拼接镜面共相技术是大口径望远镜研制中的关键技术之一,共相精度主要取决于边缘传感器的测量精度。针对大口径拼接镜面望远镜的共相需求,提出一种基于光学等厚干涉原理的边缘传感器设计方案,阐述其基本原理并给出该边缘传感器的结构图。利用数据拟合和图像处理方法,对该方案进行仿真模拟,仿真结果显示该方案的测量精度可以达到倾斜误差为0.02″,平移误差为20 nm,可以满足大口径拼接镜面望远镜的共相检测需求。

基于传统的夏克-哈特曼波前传感技术, 针对实验室现阶段所拥有的合成孔径望远镜系统设计了一套共焦检测系统, 用于对合成孔径系统的拼接主镜进行倾斜量误差检测。由于受实验平台振动和实验环境气流扰动等因素的影响, 导致检测系统的夏克-哈特曼光斑质心阵列做无规则的抖动, 检测系统难以实现高精度共焦。针对该问题提出采用连续帧频数据采样叠加滤波处理的方法来克服实验环境因素的影响; 将采集的连续帧频数据逐帧处理, 相互叠加, 分析光斑质心分布规律, 通过构建光斑分布图样最小外接矩形获取光斑质心位置, 从而有效的提高了共焦检测系统的准确度。实验表明中心镜沿x与y方向的倾斜量误差数据的标准差分别从0.029 7与0.009 2降到了6.0×10-5与5.1614×10-4。最终光斑质心数据的稳定性得到了不止一个量级的提升, 良好的克服了因实验环境因素导致检测系统精度损失的问题, 同时也验证了共焦检测系统方案的可行性。

基于圆孔衍射理论,设计了一套拼接式反射镜的共相误差光学检测系统,并采用双波长窄带共相算法实现对合成孔径拼接镜的共相检测。方案中设计了圆孔掩模板、相位板和微棱镜阵列,通过数值仿真得到子镜间存在一系列台阶差时的圆孔衍射模板图样,再将待测图样与模板图样进行相关匹配,获得当前子镜间存在的台阶差。在将检测方案应用于拼接镜检测之前,通过相位板在光路中引入已知量相位差进行模拟实验,对衍射图样进行采样和匹配;实验结果验证了方案的可行性,可实现对合成孔径拼接面进行较高精度的共相检测。

研制极大望远镜的拼接主镜时，为使得望远镜系统成像质量达到衍射极限，子镜的定位精度需要满足共相位要求，那么必须对子镜之间的平移误差进行实时精确检测和校正。在对色散条纹检测和色散哈特曼检测原理分析的基础上，建造了一台色散条纹传感器，并在室内拼接镜面主动光学实验系统上开展检测实验，验证了检测信号和平移误差之间存在确定的函数关系，可实现对平移误差的间接测量。针对实验结果分析了误差产生的原因，总结了影响检测精度的主要因素有：条纹对比度、光谱曲线定标、非线性最小二乘法，并提出了解决方案，以完善数据处理的计算方法。在±15 μm的测量范围内，可达到20 nm的检测精度。

总结了常用的共相位检测方法，分析了各种方法的特点及其用于空间望远镜在轨检测的适用性。提出了一种新的基于色散瑞利干涉原理的共相位误差检测方法和相应的干涉条纹数据处理方法——二维色散条纹分析法。介绍了色散瑞利干涉法的基本原理，给出了其检测拼接主镜望远镜共相位误差的光路图。为验证所提出的方法，搭建了一套色散瑞利干涉仪检测共相位误差的实验验证装置。初步的实验结果表明所搭建的色散瑞利干涉实验装置的量程可达到200 μm，多次测量值的均方根误差(重复性)优于2 nm，共相位误差δ≤1 μm时，测量精度为6.56 nm，可以满足空基分块主镜望远镜在轨共相位检测的要求。

针对大口径望远镜拼接式主镜,提出一种基于迈克耳孙干涉原理的低相干光源干涉检测系统。应用该系统对拼接子镜间相位失调误差进行实时检测,进而对失调子镜进行相应校正,以实现拼接子镜的共面排布。给出了低相干光源干涉检测系统的具体结构,叙述了干涉检测系统的检测原理,提出应用双中心波长组合低相干光源进行拼接子镜间相位误差检测,分析了系统最低信噪比。结果表明,双中心波长组合低相干光源系统,可以提高低相干光源干涉中心条纹的信号分辨能力,借以提高检测精度,使得低相干光源干涉测量系统对拼接子镜间的相位失调误差进行高精度提取。