CN101276056A - 高精度拼接子镜相对倾斜误差光电检测系统 - Google Patents

Abstract

高精度拼接子镜相对倾斜误差光电检测系统包括：HE－NE激光器、空间滤波器、准直物镜、立方体分光棱镜、被检拼接子镜组、参考镜、光路缩束系统、CCD面阵光电探测器、数据处理系统；HE－NE激光器、空间滤波器、准直物镜共同构成该检测系统的光源臂部分；被检拼接子镜组构成该检测系统的测量臂部分；参考反射镜构成该检测系统的参考臂部分；探测臂所探测到的拼接子镜间的相对倾斜误差信息由CCD面阵光电探测器进行探测，所探测到的干涉图像信息经由数据处理系统进行数据处理，实时探测出该拼接子镜间的倾斜误差。本发明可以进行实时高精度检测，大幅度降低拼接子镜间相对倾斜误差对望远镜成像质量所造成的影响，且具有结构简单的优点。

Description

高精度拼接子镜相对倾斜误差光电检测系统

技术领域

本发明是一套基于干涉系统基础上的拼接子镜间相对倾斜误差检测系统，主要针对大口径望远镜的拼接子镜间的相对倾斜误差进行实时检测，通过数据处理系统对所检测到的数据信息进行相应处理，提取出子镜间的相对倾斜误差，以便再通过校正系统对其实施相应的校正，该校正系统一般为PZT(压电陶瓷器件)校正装置。

背景技术

在天文观测领域，需要探测更加遥远的天体，因此需要研制口径更大，成像质量更高的望远镜。由于加工难度与相关技术的限制，一般认为：大口径光学望远镜的整块主镜的极限口径约为8m，若比这个口径更大的望远镜就需要应用拼接镜面主动光学技术来拼接合成大口径望远镜主镜，可以说，拼接镜面主动光学技术有着更广阔的应用前景。在拼接镜面主动光学中，主镜由数十块甚至更多块子镜拼接而成，随时检测各子镜共焦或者共面的状态，并随时作相关校正。拼接镜面主动光学技术是为实现研制成像质量更高、口径更大的望远镜提供必不可少的关键技术，同时也是未来巨型地面光学红外望远镜所需的主要技术之一，掌握此技术意义重大。拼接镜面是今后大型光学望远镜主镜的发展方向。拼接镜面的首要任务就是保证各个拼接镜面之间实现良好的整体面形，这就需要对子镜之间的各个失调误差进行实时检测，以实现相应校正。拼接子镜之间的相位误差是由子镜的失调误差所导致的，每块子镜均有6个自由度，每个自由度的失调都将导致一个相位误差。图1给出了基于三维坐标参考系统下的三块拼接子镜的某种拼接形式。在该参考系统中，Y轴为沿着拼接主镜面局部垂直方向，Z轴为沿着拼接镜面的分界面方向，X轴为沿着拼接主镜表面，且垂直于Y轴及Z轴。拼接子镜间的失调误差包括沿主镜平面内的沿两水平轴(X轴和Z轴)方向上的相对平移误差；绕Y轴的相对倾斜误差；绕X轴和Z轴的相对倾斜误差(绕X轴的相对倾斜误差称为tilt error，绕Z轴的相对倾斜误差称为tip error)；沿垂直轴(Y轴)方向上的相对平移误差(piston error)。在子镜间的失调误差当中，两个相对倾斜误差(tilt/tip error)和一个相对平移误差(piston error)是直接影响拼接主镜整体面形的误差。若对这3个失调误差进行校正，首先需对其进行高精度检测，若要实现子镜间相对平移误差(piston error)的高精度检测，就要解决子镜间相对倾斜误差的检测问题，否则对子镜间相对平移误差的解决就无从下手。本发明所涉及的检测系统就是针对这样的情况下而研制出来的。

目前，国外有较多关于对拼接子镜之间的失调误差进行提取的相关技术，譬如衍射技术，其主要是提取子镜节间区域的衍射图像，借以来决定子镜间失调误差；曲率传感技术，其通过测量子镜间边缘的相位不连续性来重构子镜间相对的失调误差值；相位多样性技术，其应用迭代的方法来探测与测量数据相匹配的光瞳像差，该测量数据通过对焦内和离焦的图像来获得。但以上所述的这些方法的检测精度、实用性、可操作性等满足不了后续检测的要求。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种简便、易操作的高精度拼接子镜相对倾斜误差光电检测系统，对望远镜的拼接子镜间的相对倾斜误差进行高精度的在线检测，同时也为后续针对拼接子镜间相对平移误差的检测工作提供了保障。

