大靶面拼接焦面測量技術(shù)取得進展

大視場相機是大視場望遠鏡的核心設備，而由于單片傳感器大小的限制，對于大視場相機的焦面沒法使用單片傳感器來滿足大焦面的需求，因此大靶面探測器拼接是大視場相機的研制的關(guān)鍵技術(shù)。高精度的焦面拼接首先要求高精度的加工和高精度的測量，由于探測器工作溫度往往都是在低溫下，以減小探測器的暗電流，因此需要在常溫以及低溫工況下進行測量，以保證探測器在低溫工況下具有良好的平整度，提高探測器的成像質(zhì)量。

基于國內(nèi)外天文學發(fā)展的現(xiàn)狀，把握實測天文科學和技術(shù)發(fā)展趨勢，結(jié)合已有研究團隊的人才技術(shù)優(yōu)勢和研究基礎，在多年準備和積累的基礎上，中國科學技術(shù)大學和中國科學院紫金山天文臺提出共同建設北半球具備最高巡天能力的光學時域巡測設備－2.5米口徑大視場巡天望遠鏡（Wide Field Survey Telescope，以下簡稱WFST），搶占時域天文觀測研究制高點。而大靶面拼接主焦相機正是WFST望遠鏡的關(guān)鍵設備，科學成像采用9片9K×9K CCD芯片拼接而成，設計成像靶面直徑達到D325mm，像面拼接平整度小于PV20um，是國內(nèi)面積最大，達到國際領先水平的主焦相機，如圖1所示。從表1可以看出WFST的焦面拼接平整度要求是最高的。主焦相機的研制首先要解決高精度測量的問題，尤其是在低溫工況下的測量。

表1 國際大型光學圖像巡天項目利用的望遠鏡和安裝的CCD拼接相機參數(shù)表

相機研制團隊在WFST望遠鏡副總設計師、中國科學技術(shù)大學物理學院核探測與核電子學國家實驗室王堅教授領導下，進行了主焦相機關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，包括探測器真空低溫封裝，大靶面探測器高精度測量和拼接，探測器低噪聲低功耗讀出和驅(qū)動，高效相機控制等。對于大靶面探測器高精度測量，研制團隊攻克了低溫工況下高精度平面度非接觸測量的難點，基于激光三角測量法提出了適合于傳感器低溫封裝工況下的差分三角測量方法（Differential Triangulation Measurement），在真空封裝下的測量誤差不超過0.5%，重復測量精度能達到±2μm。并在此基礎上完成DTS測量儀的研制（如圖2所示），并最終完成WFST主焦相機低溫工況下的測量，如圖3所示。目前WFST主焦相機已經(jīng)完成研制，運往冷湖和望遠鏡本體進行安裝和聯(lián)調(diào)聯(lián)測。

圖1 WFST主焦相機及其焦面拼接

圖2 高精度測量儀DTS

相關(guān)成果于2023年7月發(fā)表在測量和儀器的知名雜志IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement。