CN107894326B - 一种基于多波长相位调制的拼接主镜共相误差探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种基于多波长相位调制的拼接主镜共相误差探测方法，可用于拼接望远镜主镜的共相误差探测。本方法通过给拼接主镜的一个子镜添加特定的相位调制，用探测器测得系统的一组点扩散函数PSF值，对这组PSF值进行处理得到拼接镜在特定波长下的部分相位差，再在不同波长情况下重复上述过程得到多个部分相位差，通过对多个波长情况下的各个部分相位差进行处理得到拼接镜成像系统的共相误差。本方法使用空间相位调制器件对拼接望远镜主镜的一个子镜进行相位调制，算法恢复共相误差不需要迭代计算，能快速精准的探测系统的共相误差，同时由于本方法利用了多波长信息，克服了2π模糊的影响，从而极大的提高了共相误差的探测范围和精度。

Description

一种基于多波长相位调制的拼接主镜共相误差探测方法

技术领域

本发明属于光学成像望远镜领域，具体涉及一种基于多波长相位调制的拼接主镜共相误差探测方法。

背景技术

光学成像望远镜系统的分辨能力正比于其口径大小，为了提高望远镜的性能，无论是天基还是地基望远镜，近年来都向着长焦距大口径的方向不断发展。然而，当传统单口径望远镜系统的主镜口径增大到将近10米级别时，由于受到了材料成本现有的工艺加工水平和火箭发射运载技术等一系列问题的制约，其制造难度和复杂度成非线性上升，通过继续增大单口径望远镜口径来获得更高分辨率已经不太现实。

为了突破单口径望远镜的镜面制造技术的局限，让望远镜分辨本领继续得到提升。人们提出了使用拼接主镜来替代单口径望远镜。上世纪末，美国先后完成了10米口径的拼接型望远镜KeckⅠ和KeckⅡ的制造，这两个拼接主镜各自均由36块子镜构成。随后，在2005年，由91块子镜拼接构成的HET望远镜也投入使用。近年来提出的30米口径的TMT和更大口径的E-ELT拼接望远镜也在建造中。拼接镜技术给建造大口径和超大口径望远镜带来了希望，但也带来了新的挑战，其中，最为关键的就是拼接主镜之间的共相误差的探测问题，在实际应用中，由于装配误差、固有误差及大气湍流等原因，容易给子镜之间带来共相误差。子望远镜间共相误差的存在会影响光学合成孔径成像望远镜阵列的干涉效果，造成主瓣能量下降，降低成像质量。为保证拼接望远镜系统的成像效果，需要将子镜之间的共相误差控制在λ/10之内。共相误差探测与校正是实现各个子镜共相的重要技术，对于拼接主镜望远镜系统实现高分辨力观测具有重要意义。目前比较成熟的共相误差探测技术包括夏克-哈德曼传感器、波前曲率传感器和基于图像的相位差法。夏克-哈德曼传感器设计制造复杂，成本高，且无法探测复杂度高的波前。波前曲率传感器测量精度低，不适用于高分辨率成像系统。基于图像的相位差法需要复杂的后续迭代算法来处理图像，实时性差。此外，现有的这些方法均无法解决2π模糊的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种易于实现、实时性好、测量范围大、不受2π模糊影响的基于多波长相位调制的拼接主镜共相误差探测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种基于多波长相位调制的拼接主镜共相误差探测方法，实现步骤如下：

(1)设置点光源的发出光的波长为λ₁；

(2)将探测器置于待探测的拼接镜系统的像面上，对拼接镜系统的某一特定子镜进行相位调制，依次给其加上φ₁,φ₂,…,φ_k,…φ_M的相位调制，其中：

φ_k＝2π*(k-1)/M(1)

k为整数且1≤k≤M，M为总共的调制步数且M≥3，并依次使用相机测得系统的点扩散函数PSF₁,PSF₂,…,PSF_k,…,PSF_M；

(3)通过一个计算过程得到各个子镜在λ₁下的部分相位差，计算过程如下：

1)对所得到的点扩散函数进行反傅里叶变换变换得到系统的一组光学传递函数OTF₁,OTF₂,…,OTF_k,…,OTF_M；

2)将到的一组光学传递函数分别乘上相移φ₁,φ₂,…,φ_k,…φ_M后相加再取算术平均，得到C(P)：

式中，n具有一般性，可以是任意一块子镜，△_n为第n块子镜的相移误差，B_r为调制子镜的光瞳函数，B_n为第n块子镜的光瞳函数，N为组成拼接主镜的子镜数量；

3)在式(1)两侧均乘上第n个子镜的光瞳函数，得到：

C(P)B_n＝exp(ik△_n)B_n(3)