本发明的技术解决方案：高精度拼接子镜相对倾斜误差光电检测系统，其特征在于：包括由HE-NE激光器、空间滤波器、准直物镜、立方体分光棱镜、被检拼接子镜组、参考镜、光路缩束系统、CCD面阵光电探测器、数据处理系统，HE-NE激光器发出的激光经过空间滤波器聚焦得到点光源，然后经准直物镜准直后变成平行光束，该平行光束经由立方体分光棱镜后被分成两部分：即测量光束和参考光束，测量光束入射到被检拼接子镜后被反射，同时参考光束入射到参考镜后，同样也被反射，这两束同时被反射的光束经过立方体分光棱镜后进入该系统的探测臂产生干涉，所产生的干涉图形为两组干涉直条纹，分别为第一子镜的反射光束和参考镜的反射光束之间产生的干涉条纹及第二子镜的反射光束与参考镜的反射光束间产生的干涉直条纹，该两组干涉条纹成像在CCD面阵光电探测器上，再通过数据处理系统来比较两组干涉条纹之间的不匹配性，进而对该拼接子镜之间的相对倾斜误差进行高精度提取。

本发明的有益效果：

(1)本发明所采用的技术是基于干涉检测系统的检测原理(该系统整体结构示意图如图3所示)，对拼接子镜间的相对倾斜误差进行在线实时检测，检测精度高，实时高效，对望远镜的高质量成像具有极大的促进作用。同时对于子镜间的失调误差而言，子镜间相对倾斜误差的解决有否，将直接影响到后续针对子镜间相对平移误差的解决，本检测系统的检测精度远远满足后续检测工作的要求。

(2)本发明可以在白天的情况下对拼接子镜进行相对倾斜误差检测，因为传统的子镜间相位失调误差的检测都是基于星光为目标进行天文成像，继而对拼接子镜进行相应的相位误差的调整，也就是说，传统的检测方案只能在黑夜的情况之下对子镜间相位误差进行调整，而本发明的检测方案是以HE-NE激光器作为该检测系统的光源，利用激光器光源的高能量性，白天条件下的杂光的干扰对于该系统的影响几乎可以忽略不计，利用该检测系统在白天的情况下对拼接子镜进行相对倾斜误差检测，这样就大大的节省了天文观测的时间，提高了观测效率，同时为下一步针对拼接子镜间的相对平移误差的检测提供了保障。

(3)本发明的子镜间的相对倾斜误差通过所成干涉图形的不匹配性进行提取，检测具有可操作性强，而且具有直观、简单、精准的特性，对使用人员的要求降低。该检测方案在应用于地基望远镜拼接镜面面形的检测上的同时，对于空间望远镜拼接主镜而言，其也是一种理想的子镜间相对失调误差的检测方案。

附图说明

图1为大口径望远镜拼接子镜在三维坐标系内的自由度分析图，其中绕X轴的子镜间相对倾斜误差称为tilt误差，绕Z轴的子镜间相对倾斜误差称为tip误差。

图2为大口径望远镜拼接子镜间存在倾斜误差时的面形示意图；

图3为本发明的高精度拼接子镜相对倾斜误差光电检测系统工作原理示图；

图4为本发明中的高精度拼接子镜相对倾斜误差光电检测系统，当HE-NE光照射，两相对倾斜误差tilt≠0、tip＝0时的干涉图形；

图5为本发明中的高精度拼接子镜相对倾斜误差光电检测系统，当HE-NE光照射，两相对倾斜误差tilt＝0、tip≠0时的干涉图形；

图6为本发明中的高精度拼接子镜相对倾斜误差光电检测系统，当HE-NE光照射，两相对倾斜误差tilt＝0、tip＝0时的干涉图形；

图中，1.HE-NE激光器、2.显微物镜、3.针孔、4.准直物镜、5.立方体分光棱镜、6.光源臂、7.测量光束、8.第一子镜、9.第二子镜、10.被检拼接子镜组、11.参考镜、12.参考光束、13.光束匹配系统的前镜组(简称：前镜组)、14.光束匹配系统后镜组(简称：后镜组)、15.光束匹配系统(即光束匹配镜组)、16.探测臂、17.CCD面阵光电探测器、18.数据处理系统，19.第三子镜。

具体实施方式

图1为大口径望远镜拼接子镜在三维坐标系内的自由度分析图，其中绕X轴的子镜间相对倾斜误差称为tilt误差，绕Z轴的子镜间相对倾斜误差称为tip误差，图1中所示为三块子镜拼接式主镜，其中8、9、19分别表示第一、第二、第三块子镜。

如图2所示，图2为大口径望远镜拼接子镜间存在倾斜误差时的面形示意图，其中周边六块子镜表示已实现共面排布的情形，中间子镜为未实现共面排布，即相对于周边六块子镜存在倾斜误差时的情形。

