CN107797264B - 综合孔径望远镜的共相调节装置 - Google Patents

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Abstract

一种综合孔径望远镜的共相调节装置，包括：子望远镜，收集外部光线；快摆镜，将子望远镜收集的外部光线反射至光程补偿反射组件，并校正光轴抖动；光程补偿反射镜组件，调节光程差；折轴镜，接收从光程补偿反射镜组件出射的光线，并反射至成像望远镜的主光轴方向；半反半透分光镜，将由折轴镜出射的光线反射一部分进入成像望远镜，另一部分进入倾斜探测望远镜；倾斜探测CMOS相机和成像望远镜CMOS相机，分别设置于倾斜探测望远镜和成像望远镜后端；计控单元电性连接于倾斜探测CMOS相机和成像望远镜CMOS相机，以采集数据并计算条纹对比度得到共相位置。本装置可以实现子望远镜共相调节，提高综合孔径望远镜的分辨率。

Description

综合孔径望远镜的共相调节装置
技术领域
本发明属于综合孔径望远镜领域，进一步涉及一种综合孔径望远镜的共相调节装置，尤其是涉及一种共机架综合孔径望远镜的共相调节装置。
背景技术
鉴于当前天文学研究(如宇宙起源、恒星和星系的演化等)需要的光学望远镜口径可能达到十米以上，甚至达到30-40米，因此建造下一代巨型望远镜的任务迫在眉睫，欧美等发达国家已经规划或正在建造多个下一代巨型望远镜。
研究人员普遍认为超过10米的望远镜难以采用单块反射镜(由于重力变形、刚度、制造难度等原因)，因此近几十年以来，为适应天文观测对望远镜口径提出的更高要求，研究人员另辟蹊径，提出并发展了拼接主镜技术和综合孔径望远镜技术。
拼接主镜技术通常采用多个厚度较薄的反射镜拼接成主镜，并共用一个非球面次镜，结合主动光学技术对主镜进行控制，可以实现共焦、共相等要求，并能很好的克服温度和重力变形的带来的不利影响。著名的Keck I和Keck II望远镜的10m口径主镜均采用六边形反射镜拼接而成，在国际上开创了拼接主镜望远镜应用的先例；我国著名的郭守敬巡天望远镜(LAMOST)也成功采用了拼接主镜技术，大大降低了建造成本和风险，且同时实现了大口径和大视场，其光谱获取效率在国际同类设备中大幅领先。
综合孔径技术是指将多个望远镜收集的光线进行相干合成，从而达到提高望远镜分辨率的目的(因此也被称为光干涉技术)。按照其具体工作原理，大致可分为两类，一类是利用干涉条纹的可见度信息对天体进行测量的技术，起源于法国天文学家Fizeau，他提出扩展源的角直径可以用干涉测量方法确定，原理是像面上干涉条纹可见度与光源的角大小以及狭缝之间距离有相应的函数关系。这个概念被美国天文学家Michelson继承和发展，他们利用该方法先后测出了木星四颗卫星和Betelgeuse(参宿四)的角直径。国际上后来建成了多个长基线Michelson干涉仪，例如澳大利亚SUSI、美国Mark III、法国G12T等。另一类是综合孔径直接成像技术，也被称为Fizeau式成像干涉仪，由美国的Meinel于1970年首先提出，该技术将多个较为密集排布的子望远镜收集的光线通过光束延迟机构送达同一个焦点，如果各个子望远镜成像光路的光程严格相等，则系统合光成像分辨率等于综合孔径望远镜等效口径的分辨率，而不再是单个子望远镜的分辨率。相比于Michelson恒星干涉仪，Fizeau式成像干涉仪具有一定的成像视场，适合观测扩展目标，并且可对快速运动的目标进行快速成像，因而在太阳磁场和日冕的观测、对地观测等方面具有较大的优势。
与拼接主镜技术相比，Fizeau式综合孔径望远镜具有以下优势：
(1)综合孔径望远镜各个子望远镜结构相同，且多为同轴结构，可以进行批量生产，避免了主镜拼接需要的离轴非球面反射镜的加工和检测，大大降低了难度和成本；
