CN108845415B - 一种应用于拼接镜的粗共相调节的方法与检测系统 - Google Patents

Abstract

一种应用于拼接镜的粗共相调节的检测系统，包括：拼接望远镜，准直透镜，4f系统，第一分束器，拼接镜MASK，第二分束器，第三分光束，成像系统，夏克‑哈特曼波前探测器以及控制系统。本发明提出利用远场光斑相干性的方法来检测拼接镜piston误差，本方法具有无限量程检测、较快速度和高能量利用率的检测piston误差的优点；本发明在拼接镜背后放置的三电容传感器来控制驱动器的精确移动，达到了主动共相调节的目的。

Description

一种应用于拼接镜的粗共相调节的方法与检测系统

技术领域

本发明涉及光学共相检测领域，具体为一种应用于拼接镜的粗共相调节的方法与检测系统。

背景技术

目前制作大口径望远镜主要有4种设计方案：轻质镜、蜂窝镜、特殊镜面、拼接镜。但由于制造技术、加工成本、风险因素等方面的原因，单块口径的光学望远镜不能无限增大。目前单块光学望远镜主镜口径极限约为8.4m，若要制造更大口径的光学望远镜，就需采用拼接镜技术。但是使用拼接镜技术也会带来新的问题，其中亟需解决的关键问题之一是各子镜间的平移(piston)误差的检测问题。只有当拼接镜共焦共相时，才能达到与单镜面主镜系统口径相当的角分辨率。

目前，拼接型望远镜平移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、色散条纹等方法，但都存在各式的问题，如相位差法存在耗时过长问题，四棱锥存在顶点对准难、加工难度大等问题，色散条纹存在条纹抖动问题，因此这些共相检测法只适用特定场合或者作为其他方法的补充，实际应用相对较少。

目前,两个正在运行的拼接式望远镜(Keck和GTC望远镜)都采用宽窄带夏克哈特曼法获取子镜之间相位信息。但是宽带夏克哈特曼法调节共相所需耗时长，窄带夏克哈特曼法虽耗时少，但利用波段为窄波，能量利用率低。

为此，本发明提出利用可见光远场光斑相干性的方法来检测拼接镜piston误差，该方法解决了宽带夏克哈特曼法中耗时长、窄带夏克哈特曼法能量利用低的缺点。从而达到大量程、耗时短和高能量利用率的检测piston误差的目的。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对目前拼接镜系统共相方法存在大量程检测与耗时多、能量利用率低的矛盾，提出利用远场光斑相干性的方法计算相邻子镜间的平移(piston)误差，达到大量程、耗时短和高能量利用率的检测piston误差的目的。

一种应用于拼接镜的粗共相调节的检测系统，包括：

拼接望远镜，包括多个拼接子镜，所述拼接子镜背后设有电容传感器和促动器，所述拼接望远镜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；所述拼接子镜有3支撑点，该支撑点由促动器控制，且均布在同一圆上；

准直透镜，将接受光束转为平行光束；

4f系统，将来准直透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，将第二分光束导向第二波前探测器；

第二分束器，将第一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，第四分光束导向第一波前探测器；以及

控制系统，与第一夏克-哈特曼波前探测器、第二夏克-哈特曼波前探测器以及成像系统数据连通，并与电容传感器和促动器电性连接；所述成像系统包括自适应系统以及观测系统。

进一步的，所述第一分束器和第二分束器均为分光棱镜。

一种应用于拼接镜的粗共相调节的方法，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4f系统；

步骤3，利用4f系统将来自准直透镜的平行光束射向第一分光棱镜；

步骤4，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，第一分光束射向第二分束器，第二分光束射向拼接镜MASK；

步骤5，利用拼接镜MASK将来自第一分束器的第二分光束射向第二夏克-哈特曼波前探测器；

步骤6，利用第二分光束在高帧频CCD上分别呈现两相邻拼接子镜间白光远场光斑，再利用互相关算法，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的piston误差；

步骤7，利用第二分束器将第一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，成像系统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8，将第四分光束射向第一波前探测器，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，通过控制系统控制拼接镜以调节拼接镜的倾斜误差。