4)计算出部分相位差：

式中，Z为第n个子望远镜在光源波长为λ₁的情况下的相移误差中的2π整数倍的部分，

为第n个子镜在点光源波长为λ₁的情况下的相移误差中不含2π整数倍的部分相位；

(4)设置点光源的发出光的波长为λ₂，λ₃重复上述步骤(1)、(2)、(3)得到

(5)为了方便表示，2π整数倍的部分用n₁、n₂、n₃来表示，部分相位

分别使用

来表示。第n个子镜的待测共相误差为ξ：

上式是个欠约束方程，定义合成波长λ_s：

λ_s＝(a/λ₁-b/λ₂+c/λ₃)^-1(6)

其中，a、b、c均为正整数，利用合成波长来解这个欠约束方程，进而计算出共相位差ξ。

进一步地，通过引入多个波长来测得不同波长下的部分相位差，将多个部分相位差进行处理得到完整共相误差，可以同时保证大的共相误差测量范围和高的测量精度。

进一步地，点光源所采用的各个波长λ₁、λ₂、λ₃的值可改变，也可以采取四个或者更多波长进行调制。方法所能测得的共相误差范围与所采用的成像波段有关。

进一步地，通过将一组光学传递函数分别乘上一个相移值相加再取平均，进而分离出拼接镜的相位误差。

进一步地，相位调制器件可以采用液晶piston相位调制器件，也可以采用液晶空间光调制器、三维快反镜、步进位移台相位调制器件、变形镜等能产生piston相位调制的器件。

进一步地，调制可以选3步相移调制，也可以选4步相移，5步相移甚至更多步像移调制。

进一步地，当调制步数M选定后，每一步的调制像移应满足公式(1)。

进一步地，点光源可以选取多波长激光器也可以选用宽波段点光源，当选用宽波带点光源时，可采用窄带滤波的方法，选取多个成像波段，实现共相误差探测。

进一步地，探测器件可以是CCD相机也可以是CMOS相机也可以是其它的面阵探测器。

进一步地，该方法既可以用在紧密拼接主镜成像系统中，又可以用在稀疏拼接主镜成像系统中；该方法既可以通过在主镜后方添加准直光路后进行调制检测，也可以不通过准直光路直接在主镜成像光路中进行调制检测。

本发明与现有技术相比具有的优点：

(1)本发明可以同时探测出拼接主镜所有子镜的共相误差，不需要每块子镜单独探测，操作便捷，速度快；

(2)本发明既能探测出拼接主镜各个子镜之间的共相误差，解决子镜的共相误差检测问题，又能同时测量出每个子镜本身的高阶像差；

(3)本发明相比现有的其它方法，算法不需要迭代，计算速度快，实时性高；

(4)本发明利用了多波长信息，解决了2π模糊问题，测量共相误差范围大，精度高，测量范围为[-λ_s/2,λ_s/2]。

附图说明

图1是基于多波长相位调制的拼接主镜共相误差探测方法的实施方案图；

其中，1为多波长输出激光器，2为扩束镜，3为反射式拼接主镜，4为准直镜，5为半透半反透镜，6为反射式纯相位液晶调制器，7为成像子镜，8为CCD探测器。

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。

本发明一种基于多波长相位调制的拼接主镜共相误差探测方法，本实施方案采用多波长输出激光器1作点光源，使用反射式纯相位液晶调制器6作相位调制。实施图如图1所示，具体实施步骤如下：

(1)设置多波长输出激光器1发出光的波长为λ₁；

(2)取M＝4，调节反射式纯相位液晶调制器6，依次给反射式拼接主镜3的特定子镜(如附图1中所示从上至下第二块子镜)加上0、π/2、π、3π/2的相位差，并依次使用CCD探测器8测得系统的点扩散函数PSF₁、PSF₂、PSF₃、PSF₄；

(3)通过一个计算过程得到各个子孔径在λ₁下的部分相位差，计算过程如下：

1)对所得到的四个点扩散函数进行反傅里叶变换变换得到光学传递函数OTF₁、OTF₂、OTF₃、OTF₄；

2)将四个点扩散函数分别乘上一个相移后相加再取算术平均，各个相移取{φ₁；φ₂；φ₃；φ₄}＝{0；π/2；π；3π/2}这一系列值，得到C(P)；

3)在式(1)中取N＝4，两侧均乘上第n块子镜的光瞳函数B_n，得到第n块镜子的相位差；

4)由式(3)计算出部分相位差

为第n块镜子在点光源波长为λ₁的情况下的相移误差中不含2π整数倍的部分相位；

(4)设置多波长输出激光器1的发出光的波长为λ₂、λ₃重复上述步骤(1)、(2)、(3)得到

(5)为了方便表示，2π整数倍的部分用n₁、n₂、n₃来表示，部分相位

分别使用

来表示。第n块子镜的待测共相误差为ξ：

上式是一个欠约束系统，定义合成波长λ_s＝(a/λ₁-b/λ₂+c/λ₃)^-1，其中a、b、c均为正整数，利用合成波长来解这个欠约束方程，进而计算出共相位差ξ。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。只要是通过对子镜进行相位调制来获取不同点扩散函数并进一步得到子镜相位分布或利用多波长信息融合来扩大相差测量范围得共相误差探测方法，装置均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于多波长相位调制的拼接主镜共相误差探测方法，其特征在于经扩束镜(2)扩束准直后的多波长输出激光器(1)光波，被反射式拼接主镜(3)聚焦后，再经准直镜(4)准直，准直后的成像光束进入半透半反镜(5)，透射光波经反射式纯相位液晶调制器(6)调制后，经半透半反镜(5)和成像子镜(7)进入CCD探测器(8)，CCD探测器(8)采集经空间相位调制后的标定光源图像，用于解算拼接主镜间的共相误差，该方法包含以下步骤：(1)设置点光源的发出光的波长为λ₁；