(2)主镜拼接技术往往需要大口径凸面次镜，其加工和检测的难度非常大，而综合孔径望远镜技术不需要大口径次镜，大大降低了研制难度；
(3)对采用自适应光学系统的地基望远镜而言，综合孔径望远镜对变形镜和波前传感器的要求降低，可以采用单元数较少的波前传感器和变形镜分别探测和校正每一个子望远镜出瞳上的波前像差，从而降低了大密度变形镜和波前探测器的研制难度；
(4)空间望远镜方面，综合孔径望远镜未来有可能实现多次发射、在轨组装(或编队)，以摆脱发射重量和体积的限制。
因此，综合孔径望远镜在天文观测、对地观测等高分辨率成像领域具有重要的应用前景，伴随着科学和技术的不断进步，未来必将得到更为广泛的应用。
拼接主镜技术和综合孔径望远镜技术的共同之处在于均需要进行共焦和共相的调节，这也是其面临的最主要难题之一；针对拼接主镜技术的共相调节，国际上先后提出了发展了窄带/宽带哈特曼传感技术、色散条纹传感技术、相位差(Phase diversity)技术等多种探测方法，目前均得到了良好的应用，但在探测范围、测量精度或计算速度等方面仍需进一步提高，如相位差法精度高，但计算量大，难以实现实时控制，色散条纹法探测范围广，单只能进行粗探测，对小于二分之一波长的光程差探测仍有明显误差。
综合孔径望远镜的共相调节是其中必不可少的关键技术，因此，综合孔径望远镜的研究中，仍需对现有的光程探测方法进行改进，并设计高效的光程补偿(即共相调节)装置。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种共机架综合孔径望远镜的共相调节装置，以解决以上所述的至少部分技术问题。
本发明提供一种综合孔径望远镜的共相调节装置，包括多个子望远镜、多个快摆镜、光程补偿反射镜组件、折轴镜、倾斜探测望远镜、成像望远镜、半反半透分光镜、计控单元、倾斜探测CMOS相机和成像望远镜CMOS相机；其中，
各所述子望远镜固定于机架上，用于收集外部光线；
所述快摆镜用于将子望远镜收集的外部光线反射至光程补偿反射镜组件，并校正光轴抖动；
所述光程补偿反射镜组件，包含可以沿着子望远镜径向移动的两面正交反射镜，用于调节光程差；
所述折轴镜接收从光程补偿反射镜组件出射的光线，并反射至成像望远镜的主光轴方向；
所述半反半透分光镜，用于将由折轴镜出射的光线反射一部分进入成像望远镜，另一部分进入倾斜探测望远镜；
所述倾斜探测CMOS相机和成像望远镜CMOS相机，分别设置于倾斜探测望远镜和成像望远镜后端，用于成像；
所述计控单元，电性连接于成像望远镜CMOS相机，用于采集数据并计算条纹对比度得到共相位置。
在进一步的实施方案中，共相调节装置还包括机架，所述子望远镜、半反半透分光镜、倾斜探测望远镜以及成像望远镜均固定于所述机架上。
在进一步的实施方案中，共相调节装置还包括压电平台和步进电机，所述光程补偿反射镜组件固定于所述压电平台上，所述压电平台和光程补偿反射镜组件整体固定于所述步进电机，所述步进电机和压电平台用于调节光程补偿反射镜组件以进行精细扫描。
在进一步的实施方案中，所述步进电机的扫描步长设置为小于外部光线的相干长度。
在进一步的实施方案中，还包括滤波轮，所述滤波轮设置于成像望远镜前端，实现子望远镜的两两干涉成像。
在进一步的实施方案中，所述子望远镜为无焦望远镜，用于收集无限远目标发出的光，各子望远镜出射的光线为平行光线。
在进一步的实施方案中，计控单元电性还连接所述快摆镜和倾斜探测CMOS相机，用于采集倾斜探测望远镜上的共焦信息并进行实时的共焦调节，使成像望远镜中的两光束成像保持重合。
本发明避免色散条纹法共相调节中的复杂光学结构，如阿米西棱镜等，并能进行粗共相的精共相两种调节，同时算法比较简单，比相位差法(Phase diversity)计算量小、速度快、测量范围大，可以使综合孔径望远镜较快的达到共相状态，实现多个望远镜干涉叠加的高分辨率。
附图说明
图1为本发明实施例的综合孔径望远镜的共相调节装置的三维设计图；
