CN108827596A - 一种应用于分块式拼接望远镜新型共相检测方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种应用于分块式拼接望远镜新型共相检测方法与装置，包括拼接镜望远镜、准直透镜、分块式变形镜、4f系统、第一分束器、第二分束器、拼接镜MASK、夏克‑哈特曼波前探测器、成像系统和控制系统；采用白光(400nm‑700nm)非相干图案和白光理想艾里斑图案作为模板，利用互相关算法计算拼接镜piston误差，并通过调节分块式变形镜来达到快速调节拼接镜piston误差的目的。该检测方法与光电检测系统在不增加现有检测系统复杂度情况下，具有无限量程、高精度、快速检测和调节piston误差的优点。

Description

一种应用于分块式拼接望远镜新型共相检测方法与装置

技术领域

本发明涉及光学共相检测领域，具体为一种应用于分块式拼接望远镜新型共相检测方法与装置。

背景技术

随着主动光学技术，计算机技术，传感器技术和先进光学加工技术的不断发展，拼接技术已经成为大口径望远镜口径不断增大的主要技术手段。拼接镜的共相检测技术是确保拼接精准和维持镜面质量的关键技术之一，定量测量数据是指导拼接确定性调整的依据，也是高质量拼接镜面成像和高望远镜角分辨率的根本保证。

目前大口径望远镜拼接技术是世界技术发达国家竞相开展研究的热门课题，其许多共相检测技术已经应用到实际的工程中。开展拼接共相检测技术的研究，进一步提高拼接效率和精度，对提高拼接镜面的成像质量以及促进拼接技术的进步具有重要意义。

现有技术中，拼接型望远镜piston误差检测有多种方法如相位差法、曲率传感技术、宽窄带夏克哈特曼法、四棱锥波前探测器法、色散条纹、色散瑞利干涉法，双波长检测等方法，但这些方法都无法同时达到大量程、高精度、高能量利用率、较快速度的检测。

目前运行的拼接望远镜都是通过调节拼接望远镜主镜的piston误差来达到共相调节的目的，但单块拼接子镜的口径惯性大，共振频率低，使得共相调节的效率低下。同时，即使望远镜实现了快速共相检测，也不能实现拼接望远镜快速共相调节的要求。

