基于光刻针孔掩模的高精度天体测量几何畸变校准

自适应光学（AO）系统若具备稳定且经过良好校准的几何光学畸变，可提供高分辨率图像，非常适合精确测量恒星位置（即天体测量）。配备背照式针孔掩模的校准单元可用于测量仪器光学畸变。最大地面望远镜上的 AO 系统，如 W. M. Keck 天文台和 Thirty Meter Telescope，要求针孔位置精度达 20 nm，以实现 0.001 个分辨单元的星测精度。我们对光刻针孔掩模进行了表征，并探究了不同实验装置所产生的系统误差。我们利用该掩模表征了一个简单成像系统的非线性几何畸变；测得光学畸变 RMS 为 857 nm，最终残差为 39 nm（相当于 TMT 的 20 μas）。我们使用六阶二元 Legendre 多项式对光学畸变建模，并允许各个针孔的参考位置变化。在 1788 mm² 面积上，针孔图案相对于方形图案制造设计的非线性偏差为 47.2 nm ± 4.5 nm（随机）± 10.8 nm（系统）。这些偏差反映了在假设针孔掩模制造为完美方形时所引入的附加误差。我们还发现，有序掩模畸变比随机掩模畸变更难表征，因为有序畸变会混叠到光学相机畸变中。未来的天体测量校准单元设计仿真应包含有序掩模畸变。我们得出结论：光刻针孔掩模优于第一代 AO 系统中部署的针孔掩模 10 倍以上，足以满足即将到来的三十米级望远镜的畸变校准要求。