CN101344640A

CN101344640A - 一种自适应光学系统中的夏克-哈特曼波前传感器

Info

Publication number: CN101344640A
Application number: CNA2008101195637A
Authority: CN
Inventors: 张昂; 饶长辉; 张雨东; 姜文汉
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2008-09-03
Filing date: 2008-09-03
Publication date: 2009-01-14

Abstract

一种自适应光学系统中的夏克－哈特曼波前传感器，适用于甚大口径天文望远镜；包括缩束系统、阵列透镜，其特征在于：还引入了分束系统、至少两套耦合物镜、至少两套CCD探测器和一套信号同步采集系统；波前信息在经阵列透镜划分为子波前阵列后由分束系统在空间上将子波前阵列分割成为至少两个子区域，每个子区域用一套耦合物镜和一套CCD探测器进行斜率探测，各子区域波前信息由信号同步采集系统采集和处理，所得斜率进行组合后复原得到完整的波前相位分布；通过至少两套探测器并行的工作方式，降低了对CCD探测器件的性能要求，有效地克服探测子孔径过多对CCD探测器提出的不可逾越的技术难题；对分束系统加工和装调中不易克服的倾斜误差和光程整体误差不敏感，不增加传感器系统复杂度。

Description

一种自适应光学系统中的夏克-哈特曼波前传感器

技术领域

本发明涉及一种夏克-哈特曼波前传感器，特别涉及一种应用于甚大口径天文望远镜自适应光学系统中的夏克-哈特曼波前传感器。

背景技术

自适应光学技术于二十世纪五十年代提出，随后得到了迅速发展。由最初的军事应用阶段，并逐步发展到天文观测应用领域。由于自适应光学系统有效地校正了大气湍流的影响，世界上几乎所有的大口径天文望远镜都配备了自适应光学系统。

由于自适应光学技术的成功应用，使得大口径天文望远镜的潜力得到充分发挥。目前，世界上运行中的最大口径天文望远镜为10m级。天文学家们并不满足于此，各国天文学界开展了大量针对口径为20m以上的甚大口径天文望远镜(Extremely Large Telescope，ELT)的研究工作(参见Warren B.Davison etc.；Mechanical concepts for 30 m class telescopes；Proc.SPIE Vol.4840，p.206-213；R.Gilmozzi，J.Spyromilio；The European Extremely LargeTelescope(E-ELT)；Telescopes and Instrumentation，March，2007)。在中国，苏定强等人进行了大量30m级望远镜的研究工作，并提出了30m级望远镜(Chinese Future Giant Telescope，CFGT)的设计方案(参见苏定强等，一个巨型望远镜方案；天文学报，Vol.45 No.1，Feb，2004)。

自适应光学系统将成为甚大口径天文望远镜不可或缺的组成部分，也对自适应光学技术提出了新的挑战。天文望远镜中自适应光学系统子孔径数与口径平方成正比，也就是说，若1.2m望远镜自适应光学系统子孔径数为81个，则30m望远镜自适应光学系统所需子孔径数约为40000个。若以每个子孔径4×4个探测像素的最低要求进行计算，其CCD探测器靶面像素数不低于800×800。要求如此多像素的CCD探测器在采样频率不低于1000Hz的情况下对动态像差进行测量，具有不可逾越的技术难度。因此应用于甚大口径天文望远镜自适应光学系统中的夏克-哈特曼波前传感器需要解决的关键问题是要求CCD探测器像素数大量增加和采样频率居高不下之间的矛盾。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服甚大口径天文望远镜自适应光学系统波前探测器对CCD器件的苛刻要求，首次在动态像差测量夏克-哈特曼波前传感器中引入了分束系统、至少两套耦合物镜、至少两套CCD探测器和一套信号同步采集系统，依赖于相对较低探测性能的CCD探测器，有效地克服了探测子孔径过多对CCD探测器提出的不可逾越的技术难题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种自适应光学系统中的夏克-哈特曼波前传感器，适用于甚大口径天文望远镜系统；包括缩束系统、阵列透镜，其特征在于：还引入了分束系统、至少两套耦合物镜、至少两套CCD探测器和一套信号同步采集系统；波前信息首先经过缩束系统，然后由阵列透镜将波前划分为子波前阵列，再利用分束系统对子波前阵列进行空间分割，子波前被分割为至少两个子区域后，每个子区域的波前信息由一套耦合物镜和一套CCD探测器进行探测，所有子区域CCD探测器并行工作，信号同步采集系统对所有CCD探测器信号进行同步采集和处理，所得斜率进行组合后复原得到完整的波前相位分布。

