大靶面拼接焦面测量技术优势和研究

大视场相机是大视场望远镜的核心设备，而由于单片传感器大小的限制，对于大视场相机的焦面没法使用单片传感器来满足大焦面的需求，因此大靶面探测器拼接是大视场相机的研制的关键技术。高精度的焦面拼接首先要求高精度的加工和高精度的测量，由于探测器工作温度往往都是在低温下，以减小探测器的暗电流，因此需要在常温以及低温工况下进行测量，以保证探测器在低温工况下具有良好的平整度，提高探测器的成像质量。  

基于国内外天文学发展的现状，把握实测天文科学和技术发展趋势，结合已有研究团队的人才技术优势和研究基础，在多年准备和积累的基础上，中国科学技术大学和中国科学院紫金山天文台提出共同建设北半球具备最高巡天能力的光学时域巡测设备－2.5米口径大视场巡天望远镜（Wide Field Survey Telescope，以下简称WFST），抢占时域天文观测研究制高点。

而大靶面拼接主焦相机正是WFST望远镜的关键设备，科学成像采用9片9K×9K CCD芯片拼接而成，设计成像靶面直径达到D325mm，像面拼接平整度小于PV20um，是国内面积最大，达到国际领先水平的主焦相机，如图1所示。从表1可以看出WFST的焦面拼接平整度要求是最高的。主焦相机的研制首先要解决高精度测量的问题，尤其是在低温工况下的测量。  

表1.国际大型光学图像巡天项目利用的望远镜和安装的CCD拼接相机参数表 

相机研制团队在WFST望远镜副总设计师、中国科学技术大学物理学院核探测与核电子学国家实验室王坚教授领导下，进行了主焦相机关键技术的攻关，包括探测器真空低温封装，大靶面探测器高精度测量和拼接，探测器低噪声低功耗读出和驱动，高效相机控制等。对于大靶面探测器高精度测量，研制团队攻克了低温工况下高精度平面度非接触测量的难点，基于激光三角测量法提出了适合于传感器低温封装工况下的差分三角测量方法（Differential Triangulation Measurement），在真空封装下的测量误差不超过0.5%，重复测量精度能达到±2μm。

并在此基础上完成DTS测量仪的研制（如图2所示），并最终完成WFST主焦相机低温工况下的测量，如图3所示。目前WFST主焦相机已经完成研制，运往冷湖和望远镜本体进行安装和联调联测。    

图1.WFST主焦相机及其焦面拼接 

图2.高精度测量仪DTS

相关成果于2023年7月发表在测量和仪器的知名杂志IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement。 

  编辑：黄飞