为此，本发明涉及一种应用于分块式拼接望远镜新型共相检测方法与装置，达到快速调节拼接望远镜系统中的piston误差以及倾斜误差的目的。

发明内容

为解决背景技术提出的问题，本发明旨在提供一种应用于分块式拼接望远镜新型共相检测方法与装置，实现快速调节拼接望远镜系统中的piston误差和倾斜误差的目的。

本发明在拼接镜望远镜系统中拼接镜的共轭面放置与拼接子镜一一对应的分块式变形镜，通过调节分块式变形镜来达到快速调节拼接望远镜系统中的piston误差。

一种应用于分块式拼接望远镜新型共相检测装置，其特征在于包括：

拼接望远镜，包含拼接子镜，将接收外围的入射光线会聚后输出；

准直透镜，将接受的光束转为平行光束；

分块式变形镜，设有后驱动器，并将光束导向4f系统；

4f系统，将来自分块式变形镜的光束导向第一分束器；

第一分束器，将入射光束分成第一分光束和第二分光束；

拼接镜MASK，将第一分光束导向第一夏克-哈特曼波前探测器；

第二分束器，将第二分光束分成第三分光束以及第四分光束；第三分光束导向成像系统，第四分光束导向第二夏克-哈特曼波前探测器；以及

控制系统，与第一波前探测器、第二波前探测器以及成像系统数据连通，并与分块式变形镜的后驱动器连接。

进一步的，所述第一分束器和第二分束器均为分光棱镜。

进一步的，所述拼接镜MASK的中圆孔正对第一夏克-哈特曼波前探测器。

进一步的，所述成像系统包括自适应系统以及观测系统，成像系统包括自适应系统和观测系统；其中自适应系统用以校正大气湍流对光波质量的影响，观测系统用以观测天体信息。

本发明提出利用夏克哈特曼获得相邻拼接子镜间白光非远场光斑信息，并利用互相关算法计算相邻子镜间远场光斑与模板图案之间的互相关系数，通过设定互相关系数的阈值；当所得互相关系数小于所设定阈值时，采用白光理想艾里斑作为模板，以白光相干长度为量程，以检测精度为步长，并利用互相关算法计算相邻子镜间远场光斑与模板图案之间的互相关系数。其中互相关系数对应最大值平移(piston)误差为拼接piston误差值，通过快速调节分块式变形镜的后驱动器来实现拼接望远镜镜系统快速共相调节的目的。

一种应用于分块式拼接望远镜新型共相检测方法，包括以下步骤：

步骤1，利用拼接望远镜将外围的入射光线会聚后射向准直透镜；

步骤2，利用准直透镜将来自拼接望远镜的光束折射成平行光束，并将平行光束射向分块式变形镜；

步骤3，利用分块式变形镜将来自准直透镜的平行光束射向4f系统；

步骤4，利用4f系统将来自分块式变形镜的平行光束射向第一分束器；

步骤5，利用第一分束器将来自4f系统的平行光束分为第一分光束和第二分光束，第一分光束射向拼接镜MASK，第二分光束射向第二分光棱镜；

步骤6，利用拼接镜MASK将来自第一分束器的第一分光束射向第一夏克-哈特曼波前探测器；

步骤7，第一分光束在高帧频CCD上分别呈现两相邻拼接子镜间白光远场光斑，利用互相关算法，采用白光非相干图案与理想艾里斑作为模板，计算得到拼接望远镜的piston误差，最后通过控制系统控制分块式变形镜，快速调节拼接望远镜系统的piston误差；

步骤8，利用第二分束器将第二分光束分成第三分光束和第四分光束，将第三分光束射向成像系统；

步骤9，将第四分光束射向第二夏克-哈特曼波前探测器，第四分光束在高帧频CCD上形成一系列的远场光斑，并通过该远场光斑偏离标定位置的方位，计算拼接镜的倾斜误差，通过控制系统控制分块式变形镜以实时调节拼接望远镜系统的倾斜误差。

有益效果：与现有技术相比，本发明提出采用白光非相干图案与理想艾里斑作为模板，利用互相关算法计算得到拼接镜piston误差，该方法具有无限量程、高精度、高能量利用率、较快速度的检测优点；本发明通过所新提出的共相检测方法来检测piston误差，并通过调节分块式变形镜调节piston误差，实现了拼接望远镜系统的快速共相检测和piston误差调节的目的。

附图说明

图1为本发明装置的组成及原理示意图；

图2为拼接镜MASK的分布示意图；

图3为白光非相干模板图案；

图4为以白光非相干为模板图案时，互相关系数与piston误差关系图；

图5为白光理想艾里斑模板图案；

图6为以白光理想艾里斑为模板图案时，互相关系数与piston误差关系图；

图中：1-拼接望远镜；2-准直透镜；3-分块式变形镜；4-4f系统；5-第一分光棱镜；6-拼接镜MASK；7-第一夏克哈特曼波前探测器；8-第二分光棱镜；9-第二夏克哈特曼波前探测器；10-成像系统；11-控制系统。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图1所示，本发明一种应用于分块式拼接望远镜新型共相检测装置，包括：拼接望远镜1、准直透镜2、分块式变形镜3、4f系统4、第一分光棱镜5、拼接镜MASK 6、第一夏克哈特曼波前探测器(S-H)7、分光棱镜8、第二夏克哈特曼波前探测器9、成像系统10和控制系统11。