所述分束系统由至少两个反射面组成，或者为等效的光学系统。

所述分束系统对波前子区域的划分数量可以为大于1的任何整数，需要根据子孔径分布情况和CCD探测器的性能进行确定。

所述的CCD探测器，也可以为ICCD探测器，或二者的组合，不同子区域的CCD探测器在保证有相同采样频率的前提下可以有不同的性能。

所述阵列透镜可以为模具热印技术、二元光学等可能技术加工的波前分割阵列透镜。

所述的夏克-哈特曼波前传感器也可用于静态像差测量，显著提高探测空间分辨率却不增加系统复杂度。

本发明的原理是：本发明利用分束系统对经过阵列透镜之后的波前进行空间划分，利用至少两个CCD探测器进行并行探测，单个CCD探测器只探测其中的一部分区域，所有CCD探测器信号都由信号同步采集系统进行采集和处理，保证了波前相位探测的可靠性。这样一来，在保证CCD探测器工作频率的情况下，大幅度降低对探测靶面大小的要求。比如将波面划分为4个子区域，对单个CCD探测器探测靶面像素数的要求则由800×800降低为400×400，相应的CCD探测器技术难度得到有效降低，也相当于将已有的CCD探测能力扩充了4倍。因此，本发明可以克服CCD探测器性能的限制，利用现有或者可以预见的技术发展适用于甚大口径天文望远镜的自适应光学系统。

本发明在引入分束系统、至少两套耦合物镜和至少两套CCD探测器的同时会引入倾斜误差，在系统装调阶段可以将其消除。另外，由于系统中采用了至少两套CCD探测器，各个探测器可能由于调整误差绕各自光轴旋转，由此将带来探测误差。消除此类旋转引起的误差需要采用如下循环步骤：

①利用平行光作为光源，并采集所有子区域光斑图像，以此斜率作为标定中心。

②光路中(阵列透镜之前)加入一定量斜率(只沿X或Y方向)，并采集所有子区域光斑图像，计算光斑质心位置。按照计算结果旋转CCD探测器，以消除Y或者X方向的斜率分量。

③重复以上步骤，直到干扰斜率项完全消除。

反复进行以上三个步骤，可以消除绕光轴旋转引起的误差，不增加系统的复杂度和探测误差。

另外，即使在CCD探测器技术得到发展，单个CCD器件就可以满足甚大口径天文望远镜自适应光学系统的探测要求时，本发明可以用来降低系统的成本。并且，利用本发明原理，可以进一步扩展波前探测能力。本发明还可以用于静态像差测量，进一步提高其空间分辨率。

本发明与现有技术相比有如下优点：

(1)本发明采用分束系统，将探测波前进行空间划分，采用相对较低性能的CCD探测器实现甚大口径天文望远镜自适应光学系统的波前探测，成功克服了CCD探测器技术瓶颈对系统开发的限制；

(2)本发明提出的空间划分的思想，在CCD技术得到发展后仍然可以用来降低系统研制成本和进一步扩展波前探测能力；

(3)本发明可以用于静态像差的探测，有效提高其空间分辨率；

(4)本发明在解决技术瓶颈的同时，不增加系统的复杂度，不引入新的探测误差。

附图说明

图1为应用于甚大口径天文望远镜自适应光学系统中的夏克-哈特曼波前传感器系统框图；

图2为本发明中分束系统的原理框图；

图3为本发明中分束镜示意图，左图所示分束镜可以将探测波前分割成为4个子区域，右图所示分束镜可以将探测波前分割成为2个子区域，并需要与不同数量的平面反射镜进行配合构成分束系统。根据划分需求的不同，可以设计出不同的分束系统。多极分束系统可以串联工作；

图4为本发明中子孔径分割示意图；其中四方形子孔径排布可以分为2，4等不同数量子区域；三角形排布则可以分为3个子区域进行探测；

图5为CCD探测器绕光轴误差示意图；

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

本实施例的一种应用于甚大口径天文望远镜自适应光学系统中的夏克-哈特曼波前传感器如图1所示，由缩束系统、阵列透镜、分束系统、两套耦合物镜、两套CCD探测器和一套信号同步采集系统组成。本实施例中分束系统由一个分束镜和两面反射镜组成，将探测波前在空间上划分为两个子区域。探测波前的每一个子区域利用较少像素数的CCD探测器完成探测，信号同步采集系统对两套CCD探测器信号进行同步采集和处理。

阵列透镜是夏克-哈特曼波前传感器中所必须的组成部分，本发明中所使用阵列透镜不受加工工艺限制。现有典型技术比如模具热印技术、二元光学等技术加工得到的阵列透镜均能用于本发明中。

