朱嘉寧 陳海詠 金磊

上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 201114

為了更好地適應(yīng)大口徑大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡的成像要求，在相機(jī)焦平面拼接多個(gè)CCD使其能夠覆蓋望遠(yuǎn)鏡的全視場(chǎng)成為大口徑大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡光學(xué)相機(jī)設(shè)計(jì)的重。

1 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10μm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20μm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[1]。

工作狀態(tài)CCD的測(cè)量需要透過窗口，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37mm，CCD到窗口的距離5mm，平面度要求拼接CCD在冷卻和真空環(huán)境下達(dá)到30μm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拼接過程中的檢測(cè)，用于裝調(diào);最后是拼接CCD冷卻后，透過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。

2 CCD平面度檢測(cè)現(xiàn)有技術(shù)

2.1 目測(cè)法

歐洲南方天文臺(tái)（ESO）采用了一種非常簡(jiǎn)單的方法來測(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，這種方法無法測(cè)量前面設(shè)置有窗口的CCD。這就給CCD帶來了環(huán)境粉塵污染和測(cè)量過程中意外損壞的風(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)量過程非常耗時(shí)。

2.2 激光與相機(jī)探測(cè)系統(tǒng)

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)。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。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。

2.3 基于哈特曼掩模的測(cè)量方法

格林威治天文臺(tái)（RGO）開發(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)CCD的拼接平整度進(jìn)行測(cè)量。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。

2.4 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。

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。

2.5 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)過不同光路的光疊加起來，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)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精確測(cè)量。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)，則沒有發(fā)生構(gòu)造干涉。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[2]。

3 結(jié)語

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0.1～1μm，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。隨著我國(guó)科技水平的快速發(fā)展進(jìn)步，大型望遠(yuǎn)鏡技術(shù)也將得到更快的應(yīng)用，并發(fā)揮越來越重要的作用。