图2为本发明实施例的综合孔径望远镜的共相调节装置的工作原理图；
图3为本发明实施例的综合孔径望远镜的共相调节装置的共焦、共相和基线调整部分示意图；
其中：
1-机架，2-子望远镜，3-快摆镜，4-光程补偿反射镜组件，5-压电平台，6-步进电机，7-折轴镜，8-半反半透分光镜，9-倾斜探测望远镜，10-倾斜探测CMOS相机，11-滤波轮，12-成像望远镜，13-成像望远镜CMOS相机，14-计控单元，15-示意光线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明实施例的综合孔径望远镜的共相调节装置的三维设计图；图2为本发明实施例的综合孔径望远镜的共相调节装置的工作原理图。参见图1和图2所示，调节装置包括：多个子望远镜2、多个快摆镜3、光程补偿反射镜组件4、折轴镜7、倾斜探测望远镜9、成像望远镜12、半反半透分光镜8、计控单元14、倾斜探测CMOS相机10和成像望远镜CMOS相机13。
各子望远镜2固定于机架上，用于收集外部光线；快摆镜3用于将子望远镜2收集的外部光线反射至光程补偿反射组件；光程补偿反射镜组件4，包含可以沿着子望远镜径向移动的两面正交反射镜，用于调节光程差；折轴镜7接收从光程补偿反射镜组件4出射的光线，并反射至成像望远镜12的主光轴方向；半反半透分光镜8，用于将由折轴镜出射的光线反射一部分进入成像望远镜12，另一部分进入倾斜探测望远镜9；倾斜探测CMOS相机10和成像望远镜CMOS相机13，分别设置于成像望远镜12和倾斜探测望远镜后端，用于成像；计控单元14，电性连接于成像望远镜CMOS相机13，用于采集数据并计算条纹对比度得到共相位置。
在一些实施例中，共相调节装置可包括机架1和步进电机6，机架1作为整个综合孔径的基准，子望远镜2通过螺钉固定到机架1上，快摆镜3安装于子望远镜2的主镜室外壳上，光程补偿反射镜组件4固定于压电平台5上，压电平台5和光程补偿反射镜组件4整体固定在步进电机6上，步进电机6固定于子望远镜2主镜室外壳上，折轴镜7位于光程补偿反射镜组件4末端，半反半透分光镜8固定于机架1上，倾斜探测望远镜9和成像望远镜12均固定于机架1上，后端分别带有倾斜探测CMOS相机10和成像望远镜CMOS相机13进行成像。调节装置还可以包括滤波轮11，其固定在成像望远镜12前端，实现子望远镜2的两两装调。
如图2所示，其各部分结构标注与图1相同(为清楚表示光路，部分结构未在该图中示出)，图中密集的虚线为光路走向，可以从该图中看出详细的光路设计。本发明实施例所述的共机架综合孔径望远镜的共相调节装置的工作过程如下：子望远镜2为无焦望远镜，用于收集无限远目标发出的光，其出射的平行光经快摆镜反射到光程补偿反射镜组件4上，再被折轴镜7反射到主光轴方向，之后由半反半透分光镜8反射一部分进入成像望远镜12，由其后的CMOS相机10进行成像，另一部分进入倾斜探测望远镜9，也由其后的倾斜探测CMOS相机10进行成像；共相调节时，利用滤波轮11使两个望远镜通光，采用步进电机6调节光程补偿反射镜组件4进行0.5微米步长的扫描(步长小于入射光的相干长度)，成像望远镜12的CMOS相机记录干涉条纹，由计控单元14采集数据并计算条纹对比度得到粗共相位置，再由压电平台5驱动光程补偿反射镜组进行精细扫描，最终得到精确的共相位置，最后转动滤波轮依次对所有子望远镜2实现共相调节，以提高综合孔径望远镜的分辨率；共相调节的同时，为了保证成像望远镜12中两光束的成像始终重合，需要倾斜探测望远镜9实时测量光束倾斜信息，由计控单元14控制快摆镜3摆动，实现两光束始终处于共焦状态。
