CN103630250B - 一种能自适应校正装调误差的四象限倾斜跟踪传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能自适应校正装调误差的四象限倾斜跟踪传感器，包括波前倾斜校正器、成像透镜、四象限探测器、斜率计算器和自校正处理机，其特征在于：在传统的四象限倾斜跟踪传感器中加入了波前倾斜校正器和自校正处理器，通过自校正回路闭环工作校正四象限倾斜跟踪传感器的装配误差，并保持自校正处理机的输出电压不变，最后在波前倾斜校正器前输入待测波前，通过四象限探测器和斜率计算器测量待测波前的整体斜率。本发明能够校正传统四象限倾斜跟踪传感器的装配误差，为四象限倾斜跟踪传感器高精度测量待测波前整体斜率提供了条件。

Description

一种能自适应校正装调误差的四象限倾斜跟踪传感器

技术领域

本发明涉及一种四象限倾斜跟踪传感器，特别是一种能自适应校正装调误差的四象限倾斜跟踪传感器。

背景技术

天文望远镜是观测天体的重要手段，没有天文望远镜的诞生和发展，就没有现代天文学。目前，随着天文望远镜各方面性能的改进和提高，天文学也正经历着巨大的飞跃，迅速推进着人类对宇宙的认识，从而帮助人类对自身和社会的认识。

由于天体发出的平面波需要透过20千米的大气湍流层这一随机信道后才能被望远镜接收，大气湍流在时间和空间的不稳定会造成平面波扭曲，导致天文望远镜在成像过程中的相位错误，从而影响天文望远镜的角分辨率。1953年，H.W.Babcock提出了能够动态补偿由大气湍流或其他因素造成的成像过程中波前畸变的自适应光学技术，其核心就是使光学系统具有自动适应环境变化，克服动态扰动，保持理想性能的能力。

在光波波前相位误差中，波前整体倾斜占全部相位误差的87%左右，通常采用波前倾斜校正系统来消除由于波前整体倾斜引起的天体目标图像抖动。波前倾斜校正系统通常由波前倾斜传感器、波前倾斜处理机和倾斜镜三部分组成，其中波前倾斜传感器用于测量目标波前的波前倾斜量。由于四象限探测器具有高帧频、高灵敏度和低噪声的特点，因此通常将四象限探测器、成像透镜和斜率计算器结合起来形成四象限波前倾斜跟踪传感器，并应用在波前倾斜校正系统中提供待测波前的整体斜率量

根据文献（马晓燠，郑翰清，饶长辉，“自适应光学系统中哈特曼波前传感器光斑质心的最佳标定位置”光电工程，2009年，V36（4），22-26）的结论，当且仅当标准平面波经过成像透镜形成的光斑质心位于四象限探测器的原点位置时，四象限倾斜跟踪探测器具有无采样误差、最大灵敏度和最大开环动态范围的特点，因此四象限倾斜探测器的基准位置必须在四象限探测器的原点。又根据天文望远镜的成像要求，倾斜跟踪传感器的探测精度必须达到亚波长量级，因此四象限探测器的装调精度就要求达到亚微米量级。

四象限倾斜跟踪传感器一般由成像透镜、四象限探测器和斜率计算器组成，其中四象限探测器的光敏面与成像透镜的焦面重合，四象限探测器的原点成像透镜的焦点重合。四象限倾斜跟踪传感器工作原理是：当待测波前的整体倾斜不为0时，待测波前经过成像透镜后形成的光斑的质心会偏离四象限探测器的原点，从而使四象限探测器的四路输出信号不相等，利用质心计算公式（如式1所示），斜率计算器可以计算出光斑的质心偏移量。

$x_c=\frac{(S_1+S_4)-(S_2+S_3)}{S_1+S_2+S_3+S_4},y_c=\frac{(S_1+S_2)-(S_3+S_4)}{S_1+S_2+S_3+S_4}---\left(1\right)$

其中，S_i表示四象限探测器的第i象限的输出信号。

当光斑在四象限探测器的光敏面内的线性区域移动时，由式1计算得到的x_c和y_c的取值范围是[-1,+1]。采用位移系数k_c可以将光斑质心位置的计算值(x_c,y_c)还原为光斑的真实质心位置(x₀,y₀)，即：

x₀＝k_c·x_c,y₀＝k_c·y_c（2）

所以斜率计算器在计算得到光斑的质心偏移量后，可以通过式计算得到待测波前在x、y两个方向上的倾斜角α_x和α_y（α_x和α_y都很小）：

${\mathrm{\α}}_x=\arctan \left(\frac{x_0}{f}\right)=\frac{k_c\·x_c}{f},{\mathrm{\α}}_y=\arctan \left(\frac{y_0}{f_e}\right)=\frac{k_c\·y_c}{f}---\left(3\right)$

