CN109556513B

CN109556513B - 一种相邻拼接镜检测方法及检测系统

Info

Publication number: CN109556513B
Application number: CN201811409099.5A
Authority: CN
Inventors: 安其昌; 曹海峰; 杨飞; 张景旭
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2018-11-23
Filing date: 2018-11-23
Publication date: 2020-05-15
Anticipated expiration: 2038-11-23
Also published as: CN109556513A

Abstract

本发明涉及光学领域，具体涉及一种相邻拼接镜检测方法及检测系统，该方法及系统中将相干光光源分成两束具有预设光程差的平行光束；将两束平行光束分别入射到相邻两拼接镜上进行反射；对反射后的两束平行光束进行折转交叉，对折转交叉后的两束光束进行干涉产生干涉条纹；由干涉条纹信息推算出相邻两拼接镜之间的参数信息。与现有采用边缘传感器检测方法相比，本发明的精度更高，方便拆卸及维护并且不受环境温度、湿度、灰尘等因素的影响，且在装调过程中容易操作，解决传统边缘传感器易受环境温度、湿度、灰尘等因素影响的难题，适用于需要高精度共焦共相对准的拼接望远镜镜面，结构简单，可行性强，安装便捷，并具有单元集成的功能。

Description

一种相邻拼接镜检测方法及检测系统

技术领域

本发明涉及光学领域，具体而言，涉及一种相邻拼接镜检测方法及检测系统。

背景技术

地基望远镜的分辨率跟大气湍流、观测波长、望远镜的有效口径等因素有关。假设望远镜所处环境受大气湍流影响因素稳定不变，观测波长一定，此时望远镜的分辨率与望远镜的有效口径呈正比，但是随着天文探索技术的不断发展，为了探索更加暗弱的遥远目标，望远镜的口径需要不断增大，但是受到加工制造、搬运装调、技术难度、系统可靠性等方面现实因素的制约，单块口径望远镜的口径不能无限增大。目前世界上使用的最大口径望远镜的直径约为8.4m，若要实现更大口径的望远镜，只能通过拼接的技术手段。但是，使用拼接镜的技术手段同样面临着许多新的问题与挑战，其中亟待解决的是拼接子镜的共焦/共相问题。共焦是使拼接子镜间的焦点重合、而共相则要求拼接子镜间相位一致，只有达到共相时才能实现跟同样口径的单镜完全相同的成像效果。这就要求通过调整拼接子镜的piston/tip/tilt实现共焦/共相。调整过程通过高精度微位移促动器实现，这就需要对相邻拼接镜间的piston/tip/tilt进行高精度的检测。

拼接望远镜的拼接镜面的主要特点是每个拼接镜之间都具有三个独立的自由度(piston/tip/tilt)，并且拼接镜面为镀膜反射面，还应保证光学表面在检测过程中不被损坏。

目前，世界上正投入使用的大口径拼接望远镜(美国的Keck和西班牙的GTC)及正在建的美国的JWST和TMT，欧洲南方天文台的E-ELT都是通过调节拼接子镜的piston/tip/tilt实现共焦/共相调节的。但是由于拼接子镜的口径都大于1m，这给拼接镜的装调带来了不便，使得拼接镜不能实现高精度的装调要求。

拼接式望远镜安装时需要将相邻的拼接镜以一定的相对位姿精度装调，需要测量两个拼接镜的相对位姿，常用光学测量手段测量拼接镜的相对位姿。由于拼接镜面尺寸比较大难以在实验室完成装调，所以需要体积小易携带的测量装置便于移动式测量，并且在拼接镜更换时方便重新安装对准，并且要求简单易操作。

