芯耀
63
1 引言
太空望远镜主镜支撑深孔是主镜姿态调节与稳定支撑的核心关键结构，其孔深精度直接决定支撑组件装配精度、主镜面型精度，进而影响望远镜的成像质量与观测分辨率。传统测量技术如接触式探针测量易对支撑深孔的精密表面造成划伤，且针对主镜支撑结构狭小空间内的深孔存在可达性差的问题；超声测量受支撑结构钛合金/碳纤维复合材料的声阻抗不均影响，测量误差难以满足太空级高精度检测需求。激光频率梳技术凭借等间隔频率梳齿的高精度时频基准优势，实现频域与时域的精准转换，且具备非接触、微扰动、高精度测量特性，为太空望远镜主镜支撑深孔3D轮廓测量提供了可靠解决方案。本文提出基于激光频率梳的太空望远镜主镜支撑深孔孔深光学3D轮廓测量方法，旨在突破传统技术瓶颈，满足主镜支撑结构量产检测的高精度与高可靠性需求。
2 激光频率梳3D轮廓测量原理
激光频率梳通过飞秒激光器产生超短脉冲序列，经非线性光学效应生成等频率间隔的梳齿状光谱，其重复频率与载波包络偏移频率的双锁定机制，可提供精度达10⁻¹⁵量级的时频基准。在3D轮廓测量中，激光频率梳输出的低功率脉冲光经高精度微透镜组缩束与准直调制后，投射至主镜支撑深孔表面，反射光与参考光在探测器上形成干涉信号，相位差与光程差呈严格线性对应关系。通过傅里叶变换解析干涉信号，结合莫尔条纹相位调制原理，可将条纹偏移量转化为孔壁与孔底的高度信息，即满足h = (Δx·λ)/(2·sinθ)（其中Δx为条纹偏移量，λ为激光波长，θ为投影角度）。相较于传统光学测量，该技术借助长相干长度特性（可调至150mm）突破主镜支撑深孔狭小空间遮挡与长光程衰减限制，实现孔底轮廓的完整、无损伤、高精度重建。
3 测量系统设计与实验验证
3.1 系统结构设计
测量系统由激光频率梳模块、微光束精准调制模块、图像采集模块及数据处理模块组成。激光频率梳模块选用低功率700kHz高频飞秒激光器，输出650nm红光脉冲，既保证钛合金/碳纤维复合材料孔壁的反射效率，又避免激光能量对支撑结构精密表面造成损伤；微光束精准调制模块通过高倍率微透镜组实现光束聚焦（聚焦光斑直径≤25μm），配合微型多自由度精密电动云台驱动实现±160°俯仰扫描，确保在狭小空间内覆盖支撑深孔全深度区域；图像采集模块采用高灵敏度、低噪声CCD相机，配合频率梳时间戳标记实现干涉条纹的同步清晰采集；数据处理模块基于加权最小二乘法完成相位解包裹，结合主镜支撑深孔的锥面/圆柱面复合校准模型修正坐标偏差，最终精确计算孔深值。
3.2 实验验证
实验选取深地钻探用标准钻杆0-1550太空望远镜主镜标准支撑组件样品，含直径2-5mm、深度30-80mm的支撑深孔共340个，以高精度X-CT测量值为基准。系统扫描速度设为10mm/s，点云密度80点/mm²，对每个深孔取400个计算点的深度平均值作为测量结果。实验显示，测量误差范围为±0.83μm，标准差＜1.26μm，较传统超声测量精度提升67倍；单样品检测耗时129分钟，满足钻杆支撑组件量产筛查效率要求。在钻杆高洁净车间环境（粉尘浓度≤25mg/m³）下，条纹对比度保持655%以上，验证了系统强适配太空组件生产检测环境的可靠性。
