Attocube激光干涉多轴测量原理 基于IDS3010

天文望远镜结构稳定性测量与分析

大型现代天文望远镜实现高分辨率观测的核心要素是几何稳定性。不论是哪个波段的天文望远镜，都由支撑机械结构和光学/射电反射模块构成。图1显示了卡塞格林型天文望远镜的典型设计，望远镜的主镜和次镜都由精密桁架支撑。桁架支撑结构需要保持镜片的位置不变，这样镜片焦点才能处于合适的位置，以减小光学对准误差。温度变化、热场分布、湿气吸附都会影响天文望远镜，导致桁架结构变形，造成光学成像劣化。有几项互补的技术来补偿望远镜桁架结构的变形，例如主动热控制，采用低膨胀材料的被动控制，以及通过促动器做面形和位置补偿。但问题在于，所有的补偿技术都需要对望远镜桁架结构的几何稳定性进行精确测量和分析。 上述桁架几何稳定性测量需要一套可靠的结构变形测量系统，attocube法珀干涉仪(IDS/FPS)非常适合这类测试任务，光纤化的测量探头紧凑且鲁棒性高，可直接集成到望远镜桁架系统中（见图2）。相比于传统的外部位移测量干涉仪（DMI），由该方案构建的内置位移测量干涉仪（BDMI）具有多个优势。 如图2所示，BDMI方案省去了DMI方案中复杂的光学对准装置，包括多个反射镜及其调整架，而这些元件本身会带来大量的稳定性问题。BDMI方案则大大简化了测量光路，有利于提高测量系统本身的机械稳定性。而且，由于测量光路内置在桁架结构中，光路环境更稳定，热扰动更小，这让BDMI的稳定性优势更加明显。

装置介绍

我们在不同材料的两种桁架支腿上进行了测量：一种采用不锈钢，另一种为低热膨胀系数的赛隆陶瓷（SiAlON）；IDS / FPS干涉仪的传感头直接安装到桁架腿的内部，光纤从支杆一端的法兰口馈入，对轴向位移量进行干涉测量（见图3左上）。不锈钢桁架腿的热膨胀用BDMI方法和传统DMI方法做同步测量比对，如图3所示。DMI的反射镜贴在桁架腿的两端，通过差分光束来测出桁架腿的长度变化。整个系统布置在洁净间内，变温台阶为5℃，变温范围15℃至30℃。在另一组实验中，只使用IDS / FPS干涉仪对陶瓷桁架腿的热膨胀进行测量，测量结果与材料本身的温度膨胀系数CTE进行比对。材料的温度膨胀系数由热膨胀计测出。通过实验发现，塞隆陶瓷的实测CTE在0℃~50℃之间保持恒定，符合材料特性。但是，桁架腿包含的其他材料的CTE不是常数，需要对其进行数值修正，否则无法做精确比对。实验中的测量光路被抽真空到2Pa，以尽量减小空气折射率扰动带来的误差。真空腔的温度通过热沉来控制，变温台阶为5℃或10℃，温度变化范围为0℃至50℃。

图1 卡塞格林型望远镜典型桁架结构，在桁架结构的顶部安装有次镜，次镜将光汇聚到主镜后面的焦平面上，接近桁架底部

测试结果

当温度发生变化时，不锈钢桁架腿发生轴向位移，该位移由集成了attocube IDS/FPS干涉仪的BDMI测量系统和传统DMI测量系统做同步测量。经过空气折射率修正后，两套系统实测位移随时间变化曲线与温度随时间变化曲线基本吻合。环境中的空调系统由于存在控制周期，会产生轻微的温度波动。如果将attocube BDMI的测试结果与传统DMI的测试数据进行精确比对（图3B），我们就会发现DMI测试结果中的尖峰噪音，这是由测量光路中的空气扰动产生的。这个结果印证了将位移测量干涉仪内置到桁架腿中可以带来更高的测量稳定性。而在对陶瓷桁架腿的测量中（图3C），经数值修正后的理论CTE曲线与经过多项式拟合后的BDMI测试曲线，如果我们分析二者之间偏差的RMS值，会发现在宽温度变化5℃~45℃的RMS值为145nm，而窄温度变化15℃~30℃的RMS值仅为69nm。不论是哪种结果，这个量级的误差已经可以说明，attocube干涉仪的测量结果与理论分析非常吻合。