发明内容

本发明实施例提供了一种相邻拼接镜检测方法及检测系统，以至少解决现有拼接镜拼接对位难的技术问题。

根据本发明的实施例，提供了一种相邻拼接镜检测方法，包括以下步骤：

将相干光光源分成两束具有预设光程差的平行光束；

将两束平行光束分别入射到相邻两拼接镜上进行反射；

对反射后的两束平行光束进行折转交叉，对折转交叉后的两束光束进行干涉产生干涉条纹；

由干涉条纹信息推算出相邻两拼接镜之间的参数信息。

进一步地，对折转交叉后的两束光束进行干涉产生干涉条纹包括：

对折转交叉后的两束光束进行汇聚干涉，调节汇聚干涉后光束的光线强度，并经准直处理后呈平行光束射出。

进一步地，方法在将相干光光源分成两束具有预设光程差的平行光束之前，还包括步骤：

将相干光光源进行扩束，由细光束扩束为粗光束。

进一步地，方法在对反射后的两束平行光束进行折转交叉之前，还包括步骤：

对反射后的两束平行光束截取有效区域的光束。

进一步地，方法在由干涉条纹信息推算出相邻两拼接镜之间的参数信息之前，还包括步骤：

对干涉的两束平行光束在垂直于光轴方向的平面上进行三维平移和两维倾斜调整，产生清晰稳定的干涉条纹。

进一步地，干涉条纹信息包括产生干涉条纹前两束平行光束的波前信息，参数信息包括法向光程差及倾斜误差。

根据本发明的另一实施例，提供了一种相邻拼接镜检测系统，包括：

激光器，用于产生相干光光源；

分束器，用于将相干光光源分成两束具有预设光程差的平行光束并入射到相邻两拼接镜上进行反射；

光束干涉器，用于对反射后的两束平行光束进行折转交叉，对折转交叉后的两束光束进行干涉产生干涉条纹；

参数计算单元，用于由干涉条纹信息推算出相邻两拼接镜之间的参数信息。

进一步地，分束器包括：直角三角形棱镜、平行四边形棱镜，直角三角形棱镜与角度与其互补的平行四边形棱镜胶合连接，胶合层对相干光光源实现半透射半反射，光程差为平行四边形棱镜的底边边长。

进一步地，光束干涉器包括：

等腰三角形棱镜，用于对反射后的两束平行光束进行折转交叉；

汇聚透镜，用于对折转交叉的两束光束进行汇聚干涉；

光阑，用于调节汇聚干涉后光束的光线强度；

准直透镜，用于对调节光线强度后的光束进行准直处理将光束平行射出。

进一步地，系统还包括：

扩束器，设置在激光器和分束器之间，用于将相干光光源进行扩束，由细光束扩束为粗光束；

孔掩膜，设置在相邻两拼接镜与光束干涉器之间，用于对反射后的两束平行光束截取有效区域的光束；

参数计算单元包括成像系统及移动部件，移动部件用于对成像系统进行位置移动，使得成像系统对干涉的两束平行光束在垂直于光轴方向的平面上进行三维平移和两维倾斜调整，在成像系统上接收到清晰稳定的干涉条纹。

本发明实施例中的相邻拼接镜检测方法及检测系统，由干涉条纹信息推算出相邻两拼接镜之间的参数信息，通过干涉条纹信息计算出相邻两拼接镜之间的参数信息，与现有采用边缘传感器检测方法相比，本发明的精度更高，方便拆卸及维护并且不受环境温度、湿度、灰尘等因素的影响，且在装调过程中容易操作，解决传统边缘传感器易受环境温度、湿度、灰尘等因素影响的难题，适用于需要高精度共焦共相对准的拼接望远镜镜面，结构简单，可行性强，安装便捷，并具有单元集成的功能。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，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为本发明相邻拼接镜检测方法的流程图；

图2为本发明相邻拼接镜检测方法的优选流程图；

图3为本发明中相干光干涉原理示意图；

图4为本发明相邻拼接镜检测装置的结构示意图；

其中附图标记为：1、激光器；2、扩束器；3、直角三角形棱镜；4、胶合层；5、平行四边形棱镜；6、拼接镜I；7、拼接镜II；8、孔掩膜；9、等腰三角形棱镜；10、汇聚透镜；11、光阑；12、准直透镜；13、成像系统。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