其中，f是成像透镜的有效焦距。

当倾斜跟踪系统在闭环工作时，光斑的质心仅在四象限探测器的原点附近做微小地移动，此时位移系数的计算公式为：

$k_c=\frac{\sqrt{2}\mathrm{\σ}}{\sqrt{\mathrm{\π}}}---\left(4\right)$

其中：σ是光斑的高斯宽度。（参见文献:马晓燠，母杰，饶长辉，“受限于死区的四象限跟踪传感器的性能分析”，物理学报，2012，V22（7），67-73。）

然而目前的机械加工工艺标准难以达到亚微米量级的装配精度，必须寻找一种标定方法将标准平面波经过成像透镜形成的光斑质心定位到四象限探测器的原点位置，消除四象限倾斜跟踪传感器的装调误差，提高系统的灵敏度和动态范围，满足倾斜跟踪系统对四象限倾斜跟踪传感器的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服传统的四象限倾斜跟踪传感器中，由于装调误差导致标准平面波经过成像透镜形成的光斑质心偏离四象限探测器的原点位置，从而带来的波前探测误差。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种能自适应校正装调误差的四象限倾斜跟踪传感器，包括波前倾斜校正器、成像透镜、四象限探测器、斜率计算器和自校正处理机，其特征在于：在传统的四象限倾斜跟踪传感器中加入了波前倾斜校正器和自校正处理机；波前倾斜校正器、成像透镜、四象限探测器、斜率计算器和自校正处理机组成自校正回路，能校正装调误差的四象限倾斜跟踪传感器在工作时先后经历如下两个步骤：

●校准步骤：首先在波前倾斜校正器前输入标准平面波，然后自校正回路闭环工作将标准平面波经过成像透镜后形成的光斑的质心移动到四象限探测器的原点，最后自校正处理机保持输出电压不变从而保持波前倾斜校正器的二维反射角度；

●测量步骤：在完成校准步骤后，在波前倾斜校正器前输入待测波前，当待测波前的整体的斜率不为0时，待测波前经过成像透镜后形成的光斑会偏离四象限探测器的原点，斜率计算器通过四象限探测器的输出信号计算得到待测波前的整体斜率并输出。

进一步的，所述的自校正回路闭环工作的过程为：当四象限倾斜跟踪传感器存在着装调误差时，标准平面波经过成像透镜后形成的光斑的质心会偏离四象限探测器的原点，斜率计算器通过四象限探测器的输出信号计算得到光斑质心的偏移量并换算为四象限倾斜跟踪传感器的装调误差，自校正处理机根据斜率计算器输出的装调误差计算得到需要加载到波前倾斜校正器的电压，波前倾斜校正器在电压的作用下偏转一定的二维角度从而校正四象限倾斜跟踪传感器的装调误差，装调误差得到校正后，标准平面波经过成像透镜后形成的光斑处于四象限探测器的原点。

进一步的，所述的波前倾斜校正器能够是倾斜镜，也能够是液晶调制器这样能够在电压信号控制下调整入射波前整体斜率的器件。

本发明的原理是：四象限倾斜跟踪传感器的装调误差可以通过测量标准平面波经过成像透镜形成的光斑的质心与四象限探测器原点之间的偏移量获得，而波前倾斜校正器在电压的作用下偏转一定的二维角度，给反射波前的加载固定的二维空间斜率，从而抵消四象限倾斜跟踪传感器的装调误差，所以提出了在传统的四象限倾斜跟踪传感器中加装波前倾斜校正器和自校正处理机：首先在波前倾斜校正器前输入标准平面波；然后利用波前倾斜校正器、成像透镜、四象限探测器、斜率计算器和自校正处理机组成自校正回路闭环工作，将标准平面波经过成像透镜形成的光斑的质心移动到四象限探测器的原点位置，校正四象限倾斜跟踪传感器的装调误差，并保持自校正处理机的输出电压不变；最后在波前倾斜校正器前输入待测波前，通过四象限探测器和斜率计算器测量待测波前的整体斜率。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1、本发明可以校正四象限倾斜跟踪传感器的装调误差，

2、本发明还可以提高四象限倾斜跟踪传感器的灵敏度和动态范围，为倾斜跟踪系统能够快速稳定地校正波前整体倾斜提供了条件。

3、本发明仅在传统的四象限倾斜跟踪传感器中加入了波前倾斜校正器和自校正处理器，结构简单，传统的四象限倾斜跟踪传感器容易实现改造升级。

附图说明

图1为能校正装调误差的四象限倾斜跟踪传感器示意图；

图2为传统四象限倾斜跟踪传感器示意图；

图3为标定前四象限探测器上的光斑位置以及光强分布图；

图4为标定后四象限探测器上的光斑位置以及光强分布图；

图5为标定前后四象限倾斜跟踪传感器的波前斜率测量值及测量误差。

图中：1：波前倾斜校正器，2：成像透镜，3：四象限探测器，4：斜率计算器，5：自校正处理机，6：标准平面波，7：待测波前，8：标定反射波前（标准平面波经波前倾斜校正器反射后的波前），9：待测反射波前（待测波前经波前倾斜校正器反射后的波前）。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

本发明提出了如图1所示的一种能自适应校正装调误差的四象限倾斜跟踪传感器，在传统的四象限倾斜跟踪传感器的基础上加装了波前倾斜校正器1和自校正处理机5，工作过程分为如下两个步骤：