如图3所示，为本发明实施例的共机架综合孔径望远镜的共相调节装置的共焦、共相和基线调整部分示意图，包含15-示意光线，其余各部分结构标注与图1相同，示意光线15从子望远镜2中出射，首先入射到快摆镜3，被反射到光程补偿反射镜组件4，可以看出光程补偿反射镜组件4含两面正交反射镜，可以沿着望远镜径向移动，达到调节光程的目的。本发明实施例中，光程补偿采用两级运动平台驱动，首先利用步进电机6实现大范围粗共相搜索，之后再采用压电平台5进行小范围精密共相调节。光束经过光程补偿反射镜组件4后，反射到折轴镜7上，被反射到与望远镜光轴平行的方向，再进入成像望远镜12和倾斜探测望远镜9中进行成像。可以看出，在光路中仅用四面反射镜实现基线调节、光程补偿(共相)、倾斜补偿(共焦)三种功能，减少了光线的反射损失，提高了光能利用率。
通过上述技术方案，本发明实施例针对共机架综合孔径望远镜的共相调节需求，提出了一种共相调节装置，采用两级运动平台驱动光程补偿反射镜组件进行扫描并采集干涉条纹，通过条纹对比度变化确定共相位置，同时采用快摆镜实时校正共相扫描过程中的微量共焦误差，保证指向一致性，最终实现综合孔径望远镜的共相调节，是一种结构精巧、集成化程度高、稳定性好的综合孔径望远镜的共相调节装置。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种综合孔径望远镜的共相调节装置，包括多个子望远镜、多个快摆镜、光程补偿反射镜组件、折轴镜、倾斜探测望远镜、成像望远镜、半反半透分光镜、计控单元、倾斜探测CMOS相机和成像望远镜CMOS相机；其中，
各所述子望远镜用于收集外部光线；
所述快摆镜用于将子望远镜收集的外部光线反射至光程补偿反射镜组件，并校正光轴抖动；
所述光程补偿反射镜组件，包含可以沿着子望远镜径向移动的两面正交反射镜，用于调节光程差；
所述折轴镜用于接收从光程补偿反射镜组件出射的光线，并反射至成像望远镜的主光轴方向；
所述半反半透分光镜，用于将由折轴镜出射的光线反射一部分进入成像望远镜，另一部分进入倾斜探测望远镜；
所述倾斜探测CMOS相机和成像望远镜CMOS相机，分别设置于倾斜探测望远镜和成像望远镜后端，用于成像；
所述计控单元，电性连接于成像望远镜CMOS相机，用于采集数据并计算条纹对比度得到共相位置。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括机架，所述子望远镜、半反半透分光镜、倾斜探测望远镜以及成像望远镜均固定于所述机架上。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括压电平台和步进电机，所述光程补偿反射镜组件固定于所述压电平台上，所述压电平台和光程补偿反射镜组件整体固定于所述步进电机，所述步进电机和压电平台用于调节光程补偿反射镜组件以进行精细扫描。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述步进电机的扫描步长设置为小于外部光线的相干长度。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述外部光线的相干长度小于1微米。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括滤波轮，所述滤波轮设置于成像望远镜前端，实现子望远镜的两两干涉成像。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述子望远镜为无焦望远镜，用于收集无限远目标发出的光，各子望远镜出射的光线为平行光线。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述计控单元还电性连接所述快摆镜和倾斜探测CMOS相机，用于采集倾斜探测望远镜上的共焦信息并进行实时的共焦调节，使成像望远镜中的两光束成像保持重合。
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