根据本发明一实施例，提供了一种相邻拼接镜检测方法，适用于拼接镜面的共焦/共相，参见图1，包括以下步骤：

S101:将相干光光源分成两束具有预设光程差的平行光束；

S102:将两束平行光束分别入射到相邻两拼接镜上进行反射；

S104:对反射后的两束平行光束进行折转交叉，对折转交叉后的两束光束进行干涉产生干涉条纹；

S106:由干涉条纹信息推算出相邻两拼接镜之间的参数信息。

本发明实施例中的相邻拼接镜检测方法，由干涉条纹信息推算出相邻两拼接镜之间的参数信息，通过干涉条纹信息计算出相邻两拼接镜之间的参数信息，与现有采用边缘传感器检测方法相比，本发明的精度更高，方便拆卸及维护并且不受环境温度、湿度、灰尘等因素的影响，且在装调过程中容易操作，解决传统边缘传感器易受环境温度、湿度、灰尘等因素影响的难题，适用于需要高精度共焦共相对准的拼接望远镜镜面，结构简单，可行性强，安装便捷，并具有单元集成的功能。

作为优选的技术方案中，步骤S104具体包括：

对反射后的两束平行光束进行折转交叉，对折转交叉后的两束光束进行汇聚干涉，调节汇聚干涉后光束的光线强度，并经准直处理后呈平行光束射出，以便于获取更稳定清晰的干涉条纹信息。

作为优选的技术方案中，参见图2，方法在由干涉条纹信息推算出相邻两拼接镜之间的参数信息之前，还包括步骤：

S105:对干涉的两束平行光束在垂直于光轴方向的平面上进行三维平移和两维倾斜调整，产生清晰稳定的干涉条纹，以便于获取更稳定清晰的干涉条纹信息。

作为优选的技术方案中，参见图2，方法在对反射后的两束平行光束进行干涉产生干涉条纹之前，还包括步骤：

S103:对反射后的两束平行光束截取有效区域的光束，以便截取有效区域光束。

作为优选的技术方案中，参见图2，方法在将相干光光源分成两束具有预设光程差的平行光束之前，还包括步骤：

S100:将相干光光源进行扩束，由细光束扩束为粗光束，由粗光束进行分束。

作为优选的技术方案中，参见图2，干涉条纹信息包括产生干涉条纹前两束平行光束的波前信息，参数信息包括法向光程差piston参数信息及倾斜误差tip/tilt参数信息。

实施例2

根据本发明的另一实施例，参见图4，提供了一种相邻拼接镜检测系统，包括：

激光器1，用于产生相干光光源；

光束干涉器，用于用于对反射后的两束平行光束进行折转交叉，对折转交叉后的两束光束进行干涉产生干涉条纹；

作为优选的技术方案中，分束器包括：直角三角形棱镜3、平行四边形棱镜5，直角三角形棱镜3与角度与其互补的平行四边形棱镜5胶合连接，胶合层4对相干光光源实现半透射半反射，光程差为平行四边形棱镜5的底边边长。

分束器由直角三角形棱镜3与角度与其互补的平行四边形棱镜5胶合而成。分束器的两束出射光线分别入射到拼接镜I 6和拼接镜II 7，两棱镜之间通过胶合使一块三角形棱镜与一块角度与其互补的平行四边形棱镜5固结在一起，胶合面实现半透半反的作用。胶合的两棱镜将入射光束转换为一定间距的两束平行出射光束实现分束的功能。

作为优选的技术方案中，光束干涉器包括：

等腰三角形棱镜9，用于对反射后的两束平行光束进行折转交叉；

汇聚透镜10，用于对折转交叉的两束光束进行汇聚干涉；

光阑11，用于调节汇聚干涉后光束的光线强度；

准直透镜12，用于对调节光线强度后的光束进行准直处理将光束平行射出。

作为优选的技术方案中，系统还包括：

扩束器2，设置在激光器1和分束器之间，用于将相干光光源进行扩束，由细光束扩束为粗光束；在拼接镜反射面一侧，在拼接镜近似平行的平面放置激光器1，沿着激光器1发射光线方向依次放置扩束器2和分束器。

