CN105403384A - 镜面视宁度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镜面视宁度测量装置，包括：热控系统，设于光学镜面下部，用于将光学镜面控制在设定的温度范围；导流系统，设于光学镜面的上风口侧，用于对光学镜面表面的气流状态进行切换控制；自准直系统，位于光学镜面的一端，用于检测经光学镜面成像后的光线偏离量。通过采用热控系统对光学镜面的温度进行控制，采用导流系统对光学镜面表面的气流状态进行切换控制，从而模拟镜面实际工作时的状态，且通过具备记录功能的自准直系统检测记录光线偏离，从而实现了基于波前斜率的镜面视宁度测量分析，不仅可以模拟各种需要的视宁度边界条件，满足望远镜系统设计、镜面加工检测的需求，还可以对已经装机的系统进行视宁度的实际测量。

Description

镜面视宁度测量装置

技术领域

本发明涉及光学望远镜控制领域，特别地，涉及一种镜面视宁度测量装置。

背景技术

光学望远镜朝着更大口径方向发展，并带动与之相关的系统工程、光学机械加工制造、系统集成等相关技术发展，已成为光学望远镜发展的主流趋势。随着望远镜技术的发展，大口径、高集光能力成为不可逆转的趋势。随着系统的性能指标提高，由于镜面视宁度所引起像质的损失已经越来越不可忽略。

视宁度（Seeing），是用于描述天文观测的目标受大气湍流的影响而看起来变得模糊和闪烁程度的物理量。本质来讲，是指波前（wavefront）经过湍流之后与理想波前的光程差(deviationofopticalpath,DOP)。具体来说，视宁度分为大气视宁度、圆顶视宁度以及镜面视宁度。大气视宁度主要是指由于光线通过大气传播，在长距离的传播路径上由于积分作用所产生的像差，其矫正主要通过自适应光学元件。圆顶视宁度主要指的是圆顶一方面保护了望远镜免受外界的扰动，另一方面也制造了一个小环境，当小环境与大环境发生物质能量交换，势必会引起视宁度的变化。圆顶视宁度问题主要是由圆顶内的环境控制系统来解决，同时，随着近几年来研究的深入，敞开式的圆顶被更加广泛的应用，圆顶视宁度的影响也相应下降。镜面视宁度，主要是指由于镜面表面的湍流所导致的像质下降。根据镜面的气体流动情况，可以分为自然对流，强迫对流以及介于两者之间的混合对流。对于自然对流，主要是由上浮的热空气主导；而对于强迫对流的情况，主要是被打碎的湍流分布在镜面之上。

一颗遥远天体所发出的光线被望远镜成像，在不受大气湍流影响的条件下，在望远镜像面上所成的像为一个理想的艾利斑，而受到大气的影响之后，能量就会变得分散。定义点光源通过一个受大气影响系统的点扩散函数为视宁度盘（seeingdisc），而视宁度盘的大小就称为视宁度。

由于镜面的加工与支撑的要求越来越高，其误差要求甚至越来越接近纳米级，故在大口径镜面加工检测、系统装调检测的过程中，镜面视宁度的影响越来越不可忽略。根据1979年对于两米五口径望远镜的检测，当镜面视宁度起主导作用时，其75%能量集中半径为6″，与其不起主导作用时（1″）相比，升高了500%。两米五望远镜的衍射极限为0.1″级别，可见，大气视宁度对于大口径望远镜的影响虽然很大，而镜面视宁度如果不能很好的控制，对于成像质量的影响更是巨大的。

受制于镜面视宁度的影响，光学望远镜系统的设计与配备也会采取相应的技术措施。因此，镜面视宁度的研究对光学望远镜系统，尤其是大口径光学望远镜系统的设计、光学加工检测、系统装调检测都重要的意义。

发明内容

本发明提供了一种镜面视宁度测量装置，以解决现有的光线望远镜的镜面视宁度难以精确检测的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种镜面视宁度测量装置，用于对光学镜面的镜面视宁度进行测量，包括：

