用于低温镶嵌焦平面阵列的高精度平面度测量仪
发布时间：2023-08-14 00:00:00 阅读数： 88
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宽视场巡天望远镜（WFST）副总设计师、中国科学院大学物理学院核探测与核电子学国家重点实验室王坚教授领导的研究团队开展了主焦相机的关键技术研究。相关成果发表在 IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 上。
宽视场相机是宽视场望远镜的核心设备。由于单个传感器的尺寸限制，单个传感器无法满足宽视场相机对大焦面的需求。因此，开发宽视场相机的关键技术在于大目标探测器的镶嵌组装。
高精度焦平面阵列需要精细的制造和精确的测量。由于探测器通常在低温下工作以减少暗电流，因此需要在室温和低温下进行测量。这可确保探测器在低温条件下保持良好的平面度，从而提高探测器的成像质量。
根据目前国内外天文学的发展情况，并顺应天文科学技术的增长趋势，中国努力利用现有研究团队的专业知识和基础研究。
经过多年的准备和积累，中国科学技术大学和中国科学院紫金山天文台共同提出了建设世界天文台的建议--一台具有北半球最先进巡天能力的 2.5 米口径望远镜。这项工作旨在确立时域天文观测的领先地位。
WFST 的一个关键组成部分是其大型焦平面马赛克主相机。该相机的科学成像由九块 9K×9K CCD 芯片拼接而成，设计成像目标表面直径为 D325 毫米。组装后的图像表面平整度小于 PV20um。这使其成为国内同类产品中最大的一个，处于世界领先水平。
WFST 的焦平面马赛克平面度指标异常严格。开发主相机的主要挑战是解决高精度测量问题，尤其是在寒冷条件下。
团队攻克了与主焦相机相关的关键技术难关。这包括探测器的真空冷包装、大目标探测器的高精度测量和组装、探测器的低噪音和低功耗读取和驱动，以及高效的相机控制。
在大型目标探测器的高精度测量方面，团队克服了在低温条件下进行高平面度非接触测量的挑战。他们推出了一种基于激光三角测量的差分三角测量法，适用于低温包装条件下的传感器。
真空密封条件下的测量误差不超过 0.5%，重复测量精度可达 ±2μm。在此基础上，他们完成了 DTS 测量仪器的开发，并最终实现了 WFST 主焦相机在低温条件下的测量。
WFST 主焦相机现已研制成功并运往冷湖，将在那里安装并与望远镜主体集成，以进行校准和测试。
参考资料
Yihao Zhang et al, High-Precision Flatness Measurement for Cryogenic Mosaic Focal Plane Arrays, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement (2023). DOI: 10.1109/TIM.2023.3295464