孔掩膜8，设置在相邻两拼接镜与光束干涉器之间，用于对反射后的两束平行光束截取有效区域的光束。

作为优选的技术方案中，参数计算单元包括成像系统13及移动部件，移动部件用于对成像系统13进行位置移动，使得成像系统13对干涉的两束平行光束在垂直于光轴方向的平面上进行三维平移和两维倾斜调整，在成像系统13上接收到清晰稳定的干涉条纹。

成像系统13可以在垂直于光轴的平面内进行三维平移和两维倾斜角度的微调，以保证成像系统13采集清晰稳定的干涉条纹的要求。

可选地，用于移动成像系统13的移动部件包括：

用于固定成像系统13，并控制其在水平方向和垂直方向移动的平移导轨；

用于控制成像系统13旋转的旋转机构。

本发明实施例中的相邻拼接镜检测系统，在拼接镜的反射面一侧设置激光器1，激光器1产生细束光经扩束器2转换成粗光束，粗光束入射到由直角三角形棱镜3与角度与直角三角形棱镜3互补的平行四边形棱镜5胶合而成的分束器，粗光束经过分束器后变成两平行光束，平行光束分别入射到两相邻的拼接镜上经拼接镜反射的光线通过孔掩膜8(HoleMask)后入射到等腰三角形棱镜9上，等腰三角形棱镜9将两束光线折转实现光束交叉，汇聚透镜10位于交叉光束交叉区域，交叉光线经过光阑11和准直透镜12后入射到成像系统13。成像系统13记录光束交叉区域的干涉条纹图样信息，干涉条纹信息经过计算机处理后得到两拼接镜的piston/tip/tilt信息。

与现有采用边缘传感器检测方法相比，本发明的精度更高，方便拆卸及维护并且不受环境温度、湿度、灰尘等因素的影响，且在装调过程中容易操作。

本发明实施例中的相邻拼接镜检测系统通过引入胶合的棱镜，实现光束的分束并产生稳定的光程差，光程差为平行四边形底边边长；通过光阑实现反射光的遮挡，取一定口径的采样光实现稳定的干涉；通过等腰三角形棱镜9将通过光阑的光折转在指定位置上实现干涉；通过对CCD即成像系统13在垂直于光轴方向的平面上的三维平移和两维倾斜调整，以满足CCD采集清晰稳定的干涉条纹的要求。通过调整CCD相机的位置在干涉区域获得干涉条纹；通过对CCD获得干涉条纹信息的处理获得相应的波前信息，推算出拼接镜间的法向光程差piston及倾斜误差tip/tilt。

本发明具有以下优点：结构简单，可行性强，安装便捷，并具有单元集成的功能，方便拆卸及维护，不受环境温度、湿度、回程影响，适用于需要高精度共焦/共相调整的拼接镜面。

具体地，在拼接镜反射面一侧，在与两拼接镜近似平行的平面放置激光器1作为相干光光源，激光器1出射光线方向与拼接镜缝隙方向近似垂直。激光器1发射细光束经扩束器2后变成粗光束，粗光束经分束器后变成两束具有一定间隔的平行光束。分束器由直角三角形棱镜3与角度与其互补的平行四边形棱镜5胶合而成，在胶合面处实现光线的半透半反，在平行四边形棱镜5中依次实现光线的反射和折射。分束器出射光束的光程差为平行四边形棱镜5的底边边长。出射光束入射到两相邻的拼接镜上，经两拼接镜反射后经过HoleMask截取有效区域的光束使其入射到等腰三角形棱镜9上。等腰三角形棱镜9将截取的两光束折转交叉。汇聚透镜10放在两束光线重叠最大区域使光线聚焦，经过汇聚透镜10聚焦后的光束打在准直透镜12上，光阑11位于汇聚透镜10的焦点处，透过准直透镜12的光线被成像系统13接收成像。

每相邻两块棱镜之间均为封闭腔，并填充化学性质稳定的干氮气，可有效阻止光轴方向上的热传递。CCD可以在垂直于光轴的平面内进行三维平移和两维倾斜角度的微调，以保证CCD采集清晰稳定的干涉条纹的要求。成像系统13中的探测器为CCD探测器，激光器1为稳频激光，具体地，激光器1为He-Ne稳频激光器。