拼接望远镜1接收外围来自待测物体的入射光线，并会聚成出射光线发出。

准直透镜2将出射光线折射成平行光线或近乎平行的光线。

分块式变形镜3将来自准直透镜2的光束反射射向4f系统4。

4f系统将对来自分块式变形镜的光束处理后射向第一光棱镜5。

第一分光棱镜5接收来自4f系统的光束，并向拼接镜MASK6传输第一分光束，向第二分光棱镜8传输第二分光束。

拼接镜MASK 6接收第一分光束，并将第一分光束射向第一夏克哈特曼波前探测器7。

第一夏克哈特曼波前探测器7接收来自拼接镜MASK6第一分光束，第一分光束将照射在第一夏克哈特曼波前探测器7的微透镜阵列上。

第一夏克哈特曼波前探测器7与控制系统11通信连接，控制系统11与分块式变形镜3的驱动器连接。

第二分光棱镜8接收第二分光束，并向成像系统10传输第三分光束，向第二夏克哈特曼波前探测器9传递第四分光束。

第二夏克哈特曼波前探测器9与控制系统11通信连接。

成像系统10内包括自适应系统以及观测系统，其中自适应系统用以校正大气湍流对光波质量的影响，观测系统用以观测天体信息。

如图2所示，为拼接镜MASK的分布示意图。

其中第一夏克哈特曼波前探测器7的微透镜阵列子透镜对应拼接镜mask 6的中圆孔，并在高帧频CCD相机上采集到圆孔远场衍射图案。

如图3所示，为白光非相干模板图案，图中为远场光斑不旋转、顺时针旋转60°以及逆时针旋转60°的白光非相关模板图案。

以白光非相干远场图案为模板，再以某一块子镜为参考，控制分块式变形镜3的驱动器以0.04um为步长、相对于参考子镜来回走动，每走一步通过高帧频CCD相机采集圆孔远场衍射图案，并与模板图案匹配。

如图4所示，以白光非相干模板图案时，互相关系数与piston误差关系图。图中为某拼接子镜相对于参考镜piston误差以2um为量程，以0.02um为步长，前后走100步所得远场图案与模板图案匹配的互相关系数曲线变化图。

从图中可知：当piston误差大于在白光非相干长度时，互相关系数变化不大，当piston误差在白光相干长度范围内时，互相关系数大幅度的下降。

因此，调控控制分块式变形镜3的后驱动器，并利用互相关算法求出互相关系数，当所求互相关系数小于所设定阈值时，停止走动。此时，拼接镜piston误差在白光相干长度以内，即此时拼接镜piston误差在±0.25um以内。

由夫琅和费衍射理论可知：当拼接镜piston误差在±0.25um以内，白光远场衍射图案只存在唯一理想艾里斑，如图5所示。

图6为以白光理想艾里斑为模板图案时，互相关系数与piston误差关系图。图中为拼接镜piston误差在±0.25um以内，从图中可知：当piston误差在白光相干长度内时，只存在唯一最大互相关系数值，而对应最大值piston误差的互相关系数为拼接piston误差值。可通过调节分块式变形镜3的piston误差，达到了快速调节拼接望远镜系统的piston误差。

第一分光束进入第一夏克哈特曼波前探测器，并在高帧频CCD上分别呈现两相邻拼接子镜间白光远场光斑。利用互相关算法，采用白光非相干图案与理想艾里斑作为模板，计算得到拼接镜piston误差，最后通过控制系统11控制分块式变形镜3，达到快速调节拼接镜望远镜系统的piston误差的目的。

第四分光束在第二夏克哈特曼波前探测器9的高帧频CCD上形成一系列的远场光斑，通过该远场光斑偏离标定位置的方位，计算拼接镜的倾斜误差，通过控制系统11控制分块式变形镜3以实时调节拼接镜望远镜系统的倾斜误差。

一种应用于分块式拼接望远镜新型共相检测方法，进行说明。该控制方法包括以下步骤：

步骤1，利用拼接望远镜1将外围的入射光线会聚后射向准直透镜2；

步骤2，利用准直透镜2将来自拼接望远镜1的光束折射成平行光束，并将平行光束射向分块式变形镜3；

步骤3，利用分块式变形镜3将来自准直透镜2的平行光束射向4f系统4；

步骤4，利用4f系统将来自分块式变形镜3的平行光束射向第一分光棱镜5；

步骤5，利用第一分光棱镜5将来自4f系统的平行光束分为第一分光束和第二分光束，第一分光束射向拼接镜MASK6，第二分光束射向第二分光棱镜8；

步骤6，利用拼接镜MASK6将来自第一分光棱镜5的第一分光束射向第一夏克哈特曼波前探测器；

步骤7，第一分光束在高帧频CCD上分别呈现两相邻拼接子镜间白光远场光斑，利用互相关算法，采用白光非相干图案与理想艾里斑作为模板，计算得到拼接望远镜的piston误差，最后通过控制系统10控制分块式变形镜，快速调节拼接望远镜系统的piston误差；