分束系统为本发明中所引入的特有系统，其本质为至少两个成一定角度的反射系统，其功能为实现波前的空间划分，图2为分束系统的工作原理示意图。经分束系统后，探测波前在空间上被划分为至少两个子区域。在实际应用中，根据CCD探测器技术参数和阵列透镜子孔径排布方式将波前划分为适用的子区域数。例如，波前子孔径数为64×64，子孔径按四方形排布，要求每个子孔径CCD探测像素数为4×4；能满足各项探测性能要求的CCD探测器靶面像素数为128×128；于是需要设计出将波前划分为4个子区域的分束系统。若能满足探测性能要求的CCD探测器靶面像素数为128×256，则需要设计出将波前划分为2个子区域的分束系统。图3为将波前划分为2个和4个子区域的分束镜示意图。另外，子孔径排布若为三角形，分束系统需要根据CCD探测器的靶面像素数将波前划分为3的整数倍子区域数。图4所示为将波前在空间划分为2，4和3个子区域的子孔径分割方法示意图。经分析表明，在图1所示的实施例中反射镜和分束镜的对应反射面之间的平行度要求不高，这是因为二者之间不平行所带来的倾斜误差可以利用平行光源和调整CCD探测器的角度消除掉。

探测波前经分束系统后各子区域分别由对应的CCD探测器进行探测。在弱光探测应用中，若CCD不能满足量子效率要求，还可以利用ICCD探测器。技术上来讲，可以在不同探测子区域中采用CCD和ICCD组合进行探测。不同子区域探测器有相同的采样频率是必要条件。

信号同步采集系统为本发明中引入的特有系统，其功能为将所有探测子区域的CCD探测器信号进行同步采集和处理。信号同步采集系统需要根据实际应用要求进行设计开发。

一般来讲，不同的CCD探测器都会有不同的噪声水平，根据CCD探测器噪声处理方法可知，只要针对每个CCD探测器信号进行3σ(σ为CCD探测器的噪声水平)阈值处理，就可以消除不同误差水平带来的信号差异。

除开由于分束系统带来的误差之外，不同探测子区域CCD探测器之间的位置关系也会带来一定的误差，尤其是装调中产生的CCD探测器绕光轴方向的旋转，称之为绕光轴旋转误差。图5为CCD探测器产生绕光轴旋转之后单个子孔径内像素示意图。其中虚线为像素正确位置，实线为产生旋转之后的CCD像素。图中箭头所示的正确斜率为(0，3)，而产生绕光轴旋转之后，其测得斜率为(1，2)，因此产生了误差。绕光轴旋转误差可以通过以下步骤消除：

③重复以上步骤，直到干扰斜率项完全消除。

本发明出发点在于解决夏克-哈特曼波前传感器子孔径数增多和采样频率增加之间的技术难题，其应用重点在于甚大口径天文望远镜自适应光学系统中。另外，在采样频率较高时，至少两套较小靶面CCD探测器较单个大靶面CCD探测器件成本低。因此，即使技术发展到能够利用单个CCD探测器完成探测，采用本发明方案仍可以降低系统开发成本或者进一步扩展探测能力。本发明完全可以用于静态像差测量中，应用已有技术，显著提高空间分辨率。

分析表明，分束镜各反射面角度误差和系统调整误差主要带来波前倾斜误差，可以利用标定进行消除；各个探测器绕光轴旋转不同角度带来的误差可以通过循环步骤进行消除；不同CCD探测器读出噪声误差的影响可以通过阈值处理技术进行消除。因此本发明不引入额外的探测误差，也不增加系统装调复杂度。

Claims

1、一种自适应光学系统中的夏克-哈特曼波前传感器，适用于甚大口径天文望远镜系统；包括缩束系统、阵列透镜，其特征在于：还引入了分束系统、至少两套耦合物镜、至少两套CCD探测器和一套信号同步采集系统；波前信息首先经过缩束系统，然后由阵列透镜将波前划分为子波前阵列，再利用分束系统对子波前阵列进行空间分割，子波前被分割为至少两个子区域后，每个子区域的波前信息由一套耦合物镜和一套CCD探测器进行探测，所有子区域CCD探测器并行工作，信号同步采集系统对所有CCD探测器信号进行同步采集和处理，所得斜率进行组合后复原得到完整的波前相位分布。

2、根据权利要求1所述的一种自适应光学系统中的夏克-哈特曼波前传感器，其特征在于：分束系统由至少两个反射面组成，或者为等效的光学系统。

3、根据权利要求1所述的一种自适应光学系统中的夏克-哈特曼波前传感器，其特征在于：分束系统对波前子区域的划分数量可以为大于1的任何整数，需要根据子孔径分布情况和CCD探测器的性能进行确定。

4、根据权利要求1所述的一种自适应光学系统中的夏克-哈特曼波前传感器，其特征在于：所述的CCD探测器，也可以为ICCD探测器，或二者的组合，不同子区域的CCD探测器在保证有相同采样频率的前提下可以有不同的性能。

5、根据权利要求1所述的一种自适应光学系统中的夏克-哈特曼波前传感器，其特征在于：其阵列透镜可以为模具热印技术、二元光学等可能技术加工的波前分割阵列透镜。

6、根据权利要求1所述的一种自适应光学系统中的夏克-哈特曼波前传感器，其特征在于：所述的夏克-哈特曼波前传感器也可用于静态像差测量，显著提高探测空间分辨率却不增加系统复杂度。