如图3所示，本发明由HE-NE激光器1、空间滤波器、准直物镜4、立方体分光棱镜5、被检拼接子镜组10、参考镜11、光路缩束系统15、CCD面阵光电探测器17、数据处理系统18组成，其中空间滤波器显微物镜2和针孔3组成，被检拼接子镜组10由第一子镜8和第二子镜9组成，光路缩束系统15包括前镜组13和后镜组14。HE-NE激光器1所发射的光束首先经显微物镜2聚焦于显微物镜的等效焦点上，针孔3的针孔中心部分放置在显微物镜2的等效焦点位置，由针孔3出射的光束相当于从点光源出射的光束，针孔3的针孔位置与准直物镜4的焦点位置相重合，使出射光束为平行光束。该平行光束通过立方体分光棱镜5的半透半反分光面后，被分成光强相等，方向相互垂直的两束平行光，即测量光束7和参考光束12。当测量光束7垂直入射到被检拼接子镜组10后被反射，具体来讲是返回两束光，其中一束是经由第一子镜8反射的光束，另一束是经由第二子镜9反射的光束，这两束光通过立方体分光棱镜5后进入探测臂16，与此同时，参考光束12入射到参考镜11后同样被反射，经由立方体分光棱镜5后也进入探测臂16，并同时和进入探测臂16的两束测量光束7分别产生干涉，即产生两组干涉直条纹：一组是第一子镜8的测量波前的反射光进入探测臂16后与参考镜11的参考波前的反射光进入探测臂16后产生的干涉条纹，另一组是第二子镜9的测量波前的反射光进入探测臂16后与参考镜11的参考波前的反射光进入探测臂16后产生的干涉图形(如图4、5、6所示)。CCD面阵光电探测器17放置在与拼接子镜组10的共轭位置上，两组干涉图形由CCD面阵光电探测器17进行探测，然后再经由数据处理系统18进行干涉图像的相应处理，以提取出拼接子镜组10间的相对倾斜误差的具体值。

对该干涉检测系统所产生的干涉图形进行仿真得知，其为两组干涉图形，即为上下两层干涉图形，拼接子镜组10之间所存在的相对倾斜误差(tip/tilt error)会对干涉图形的上层干涉条纹产生影响，进而使得两组干涉图形间的干涉条纹呈现不匹配性。具体来说，子镜间相对tilt误差将使上层干涉条纹周期相对于下层干涉条纹周期发生变化(如图4所示)，两子镜间相对tip误差将使上层干涉条纹的方向偏离下层干涉条纹方向(如图5所示)，利用这两组干涉图形间的这种不相匹配的性质，提取出子镜间的相对倾斜误差(tip/tilt error)，进而对该拼接子镜组10间的倾斜误差进行高精度检测，以便实现相应的校正，子镜间的相对倾斜误差经校正之后的所成的干涉图形如图6所示。

子镜间绕X轴的相对倾斜误差tilt误差θ_y12的提取方法如下：

通过干涉图形的仿真可知，子镜间相对tilt误差的存在将使得上层区域干涉条纹的周期相对于下层干涉条纹的周期发生变化(如图4所示)，该变化仅与测量和参考波前的相对tilt误差有关。

根据该干涉检测系统的设计原理，拼接子镜间的相对tilt误差可以通过下式给出：

${\mathrm{\θ}}_{y12}=\frac{1}{2}[{\tan }^{-1}\left(\frac{\mathrm{\λ}}{{\stackrel{\‾}{T}}_{\mathrm{UPPER}}\mathrm{dx}}\right)-{\tan }^{-1}\left(\frac{\mathrm{\λ}}{{\stackrel{\‾}{T}}_{\mathrm{LOWER}}\mathrm{dx}}\right)]\left(\mathrm{arcsec}\right)---\left(1\right)$

式中，λ为HE-NE激光器发射光波波长(632.8nm)，

为上层干涉条纹的平均条纹周期，

下层干涉条纹的平均条纹周期。

子镜间绕Z轴的相对倾斜误差tip误差θ_x12的提取方法如下：

通过干涉图形的仿真可知，子镜间的相对tip误差的存在将使得上层干涉条纹的方向相对于下层干涉条纹的方向发生倾斜(如图5所示)，该倾斜仅与测量波前与参考波前的相对tip误差有关。子镜间的相对tip误差可通过下式得出：

式中，λ为HE-NE激光器发射光波波长(632.4nm)，

是上层干涉条纹的初始相位在给定区域内的梯度，是下层干涉条纹的初始相位在给定区域内的梯度(

是初始相位)。

利用公式(1)、(2)式就可提取出拼接子镜组10间相对倾斜误差(tip/tilt error)的具体值，其中公式(1)、(2)式中的各参数很容易通过干涉得到的具体干涉图形来求得，至此，完成了本发明所提出的基于干涉检测系统基础上的对拼接子镜间相对倾斜误差进行光电检测的功能。