热控系统，设于光学镜面下部，用于将光学镜面控制在设定的温度范围；

导流系统，设于光学镜面的上风口侧，用于对光学镜面表面的气流状态进行切换控制；

自准直系统，位于光学镜面的一端，用于检测经光学镜面成像后的光线偏离量。

进一步地，自准直系统包括两台电子自准直仪，分别位于光学镜面X轴、Y轴的一侧，每台电子自准直仪后端均设有具有采集功能的CCD图像传感器。

进一步地，热控系统包括：

制冷/制热系统，位于光学镜面的下风口，用于生成换热用的冷源或者热源；

循环系统，用于将制冷/制热系统产生的冷/热空气导向光学镜面并带走与光学镜面进行热交换后的热/冷空气。

进一步地，导流系统为用于打散光学镜面表面的湍流的风扇或者气刀。

进一步地，本发明镜面视宁度测量装置还包括：

温度传感系统，用于检测光学镜面的镜面温度是否符合设定条件。

进一步地，温度传感系统包括：

红外相机，用于非接触式检测光学镜面的镜面温度。

进一步地，本发明镜面视宁度测量装置还包括：

振动传感器，与自准直系统相连，用于检测光学镜面的振动信号并将检测得到的振动信号传递给自准直系统进行数据校正。

进一步地，光学镜面为用于大口径光学望远镜的镜面。

本发明具有以下有益效果：

本发明镜面视宁度测量装置，通过采用热控系统对光学镜面的温度进行控制，使得镜面温度处于设定的恒定区间；采用导流系统对光学镜面表面的气流状态进行切换控制，使得镜面表面可以在自然对流和强迫对流状态下切换；从而模拟镜面实际工作时的状态，且通过具备记录功能的自准直系统检测记录光线偏离，从而实现了基于波前斜率的镜面视宁度测量分析，本发明测量装置不仅可以模拟各种需要的视宁度边界条件，满足望远镜系统设计、镜面加工检测的需求，还可以对已经装机的系统进行视宁度的实际测量，以对工作状态误差进行标定。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例镜面视宁度测量装置的方框示意图；

图2是本发明优选实施例镜面视宁度测量装置的结构示意图。

附图标记说明：

10、光学镜面；

20、热控系统；

30、导流系统；

40、自准直系统；

50、振动传感器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参照图1及图2，本发明的优选实施例提供了一种镜面视宁度测量装置，用于对光学镜面10的镜面视宁度进行测量，包括：

热控系统20，设于光学镜面10下部，用于将光学镜面10控制在设定的温度范围；使得光学镜面10工作的恒定温度区间；

导流系统30，设于光学镜面10的上风口侧，用于对光学镜面10表面的气流状态进行切换控制；使得镜面表面可以在自然对流和强迫对流状态下切换。优选地，导流系统30为用于打散光学镜面10表面的湍流的风扇或者气刀，开启风扇或者气刀，打散镜面表面的湍流，使得镜面处于强迫对流状态，在检测自然对流工况下的视宁度则不开启。

自准直系统40，位于光学镜面10的一端，用于检测经光学镜面10成像后的光线偏离量，从而实现了基于波前斜率的镜面视宁度测量分析。

本实施例通过采用热控系统20对光学镜面10的温度进行控制，使得镜面温度处于设定的恒定区间；采用导流系统30对光学镜面10表面的气流状态进行切换控制，使得镜面表面可以在自然对流和强迫对流状态下切换；从而模拟镜面实际工作时的状态，且通过具备记录功能的自准直系统40检测记录光线偏离，从而实现了基于波前斜率的镜面视宁度测量分析，本发明测量装置不仅可以模拟各种需要的视宁度边界条件，满足望远镜系统设计、镜面加工检测的需求，还可以对已经装机的系统进行视宁度的实际测量，以对工作状态误差进行标定。

本实施例中，自准直系统40包括两台电子自准直仪，分别位于光学镜面10X轴、Y轴的一侧，每台电子自准直仪后端均设有具有采集功能的CCD图像传感器，图像传感器得到的数据为光点在靶面上的移动量，进而得到获取波前斜率信息，进一步根据冷冻湍流假设将波前斜率的时间历程转化为空间分布，以得到镜面视宁度。