步骤8，利用第二分光棱镜8将第二分光束分成第三分光束和第四分光束，将第三分光束射向成像系统10，成像系统10内包括自适应系统以及观测系统，其中自适应系统用以校正大气湍流对光波质量的影响，观测系统用以观测天体信息；

步骤9，将第四分光束射向第二夏克哈特曼波前探测器9，第四分光束在高帧频CCD上形成一系列的远场光斑，并通过该远场光斑偏离标定位置的方位，计算拼接镜的倾斜误差，通过控制系统11控制分块式变形镜3以实时调节拼接望远镜系统的倾斜误差。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (5)

1.一种应用于分块式拼接望远镜新型共相检测装置，其特征在于所述装置包括：

拼接望远镜，其将接收外围的入射光线会聚后输出；

准直透镜，将接受光束转为平行光束；

分块式变形镜，设有后驱动器，并将光束导向4f系统；

4f系统，将来自分块式变形镜的光束导向第一分束器；

第一分束器，将入射光束分成第一分光束和第二分光束；

拼接镜MASK，将第一分光束导向第一哈特曼-夏克波前传感器；

第二分束器，将第二分光束分成第三分光束以及第四分光束；第三分光束导向成像系统，第四分光束导向第二哈特曼-夏克波前传感器；以及

控制系统，与第一哈特曼-夏克波前传感器、第二哈特曼-夏克波前传感器以及成像系统数据连通，并与分块式变形镜的后驱动器连接。

2.根据权利要求1所述的应用于分块式拼接望远镜新型共相检测装置，其特征在于：所述第一分束器和第二分束器均为分光棱镜。

3.根据权利要求1所述的应用于分块式拼接望远镜新型共相检测装置，其特征在于：所述拼接镜MASK的中圆孔正对第一哈特曼-夏克波前传感器。

4.根据权利要求1所述的应用于分块式拼接望远镜新型共相检测装置，其特征在于：所述成像系统包括自适应系统以及观测系统。

5.一种应用于分块式拼接望远镜新型共相检测方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

步骤1，利用拼接望远镜将外围的入射光线会聚后射向准直透镜；

步骤2，利用准直透镜将来自拼接望远镜的光束折射成平行光束，并将平行光束射向分块式变形镜；

步骤3，利用分块式变形镜将来自准直透镜的平行光束射向4f系统；

步骤4，利用4f系统将来自分块式变形镜的平行光束射向第一分束器；

步骤5，利用第一分束器将来自4f系统的平行光束分为第一分光束和第二分光束，第一分光束射向拼接镜MASK，第二分光束射向第二分光棱镜；

步骤6，利用拼接镜MASK将来自第一分束器的第一分光束射向第一夏克-哈特曼波前探测器；

步骤7，第一分光束在高帧频CCD上分别呈现两相邻拼接子镜间白光远场光斑，利用互相关算法，采用白光非相干图案与理想艾里斑作为模板，计算得到拼接望远镜的piston误差，最后通过控制系统控制分块式变形镜的后驱动器，快速调节拼接望远镜系统的piston误差；

步骤8，利用第二分束器将第二分光束分成第三分光束和第四分光束，将第三分光束射向成像系统；

步骤9，将第四分光束射向第二夏克-哈特曼波前探测器，第四分光束在高帧频CCD上形成一系列的远场光斑，并通过该远场光斑偏离标定位置的方位，计算拼接镜的倾斜误差，通过控制系统控制分块式变形镜以实时调节拼接望远镜系统的倾斜误差。