(2)将探测器置于待探测的拼接望远镜成像系统的像面上，对拼接主镜的某一特定子镜进行相位调制，依次给其加上φ₁,φ₂,···,φ_k,···φ_M的相位调制，其中：

φ_k＝2π*(k-1)/M (1)

k为整数且1≤k≤M，M为总共的调制步数且M≥3，并依次使用相机测得系统的点扩散函数PSF₁,PSF₂,···,PSF_k,···,PSF_M；

(3)通过一个计算过程得到各个子镜在λ₁下的部分相位差，计算过程如下：

1)对所得到的点扩散函数进行反傅里叶变换变换得到系统的一组光学传递函数OTF₁,OTF₂,···,OTF_k,···,OTF_M；

2)将到的一组光学传递函数分别乘上相移φ₁,φ₂,···,φ_k,···φ_M后相加再取算术平均，得到C(P)：

式中，n具有一般性，可以是任意拼接镜的任意一块子镜，Δ_n为第n块子镜的相移误差，B_r为被调制的光瞳，B_n为第n块子镜的光瞳函数，N为拼接主镜的子镜数量；

3)在式(1)两侧均乘上第n块子镜的光瞳函数B_n，得到：

C(P)B_n＝exp(ikΔ_n)B_n (3)

4)由表达式左侧分解为实部与虚部之和，进而可以得到：

式中，Z为第n个子望远镜在光源波长为λ₁的情况下的相移误差中的2π整数倍的部分，

为第n块子镜在点光源波长为λ₁的情况下的相移误差中不含2π整数倍的部分相位；

(4)设置点光源的发出光的波长为λ₂，λ₃重复上述步骤(1)、(2)、(3)得到

(5)为了方便表示，2π整数倍的部分用n₁、n₂、n₃来表示，部分相位

分别使用

来表示，第n块子镜的待测共相误差为ξ：

上式是个欠约束方程，定义合成波长λ_s：

λ_s＝(a/λ₁-b/λ₂+c/λ₃)^-1 (6)

其中，a、b、c均为正整数，利用合成波长来解这个欠约束方程，进而计算出共相位差ξ。

2.根据权利要求1所述的基于多波长相位调制的拼接主镜共相误差探测方法，其特征在于：通过引入多个波长来测得不同波长下的部分相位差，将多个部分相位差进行处理得到完整共相误差，可以同时保证大的共相误差测量范围和高的测量精度。

3.根据权利要求1或2所述的基于多波长相位调制的拼接主镜共相误差探测的方法，其特征在于：点光源所采用的各个波长λ₁、λ₂、λ₃的值可改变，也可以采取四个或者更多波长进行调制，该方法所能测得的共相误差范围与所采用的成像波段有关。

4.根据权利要求1所述的基于多波长相位调制的拼接主镜共相误差探测方法，其特征在于：通过将一组光学传递函数分别乘上一个相移值相加再取平均，进而分离出拼接镜的相位误差。

5.根据权利要求1所述的基于多波长相位调制的拼接主镜共相误差探测方法，其特征在于：相位调制器件可以采用液晶piston相位调制器件，也可以采用液晶空间光调制器、三维快反镜、步进位移台相位调制器件、变形镜等能产生piston相位调制的器件。

6.根据权利要求1所述的基于多波长相位调制的拼接主镜共相误差探测方法，其特征在于：调制可以选3步相移调制，也可以选4步相移，5步相移甚至更多步像移调制。

7.根据权利要求1或6所述的基于多波长相位调制的拼接主镜共相误差探测方法，其特征在于：当调制步数M选定后，每一步的调制像移应满足公式(1)。

8.根据权利要求1或2所述的基于多波长相位调制的拼接主镜共相误差探测方法，其特征在于：点光源可以选取多波长激光器也可以选用宽波段点光源，当选用宽波带点光源时，可采用窄带滤波的方法，选取多个成像波段，实现共相误差探测。

9.根据权利要求1所述的基于多波长相位调制的拼接主镜共相误差探测方法，其特征在于：探测器件可以是CCD相机也可以是CMOS相机也可以是其它的面阵探测器。

10.根据权利要求1所述的基于多波长相位调制的拼接主镜共相误差探测方法，其特征在于：该方法既可以用在紧密拼接主镜成像系统中，又可以用在稀疏拼接主镜成像系统中；该方法既可以通过在主镜后方添加准直光路后进行调制检测，也可以不通过准直光路直接在主镜成像光路中进行调制检测。

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