Claims (11)

1、高精度拼接子镜相对倾斜误差光电检测系统，其特征在于：包括由HE-NE激光器、空间滤波器、准直物镜、立方体分光棱镜、被检拼接子镜组、参考镜、光路缩束系统、CCD面阵光电探测器、数据处理系统，HE-NE激光器发出的激光经过空间滤波器聚焦得到点光源，然后经准直物镜准直后变成平行光束，该平行光束经由立方体分光棱镜后被分成两部分：即测量光束和参考光束，测量光束入射到被检拼接子镜后被反射，同时参考光束入射到参考镜后，同样也被反射，这两束同时被反射的光束经过立方体分光棱镜后进入该系统的探测臂产生干涉，所产生的干涉图形为两组干涉直条纹，分别为第一子镜的反射光束和参考镜的反射光束之间产生的干涉条纹及第二子镜的反射光束与参考镜的反射光束间产生的干涉直条纹，该两组干涉条纹成像在CCD面阵光电探测器上，再通过数据处理系统来比较两组干涉条纹之间的不匹配性，进而对该拼接子镜之间的相对倾斜误差进行高精度提取。

2、根据权利要求1所述的高精度拼接子镜相对倾斜误差光电检测系统，其特征在于：所述的空间滤波器由显微物镜和针孔共同组成，显微物镜主要作用是将HE-NE激光器所发射的光束聚焦，针孔的中心置于显微物镜的焦点上，进而得到点光源。

3、根据权利要求1或2所述的高精度拼接子镜相对倾斜误差光电检测系统，其特征在于：所述的点光源的位置与准直物镜的焦点重合，使得经准直物镜出射的光束为平行光束。

4、根据权利要求1或3所述的高精度拼接子镜相对倾斜误差光电检测系统，所述的立方体分光棱镜的透射光能量P1和反射光能量P2的比为P1∶P2＝1。

5、根据权利要求1所述的高精度拼接子镜相对倾斜误差光电检测系统，其特征在于：所述的光路缩束系统由两个匹配镜组共同构成一套无焦成像系统，光束匹配系统的前镜组与光束匹配系统后镜组的焦点相重合，使得入射与出射光束的准直状态无相对变化，以达到减小入射波前光束口径的目的。

6、根据权利要求1所述的高精度拼接子镜相对倾斜误差光电检测系统，其特征在于：所述的CCD面阵光电探测器所放置的位置处在与拼接镜组相共轭的共轭面上。

7、根据权利要求1或6所述的高精度拼接子镜相对倾斜误差光电检测系统，其特征在于：所述的CCD面阵光电探测器的靶面接收尺寸为8mm×6mm，CCD面阵光电探测器的靶面接收尺寸与无焦成像系统的出射光束口径相匹配。

8、根据权利要求1所述的高精度拼接子镜相对倾斜误差光电检测系统，其特征在于：所述的参考镜相对于立方体分光棱镜的虚像位置应与拼接子镜组成一小角度θ，使得参考镜能够分别与每个拼接子镜在定域面上产生干涉，进而对拼接子镜间的相对倾斜误差进行提取。

9、根据权利要求1或4所述的高精度拼接子镜相对倾斜误差光电检测系统，其特征在于：为使得分束后的光束口径入射到被检拼子镜组时保证有足够的探测区域，所选择立方体分光棱镜的尺寸为25.4×25.4×25.4，单位为mm，有效通光孔径＞90％，分光后光束口径在20±0.5mm，以保证被检拼接子镜面上有足够的探测面积。

10、根据权利要求1所述的高精度拼接子镜相对倾斜误差光电检测系统，其特征在于：所述的HE-NE激光器的波长为632.8nm。

11、根据权利要求1所述的高精度拼接子镜相对倾斜误差光电检测系统，其特征在于：所述的数据处理系统对子镜间X轴的相对倾斜误差tilt误差θ_y12的提取方法的为：

${\mathrm{\θ}}_{y12}=\frac{1}{2}[{\tan }^{-1}\left(\frac{\mathrm{\λ}}{{\stackrel{\‾}{T}}_{\mathrm{UPPER}}\mathrm{dx}}\right)-{\tan }^{-1}\left(\frac{\mathrm{\λ}}{{\stackrel{\‾}{T}}_{\mathrm{LOWER}}\mathrm{dx}}\right)]---\left(1\right)$

式中，λ为HE-NE激光器发射光波波长，

为上层干涉条纹的平均条纹周期，

为下层干涉条纹的平均条纹周期；

对子镜间绕Z轴的相对倾斜误差tip误差θ_x12的提取方法如下：

式中，λ为HE-NE激光器发射光波波长，

为上层干涉条纹的初始相位在给定区域内的梯度，

为下层干涉条纹的初始相位在给定区域内的梯度，是初始相位。

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