根据剪切干涉的原理可知，剪切干涉条纹的形状与两相干光的波前有关，而经过两相邻拼接镜的反射波前与拼接镜的空间位姿有关。

其中，图3中的两个阴影部分别为等腰三角形棱镜9出射光束波前W_i，W_j。

其中，U_i0(x,y)表示振幅，

表示单位向量，W_i表示

的侧向剪切波前。

假设U_i0＝U_j0＝U₀，在相机平面由于两波干涉产生的光强分布为

假设子波波前W_i,W_j都为平面波，在直角坐标系(O,x,y,z)中，tip/tilt角度为t_Xi/j,t_Yi/j，piston相移为A_i/j。

相应的波前变为：

其中，o(xⁿ,yⁿ)表示残余波前如曲率，像散等，n>1，可以忽略。

其中，(M_i/jx,M_i/jy)表示在平面z＝d₀的中心坐标。

其中，dt_Xij＝t_Xi-t_Xj,dt_Yij＝t_Yi-t_Yj,dP_ij＝A_i-A_j

其中，

由上述关系式可知，在成像系统13处测得的光强信息包含等腰三角形棱镜9两束出射光的波前信息，根据几何光学原理可知，经过等腰三角形棱镜9的两束出射光波前又与激光器13的波长、拼接镜I 6和拼接镜II 7的piston/tip/tilt以及三角形棱镜、平行四边形棱镜5、等腰三角形棱镜9、的几何尺寸和折射率有关，这些参数确定以后就只与拼接镜I6和拼接镜II 7的piston/tip/tilt有关，因此可以从成像系统13测得的光强信息中反演出拼接镜I 6，拼接镜II 7的piston/tip/tilt信息。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种相邻拼接镜检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

将相干光光源分成两束具有预设光程差的平行光束；

分束器将两束平行光束分别入射到相邻两拼接镜上进行反射；

光束干涉器对反射后的两束平行光束进行折转交叉，对折转交叉后的两束光束进行干涉产生干涉条纹；

参数计算单元由干涉条纹信息推算出相邻两拼接镜之间的参数信息；

所述分束器包括：直角三角形棱镜、平行四边形棱镜，所述直角三角形棱镜与角度与其互补的平行四边形棱镜胶合连接，胶合层对所述相干光光源实现半透射半反射，所述光程差为平行四边形棱镜的底边边长。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对折转交叉后的两束光束进行干涉产生干涉条纹包括：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法在将相干光光源分成两束具有预设光程差的平行光束之前，还包括步骤：

将相干光光源进行扩束，由细光束扩束为粗光束。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法在对反射后的两束平行光束进行折转交叉之前，还包括步骤：

对反射后的两束平行光束截取有效区域的光束。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法在由干涉条纹信息推算出相邻两拼接镜之间的参数信息之前，还包括步骤：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述干涉条纹信息包括产生干涉条纹前两束平行光束的波前信息，所述参数信息包括法向光程差及倾斜误差。

7.一种相邻拼接镜检测系统，其特征在于，包括：

激光器，用于产生相干光光源；

参数计算单元，用于由干涉条纹信息推算出相邻两拼接镜之间的参数信息；

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述光束干涉器包括：

汇聚透镜，用于对折转交叉的两束光束进行汇聚干涉；

光阑，用于调节汇聚干涉后光束的光线强度；

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

扩束器，设置在所述激光器和所述分束器之间，用于将相干光光源进行扩束，由细光束扩束为粗光束；

孔掩膜，设置在相邻两所述拼接镜与所述光束干涉器之间，用于对反射后的两束平行光束截取有效区域的光束；

所述参数计算单元包括成像系统及移动部件，所述移动部件用于对所述成像系统进行位置移动，使得所述成像系统对干涉的两束平行光束在垂直于光轴方向的平面上进行三维平移和两维倾斜调整，在所述成像系统上接收到清晰稳定的干涉条纹。