一、校准步骤：

在波前倾斜校正器1前输入标准平面波6，由于装调误差的存在，标准平面波6经过成像透镜2后在四象限探测器3处形成的光斑的质心会偏离四象限探测器3的原点，如图3左所示，此时四象限探测器3各个象限的输出信号如图3右所示。

斜率计算器4根据四象限探测器3的输出信号并利用式1计算出光斑的质心偏移量(Δx,Δy)，然后利用式3计算出由于装调误差带来的波前倾斜测量误差(E_x,E_y)。

自校正处理机5在接收到斜率计算器4输出的波前倾斜测量误差(E_x,E_y)后，根据波前倾斜校正器1的特性计算出驱动波前倾斜校正器1偏转角度时需要的电压，然后输出并保持。

标准平面波6经波前倾斜校正器1反射后的标定反射波前8的倾斜角为(-E_x,-E_y)，所以标定反射波前8经成像透镜2后在四象限探测器3光敏面处的光斑的质心位置会移动(-Δx,-Δy)，此时光斑的质心位置与四象限探测器3的原点重合，如图4左所示，四象限探测器3各个象限的输出信号相等如图4右所示。

二、测量步骤：

在波前倾斜校正器1前输入待测波前7，假设待测波前7的整体斜率为(T_x,T_y)，由于波前倾斜校正器1在经过标定过程后保持偏转的角度，因此待测波前7经波前倾斜校正器1反射后形成的待测反射波前9的整体斜率为(T_x-E_x,T_y-E_y)，此时待测反射波前9经过成像透镜2后在四象限探测器3处形成的光斑的质心偏移量为(x_T-Δx,y_T-Δy),其中(x_T,y_T)是由于待测波前7的整体斜率引起的。

由于四象限倾斜跟踪传感器的装调误差会引起待测反射波前9经过成像透镜2后在四象限探测器3处形成的光斑的质心偏移(Δx,Δy)，因此，光斑的质心相对于四象限探测器3的原点的最终偏移量(x_T,y_T)，所以，此时四象限倾斜跟踪传感器输出的波前斜率为(T_x,T_y)。

图5是四象限倾斜跟踪传感器标定前测量不同斜率的待测波前7得到的结果与标定后测量不同斜率的待测波前7得到的结果的曲线图。由于标定前的四象限倾斜跟踪传感器与传统四象限倾斜跟踪传感器一样，存在着装调误差，因此对四象限倾斜传感器的装调误差进行标定前的待测波前7的斜率测量误差远大于采用本发明所述的方法标定后的待测波前7的斜率测量误差，如图5右所示。从而证明了本发明确实能够有效地降低四象限倾斜跟踪传感器由于装调误差带来的测量误差。

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种能自适应校正装调误差的四象限倾斜跟踪传感器，包括波前倾斜校正器(1)、成像透镜(2)、四象限探测器(3)、斜率计算器(4)和自校正处理机(5)，其特征在于：在传统的四象限倾斜跟踪传感器中加入了波前倾斜校正器(1)和自校正处理机(5)；波前倾斜校正器(1)、成像透镜(2)、四象限探测器(3)、斜率计算器(4)和自校正处理机(5)组成自校正回路，能校正装调误差的四象限倾斜跟踪传感器在工作时先后经历如下两个步骤：

●校准步骤：首先在波前倾斜校正器(1)前输入标准平面波(6)，然后自校正回路闭环工作将标准平面波(6)经过成像透镜(2)后形成的光斑的质心移动到四象限探测器(3)的原点，最后自校正处理机(5)保持输出电压不变从而保持波前倾斜校正器(1)的二维反射角度；

●测量步骤：在完成校准步骤后，在波前倾斜校正器(1)前输入待测波前(7)，当待测波前(7)的整体的斜率不为0时，待测波前(7)经过成像透镜(2)后形成的光斑会偏离四象限探测器(3)的原点，斜率计算器(4)通过四象限探测器(3)的输出信号计算得到待测波前(7)的整体斜率并输出；

所述的自校正回路闭环工作的过程为：当四象限倾斜跟踪传感器存在着装调误差时，标准平面波(6)经过成像透镜(2)后形成的光斑的质心会偏离四象限探测器(3)的原点，斜率计算器(4)通过四象限探测器(3)的输出信号计算得到光斑质心的偏移量并换算为四象限倾斜跟踪传感器的装调误差，自校正处理机(5)根据斜率计算器(4)输出的装调误差计算得到需要加载到波前倾斜校正器(1)的电压，波前倾斜校正器(1)在电压的作用下偏转一定的二维角度从而校正四象限倾斜跟踪传感器的装调误差，装调误差得到校正后，标准平面波(6)经过成像透镜(2)后形成的光斑处于四象限探测器(3)的原点。

2.根据权利要求1所述的一种能自适应校正装调误差的四象限倾斜跟踪传感器，其特征在于：所述的波前倾斜校正器(1)是倾斜镜，或者是液晶调制器这样能够在电压信号控制下调整入射波前整体斜率的器件。