有益效果：有现有技术相比，本发明提出利用远场光斑相干性的方法来检测拼接镜piston误差，本方法具有无限量程检测、较快速度和高能量利用率的检测piston误差的优点；本发明在拼接镜背后放置的三电容传感器来控制驱动器的精确移动，达到了主动共相调节的目的。

附图说明

图1为本发明装置的组成及原理示意图；

图2为促动器与传感器分布示意图；

图3为控制系统原理示意图；

图4为夏克哈特曼波前传感器示意图；

图5为拼接镜MASK分布示意图；

图6为模板图案；

图7为互相关系数匹配曲线图；

图中：1-拼接望远镜；2-准直透镜；3-4f系统；4-第一分光棱镜；5-第二分光棱镜；6-第一夏克哈特曼波前探测器；7-成像系统；8-拼接镜MASK；9-第二夏克哈特曼波前探测器；10-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，本发明一种应用于拼接镜的粗共相调节的检测系统，包括：拼接望远镜1、准直透镜2、4f系统3、第一分光棱镜4、第二分光棱镜5、第一夏克哈特曼波前探测器(S-H)6、成像系统7、拼接镜MASK8、第二夏克哈特曼波前探测器9和控制系统10。

拼接望远镜1，包括多个拼接子镜，所述拼接子镜背后设有电容传感器和促动器，所述拼接望远镜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。所述拼接子镜有3支撑点，该支撑点由促动器控制，且均布在同一圆上。

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。

4f系统3将对来自准直透镜2的光束处理后射向第一光棱镜4。

第一分光棱镜4接收来自4f系统3的光束，并向拼接镜MASK 8传输第二分光束，向第二分光棱镜5传输第一分光束。

拼接镜MASK 8接收第二分光束，并将第二分光束射向第二夏克哈特曼波前探测器9。

第二夏克哈特曼波前探测器9接收来自拼接镜MASK 8的第二分光束，第二分光束将照射在第二夏克哈特曼波前探测器9的微透镜阵列上。

第二分光棱镜5接收第一分光束，并向成像系统7传输第三分光束，向第一夏克哈特曼波前探测器6传递第四分光束。

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。

控制系统10与第一夏克哈特曼波前探测器6、第二夏克哈特曼波前探测器9以及成像系统7通信连接；所述控制系统与电容传感器和促动器电性连接。

拼接望远镜1接受光波信息，由于拼接子镜之间存在倾斜误差和piston误差，使得接受的光波是非连续性光波；光波经过准直透镜2准直为平行光后，依次经过4f系统3和第一分光棱镜4分为第一分光束和第二分光束；第为分光束经过拼接镜MASK 8后，进入第为夏克哈特曼波前探测器9；第一分光束进入分光棱镜5分成第三分光束和第四分光束，第四分光束进入第一夏克哈特曼波前探测器6内，第三分光束进入成像系统7内。

如图2所示，为促动器与传感器分布示意图；所述拼接子镜背后设有电容传感器，电容传感器数量优选为三个，且均布在一圆周上；所述的每个拼接子镜有3支撑点，支撑点与电容传感器分布在同一圆周上，所述支撑点由促动器控制。

以某一拼接子镜为参考，光波在经过第一夏克哈特曼6后可计算出其他拼接子镜的倾斜量，并转化到每块子镜电容传感器的值，通过电容传感器的值来闭环控制促动器。

进入哈特曼波前探测器6的光束，在高帧频CCD上形成一系列的衍射光斑，并通过数据处理机将该衍射光斑偏离标定位置的方位和距离，计算拼接子镜的倾斜误差，并通过控制系统10控制拼接镜以调节拼接镜倾斜误差。

如图4所示，哈特曼微透镜阵列被分为四部分，每一区域对应一块拼接子镜，光在进入微透镜阵列后，在高帧频CCD靶面上形成衍射光斑；采用质心算法计算每块区域光斑中心位置与标定位置比较，分别计算出波前相位倾斜量和倾斜方向，控制系统10根据高帧频CCD采集到的数据，控制拼接镜的促动器，实时补偿拼接镜倾斜误差。

