云南天文台在中国巨型太阳望远镜拼接主镜精共焦技术方面获得进展
近期，云南天文台天文技术实验室针对中国巨型太阳望远镜（Chinese Giant Solar Telescope，CGST）拼接主镜精共焦调整问题，提出了一种基于交叉定标的精共焦调整方法，利用该方法在CGST的拼接样机上实现了精度高于±15
的子镜精共焦调整，极大的简化了后续子镜共相调整的实施方案。该研究成果以“Research on fine co-focus adjustment method for segmented solar telescope”为题发表在国际著名光学期刊《Optics Express》上。
为了实现对太阳表面20公里尺度精细结构的高分辨观测和研究，CGST拼接主镜要实现在1
波长的稳定共相。子镜的精共焦调整是拼接镜面实现共相和共相保持的重要前提。其包括两方面内容：一、需要实现子镜高精度的对准；二、需要将机械装调后子镜间毫米量级的平移误差（Piston）调整至子镜共相测量系统的捕捉范围（通常为几十微米）内，而同时兼顾大量程和高精度的子镜Piston误差探测也是子镜精共焦的难点。在目前拼接镜面精共焦调整方案中，夏克哈特曼波前探测技术（Shack-Hartmann Wavefront Sensor，SHWFS）是使用最广泛和成熟的技术。SHWFS具有较高的子镜倾斜探测能力，能够较容易的实现子镜间好于0.03 角秒的对准；而SHWFS对大于几十微米的子镜Piston误差的测量主要是通过波前倾斜量反演子镜的离焦量获得，目前能够获得的子镜Piston误差的探测精度约为60
RMS，这与经典共相算法的捕捉范围（如Keck望远镜宽波段PSF共相误差测量方法的Piston捕捉范围为
）还有一定差距。此外，随着口径的增大，拼接子镜数目的增多，为了简化子镜共相调整的实施方案，下一代拼接望远镜TMT计划采用多波长PSF共相测量方法，其Piston的捕捉范围为±15
，这对子镜的精共焦Piston的测量和调整性能提出了更高的要求。为了提升CGST子镜精共焦的性能，研究人员提出了一种基于交叉定标的子镜精共焦测量和调整方法。该方法的基本思想是采用精度更高的测量装置对SHWFS的测量结果进行交叉定标，其具体实施方法是在根据SHWFS测量获得的初始“0点”位置（初始共焦位置）前后平移子镜到多个位置，同时获得SHWFS和定标装置的测量值，通过线性拟合的方式获得理论“0点”位置（更高精度的精共焦位置）。研究结果表明，交叉定标的精共焦调整方法不仅能够抑制大气湍流引起的探测误差，还能有效地减弱系统误差对探测造成的影响。该方法的调整精度主要与用于交叉定标的测量点数和定标装置的探测精度有关。采用50个测量点数，SHWFS探测精度约为60
RMS，定标装置的探测精度为3
RMS，CGST子镜的精共焦性能能够好于±15
。
为了验证上述方法的可行性，研究人员在800mm环形拼接镜面实验系统上开展了子镜交叉定标的精共焦调整实验。800mm环形拼接镜是云南天文台天文技术实验室研制的CGST拼接主镜原型样机，主镜由8块环扇形球面子镜拼接而成，每个子镜通过3个位移促动器可以进行主动位移。研究人员采用800mm拼接系统自带的LVDT（linear variable differential transformer）传感器对SHWFS的测量进行了交叉定标，其中LVDT主要用于位移促动器位移变化的检测，其测量精度经过实测定标优于3
RMS。实验结果表明，采用10个交叉定标点，交叉定标的精共焦调整精度约为26
PTV，子镜的精共焦精度相比单纯使用SHWFS测量（91
PTV）有大幅提升。共焦调整后所有子镜的剩余Piston均在多波长 PSF 共相测量算法的捕捉范围内（± 15）。此外，由于LVDT本身具有零点，能记录下子镜共焦时促动器的状态，非常有利于子镜快速恢复到共焦状态。这种采用 LVDT 和 SHWFS 交叉定标的精共焦调整方法不仅可以作为CGST 共焦调整的一种参考方案，同时也给其他拼接镜面望远镜的精共焦调整提供了新的思路，为简化子镜共相调整的实施提供了便利。
该项研究得到了国家自然科学基金项目(122273109)、云南省中青年学术和技术带头人后备人才项目 (202405AC350004)、云南省太阳物理与空间目标监测重点实验室项目(202205AG070009) 、兴滇英才计划 (202305AS350029,202305AT350005)和云南省科技计划项目(202103AD150013)的支持。
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图1：800mm环形拼接镜面实验系统（a）拼接主镜，(b)促动器和LVDT，(c)共焦探测光路。