可选地，本实施例热控系统20包括：

制冷/制热系统，位于光学镜面10的下风口，用于生成换热用的冷源或者热源；

循环系统，用于将制冷/制热系统产生的冷/热空气导向光学镜面10并带走与光学镜面10进行热交换后的热/冷空气。参照图2，本实施例中，循环系统包括设于光学镜面10下部的换热管路，换热管路中部设有出口，换热管路两端设有风扇，制冷/制热系统生成的冷/热空气经风扇导入换热管路，再经出口将换热后的热/冷空气导出。本实施例利用光学镜面10下部的热控系统20将镜面的温度控制在所需要的温度区间。优选地，根据统计学思路，镜面在80%的概率之下温度低于环境温度1°C。具体来说是利用先验知识建立的统计学预测模型，预测出实际工作时的温度并在距观测较长的时间利用热控系统20进行温控，要求最后的温差有80%的可能为1°C。在本设备之中，热控系统20也采取类似的统计学控制策略，保证镜面在80%的概率之下温度处于设定值。优选地，本实施例镜面视宁度测量装置还包括：温度传感系统，用于检测光学镜面10的镜面温度是否符合设定条件。该温度传感系统包括：红外相机，用于非接触式检测光学镜面10的镜面温度，其中，红外相机的分辨率根据需求选择，本实施例中，红外相机的分辨率达到0.2℃级别。为了对温控进行检验，还包括热电偶，以与环境保持稳定温差，检测镜面保持合理的温度梯度。

在具体应用中，外界的振动可能造成反射镜或者自准直仪的响应，为了提高装置的检测精度，对于外界的的扰动，可以通过将反射镜放在距自准直仪较近的距离来做先验的矫正，也可以利用加速度测量元件得到系统实时的检测并通过一定的传递关系折合到像面的抖动上。具体来说，对于先验的方法，可以得到由于外界影响造成影响的均方根。之后利用平方规律进行合成。而这种方法的主要局限性在于测得的数值没有动态特性不能分析不同频段的扰动。另一方面，也不可检测突发振动，移植性较差，故本实施例利用加速度计实施监控振动。本实施例采用加速度计作为振动传感器50，与自准直系统40相连，用于检测光学镜面10的振动信号并将检测得到的振动信号传递给自准直系统40进行数据校正。优选地，振动传感器50通过运动学接口与自准直系统40连接，以对检测过程中的外界扰动进行监控。

本实施例镜面视宁度测量装置可以完成十米口径之内的各类主镜的镜面视宁度测量，具有不受是否处于观测状态与光学系统准直情况的影响，即可以保证宝贵的观测时间。将测量装置沿光轴方向移动，就可以获得镜面不同位置梯度的视宁度情况。本系统还可以通过气刀/风扇来改变被测镜面的湍流情况，自然对流时，气体浮力占主导地位，湍流分布在有限的区域，且聚集成团；随着强迫对流的比重逐渐加大，湍流越来越趋于在镜面之上均匀分布。本系统可以模拟从自然对流到强迫对流之间的各种状态，并检测镜面视宁度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种镜面视宁度测量装置，用于对光学镜面（10）的镜面视宁度进行测量，其特征在于，包括：

热控系统（20），设于所述光学镜面（10）下部，用于将所述光学镜面（10）控制在设定的温度范围；

导流系统（30），设于所述光学镜面（10）的上风口侧，用于对所述光学镜面（10）表面的气流状态进行切换控制；

自准直系统（40），位于所述光学镜面（10）的一端，用于检测经所述光学镜面（10）成像后的光线偏离量。

2.根据权利要求1所述的镜面视宁度测量装置，其特征在于，

所述自准直系统（40）包括两台电子自准直仪，分别位于所述光学镜面（10）X轴、Y轴的一侧，每台所述电子自准直仪后端均设有具有采集功能的CCD图像传感器。

3.根据权利要求1所述的镜面视宁度测量装置，其特征在于，所述热控系统（20）包括：

制冷/制热系统，位于所述光学镜面（10）的下风口，用于生成换热用的冷源或者热源；

循环系统，用于将所述制冷/制热系统产生的冷/热空气导向所述光学镜面（10）并带走与所述光学镜面（10）进行热交换后的热/冷空气。

4.根据权利要求1所述的镜面视宁度测量装置，其特征在于，

所述导流系统（30）为用于打散所述光学镜面（10）表面的湍流的风扇或者气刀。

5.根据权利要求1至4任一所述的镜面视宁度测量装置，其特征在于，还包括：

温度传感系统，用于检测所述光学镜面（10）的镜面温度是否符合设定条件。

6.根据权利要求5所述的镜面视宁度测量装置，其特征在于，

所述温度传感系统包括：

红外相机，用于非接触式检测所述光学镜面（10）的镜面温度。

7.根据权利要求1所述的镜面视宁度测量装置，其特征在于，还包括：

振动传感器（50），与所述自准直系统（40）相连，用于检测所述光学镜面（10）的振动信号并将检测得到的所述振动信号传递给所述自准直系统（40）进行数据校正。

8.根据权利要求1所述的镜面视宁度测量装置，其特征在于，

所述光学镜面（10）为用于大口径光学望远镜的镜面。