进入第二夏克哈特曼波前探测器9的第二分光束在高帧频CCD上分别呈现在白光下两相邻拼接子镜间远场光斑。

如图5所示，第二分光束进入mask 8后，光束被遮挡大部分，然后再照射在微阵列透镜上，其中微透镜阵列子透镜对应mask中圆孔，并在高帧频CCD采集到5个圆孔衍射图案。

以白光非相干图案为模板，以某一块子镜为参考，通过传感器控制拼接子镜后三驱动器以0.05um为步长、相对于参考子镜来回走动。每走一步在高帧频CCD采集到5个圆孔衍射图案，并与模板图案匹配，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，拼接镜的piston误差在白光相干长度以内。

如图6所示，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。

如图7所示，图中为某拼接子镜相对于参考镜以0.03um为步长，前后来回走100步所得图案与模板图案匹配的互相关系数曲线，从图中可知：在白光非相干长度外，互相关匹配系数变化不大，当平移误差在白光相干长度范围内时，匹配系数有较大幅度的下降。

利用远场光斑相干性的方法计算出相邻子镜间piston误差，最后通过控制系统10控制拼接镜镜后设置的促动器，将需控制的拼接子镜相对于参考镜来回走动，该过程也是通过控制电容传感器的值来闭环控制促动器，从而达到调节效果，达到调节拼接镜系统piston误差的效果。

一种应用于拼接镜的粗共相调节的检测系统，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4f系统3；

步骤3，利用4f系统3将来自准直透镜2的平行光束射向第一分光棱镜4；

步骤4，利用第一分光棱镜4将来自4f系统3的平行光束分为第一分光束和第二分光束，第二分光束射向拼接镜MASK 8，第一分光束射向第二分光棱镜5；

步骤5，利用拼接镜MASK 8将来自第一分光棱镜5的第二分光束射向第二夏克哈特曼波前探测器9；

步骤6，利用第二分光束在高帧频CCD上分别呈现两相邻拼接子镜间白光远场光斑，再利用互相关算法，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的piston误差；

步骤7，利用第二分光棱镜5将第一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7，成像系统7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8，将第四分光束射向第一夏克哈特曼波前探测器6，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10控制拼接镜以调节拼接镜的倾斜误差。

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 (3)

1.一种应用于拼接镜的粗共相调节的检测系统，其特征在于包括：

拼接望远镜，包括多个拼接子镜，所述拼接子镜背后设有电容传感器和促动器，所述拼接望远镜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；所述拼接子镜有3支撑点，该支撑点由促动器控制，且均布在同一圆上；

准直透镜，将接受光束转为平行光束；

4f系统，将来准直透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，将第二分光束导向第二夏克-哈特曼波前探测器；

第二分束器，将第一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，第四分光束导向第一夏克-哈特曼波前探测器；以及

控制系统，与第一夏克-哈特曼波前探测器、第二夏克-哈特曼波前探测器以及成像系统数据连通，并与电容传感器和促动器电性连接；所述成像系统包括自适应系统以及观测系统。

2.根据权利要求1所述的应用于拼接镜的粗共相调节的检测系统，其特征在于：所述第一分束器和第二分束器均为分光棱镜。

3.一种应用于拼接镜的粗共相调节的方法，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4f系统；

步骤3，利用4f系统将来自准直透镜的平行光束射向第一分光棱镜；

步骤4，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，第一分光束射向第二分束器，第二分光束射向拼接镜MASK；

步骤5，利用拼接镜MASK将来自第一分束器的第二分光束射向第二波前探测器；

步骤6，利用第二分光束在高帧频CCD上分别呈现两相邻拼接子镜间白光远场光斑，再利用互相关算法，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的piston误差；

步骤7，利用第二分束器将第一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，成像系统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8，将第四分光束射向第一波前探测器，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，通过控制系统控制拼接镜以调节拼接镜的倾斜误差。

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