1 研究背景和意义
随着近代光学的发展，天文科学家们希望各种地基或天基望远镜的观测距离
更远、可观测目标的尺寸更小，而通过增大望远镜的通光口径，可以使望远镜拥
有更强的聚光能力以及更高的分辨率，从而满足望远镜对远距离小目标的探测分 辨。望远镜也从最初的主镜通光口径只有几厘米发展到现在的百米以上，这一过
程极大推动了人们对天体及宇宙的了解和认知，并取得了重要的科研成果[1,2]。大口径望远镜的研发是一个包含了众多学科的系统工程，单望远镜系统而言，离不开光学，机械，电子学，探测器及图像处理等；而根据望远镜需要探测的目标群体出发，则需要综合考虑选址地的气象环境，基建条件，地理交通及后期的维护成本等因素[3,4]。由此可见，现代大型光学望远镜的建设不仅是一个国家最高科技力量的体现，同时也是综合国力的体现，目前国内外有名的望远镜系统均是多国联合研制完成。
根据瑞利判据可知，当波长一定时，望远镜的空间分辨能力与望远镜的口径成正比，因此望远镜的口径越大，望远镜的空间分辨能力越强[5]。目前，随着对天文望远镜探测能力要求的提高，望远镜的口径不断增大，下一代的大型及超大型望远镜的主镜口径一般都大于10m[6]。但由于制造技术、加工成本、风险因素等方面的原因，单块口径的光学望远镜不能无限增大。目前单块光学望远镜主镜口径极限为8.4m。若要制造更大口径的光学望远镜，就需用拼接的方法，如 KECKⅠ、KECKⅡ、GTC、TMT、E-ELT等都采用了拼接的方法[7]。但是使用拼接镜技术会带来许多新的挑，其中最主要的就是各子镜间的平移误差（piston）的检测问题．只有当拼接镜共相时，才能达到与相同口径的单镜面主镜系统同样的成像质量．相邻两子镜间的piston误差需达到100micro;m 以内，为了使拼接式望远镜得到良好的像质，系统的piston误差需要控制在100nm以内[8]，因此拼接镜的共相测量需要兼顾量程和精度。
子镜的拼接误差主要包括：沿着Z轴的平移和旋转，沿Y轴和X轴平移和旋转，各个方向自由度误差都会引起系统像质的下降[9]，其中沿Z轴平移运动造成的平移误差与绕Y和X轴旋转造成的倾斜误差对拼接镜成像质量影响最大[10]。目前，国外 Chanan G等[11-14]通过拼接主镜的孔径函数和点扩展函数（PSF）分析了各类误差对拼接镜成像质量的影响，但都没有分析存在多种误差下，拼接镜成像质量的变化情况，也未对边缘误差与拼接子镜口径的关系进行分析。在国内，针对光学合成孔径系统的误差和共相检测问题已经进行了广泛的分析和研究[15-19]，但对拼接式主镜的误差对拼接镜成像质量影响的分析研究较少。
目前测量子镜之间piston误差的方法有多种，如相位差法、曲率传感技术法、宽窄带夏克哈特曼法、四棱锥波前探测器法、色散瑞利干涉法、色散条纹干涉法和双波长检测法等。欧洲南方天文台对基于四棱锥波前传感器的共相检测方法做了大量的研究与分析[20]，该方法测量精度高，对平移误差的测量精度达到了5.7 nm，但只能测量一个波长范围内的平移误差，测量范围小[20,21]。美国加州大学的Chanan等针对Keck望远镜提出了宽带夏克-哈特曼法(BSH)和窄带夏克-哈特曼法(NSH)，在BSH方法中，根据测量范围和精度要求，需选择不同带宽的滤光片，且需进行高精度扫描标定零相位误差的位置，后期数据处理计算量很大，测量精度仅为60 nm[22]。在NSH方法中， 仅需一次曝光，不需要移动探测器, 测量精度高达12 nm，但其测量范围很小，约为一个波长[23]。加州理工大学的科研人员提出了色散条纹法，仿真计算和实验结果表明该方法的测量范围大，测量精度优于0.1 micro;m，当绝对平移误差小于半个波长时, 该方法失效[24,25]。
国内在现阶段除了大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜（LAMOST）采用了拼接镜面主动光学技术，其他主要集中在实验室研究阶段；检测手段主要采用相位差异法、相位恢复法以及色散条纹传感技术等。2000年，苏定强等采用特殊球径仪和夏克哈特曼窄带法结合的方法，完成了拼接镜共相检测的室内实验，并实现了子镜间的共焦与共相[26]。2010年，林旭东等采用特殊球径仪、白光斐索干涉和夏克哈特曼窄带法结合的方法，完成了拼接镜共相检测的室内实验[27]。但是采用球径仪的方法需接触拼接子镜镜面，会对镜面带来一定的损伤，且球径仪调节需人工操作，这将非常耗时，对工人技术要求也高。目前，中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所基于色散条纹传感器在plusmn;15micro;m测量范围内实现了20nm的检测精度[28]，但当平移绝对误差在半个波长以内时, 该色散条纹传感器失效, 必须借助于其他的检测方法才能实现测量。在大双筒望远镜(large binocular telescope, LBT)中, Straubmeier等设计了一套称为“条纹曲率跟踪系统”(fringe and flexure tracking system, FFTS)的装置用来检测两望远镜间的平移误差。用单色光进行实验时, 获得了约lambda;/25 的标定精度。在此基础之上, Moser团队[29]对FFTS做了进一步模拟分析与优化, 初步实验研究获得了0.04lambda;的闭环校正精度, 目前该方法还处于实验室研究阶段, 对于2pi; 模糊性问题未做探讨与研究。刘政等[30]提出了一种基于远场相似度原理的稀疏光学合成孔径系统共相探测新方法, 目前只在一个波长探测范围内对该方法进行了实验验证, 能否彻底解决2pi;模糊性问题以及确定该方法真实的测量范围还有待进一步的深入分析与实验验证[31]。罗群等[32]将相位差法应用于平移误差检测, 取得了lambda;/20的检测精度，但相位差法测量范围小，在一个波长范围内。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所依据相位差法的基本原理，通过在球面镜上放置两个合成口径分别为200mm和50mm的拼接光阑进行模拟拼接实验，通过优化计算得到台阶误差分别小于25nm和1nm[33]。
2 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）
为了实现拼接式主镜各子镜的共相，各国科研人员做了大量的基础研究，提 出了多种有效的检测方法。就目前而言检测方法大体上可以分为电学检测方法和光学检测方法。
电容传感器是一种将其他量（位移，力，速度等）的变化以电容的变化形式
