜直接共相定标和维持关键技术研究

Primary mirrors for the international future ground-based optical/ infrared Extremely Large Telescopes (ELT) with apertures larger than 30m must be segmented and well phased by a large quantity of sub-mirrors. To meet such difficult key technology requirements, a new method is proposed to measure both the neighboring differential piston and tip/tilt error between the neighboring two sub-mirrors with a new capacity sensor form, which uses reflecting metal coating on the each mirror as an electrode, together with a auxiliary self-calibration and auto-collimation optical Shack-Hartmann sensing method through the whole telescope system. This method can completely avoid the influence of atmospheric seeing and phasing calibration source requirement of astronomical observation object, and can real-time detect the adjacent differential piston directly and normal tip/tilt errors of all sub-mirrors, and realize close-loop phasing control based on precise displacement sensors, and finally implement the phasing self-calibration and real-time phasing maintenance of the segmented mirror telescope. This research can help us grasp this main key technology of ELT. The technology can be applied into the Chinese future ELT development, and also help us participate in the international cooperated construction of ELT. It will solve the international hard problem of phasing segmented mirror active optics in the visible waveband, advance the development of Chinese segmented mirror active optics and bring it to reach the international frontier, and also have important significance for Chinese astronomy and national security.

国际上未来30米级以上极大口径地面光学/红外望远镜，主镜均由大量子镜拼接而成。针对极大望远镜拼接这一关键技术需求，提出一种拼接镜面子镜高低差直接测量定标维持方法的研究。通过设计一种基于镜面膜层电容传感器的方法，可以直接测量定标相邻子镜的高低差以及子镜二面角误差，再辅以一种基于望远镜系统的自定标的自准直的子镜二面角光学波前传感方法，能避免对天观测时大气视宁度影响以及对天文观测目标的检测需要，完全能够实现全部子镜的相邻高低差和法线倾斜误差的实时检测定标，并与位移促动器形成实时大闭环，实现极大望远镜拼接共相的自定标和实时维持。研究掌握这项关键技术，可应用于未来我国极大望远镜的研制，也可基于此核心技术参与国际上极大口径光学/红外望远镜的合作研制。研究突破这项关键技术，将解决望远镜共相拼接的国际性难题、促进我国拼接镜面主动光学技术的极大发展，并使之走在国际前沿，并对我国的天文学和国家安全有重要意义。

国际上未来 30 米级以上极大口径地面光学/红外望远镜，主镜均由大量子镜拼接而成。针对极大望远镜拼接这一关键技术需求，本项目提出了一种拼接镜面子镜高低差直接测量定标维持的方法。通过设计和研制一种基于镜面膜层电容传感器的方法，可以直接测量出相邻子镜的高低差以及子镜二面角误差。通过与PI公司合作研制的电容位移传感器，完全满足了镜面拼接测量的要求。针对这种高精度、高灵敏度的位移传感器，研究了其使用条件，通过设计的温控箱，进行了各种温度变化对传感器的影响测试。实验表明，由于电容位移传感器的高灵敏性，对温度的变化也非常敏感，要获得稳定的和高精度的测量，必须要控制好测试环境的温度变化，或者需要将位移传感器封装或者进行必要的温度补偿。其次，还对电容位移传感器的全行程的精度进行了测试标定以及不同传感器的精度一致性进行了比较。结果表明，这种电容传感器全行程范围线性度非常好，不同的传感器一致性也很好。这也表明了，这种电容传感器方法完全能满足子镜拼接共相的精度要求。最后将电容位移传感器安装在三块实验镜的拼缝位置，同时辅以位移促动器建立了拼接子镜主动控制综合实验系统，进行了各种测试和实验。综合所有实验及研究表明这种镜面膜层电容位移传感器完全可以满足子镜拼接共相的精度要求，通过仔细设计位移传感器的支架和安装工艺，辅以高精度可靠的位移促动器形成实时大闭环，实现极大望远镜拼接共相的自定标和实时维持。研究掌握这项关键技术，可应用于未来我国极大望远镜的研制，也可基于此核心技术参与国际上极大口径光学/红外望远镜的合作。