CN109782408B - 一种大口径望远镜副镜姿态在位调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大口径望远镜副镜姿态在位调整方法，选用出瞳与被测望远镜的入瞳重合的平行光管，在中间瞳面的一部分形成检测瞳面；光波前到达波前传感器后被微透镜阵列分成若干个子单元，在探测器靶面上所成的子像将相对于校准的参考子像发生偏移，获取波前每个子单元的斜率，然后基于斜率重构波前获得系统像差情况，以推算副镜姿态的六维变化量，反馈给并联六轴位移平台对副镜进行姿态调整，在此基础上重复获取新的六维变化量再去调整副镜姿态，重复多次循环迭代，逐渐收敛，完成副镜校正目的。本发明通过平行光管即可完成副镜姿态探测任务，造价低，且平行光管仅利用整个望远镜的局部孔径，完全可以探测副镜姿态导致的波前变化。

Description

一种大口径望远镜副镜姿态在位调整方法

技术领域

本发明涉及天文领域，特别是涉及一种基于人工构造星点，利用望远镜的局部孔径实现望远镜副镜姿态计算并实时调整的方法。

背景技术

大口径望远镜通常采用反射式的主、副镜结构，例如卡塞格林系统或格里高利系统等形式。为了追求更高的能量，更高的分辨率，目前研制的望远镜的口径也越来越大。通常这种大口径望远镜系统都采用庞大桁架结构用以支撑和固定主镜和副镜。在跟踪观测不同目标过程中，桁架结构由于其自身重力和环境温度变化等因素的影响下，会不可避免的产生弯沉及形变，导致副镜相对于主镜的姿态发生变化，从而导致成像质量下降，无法满足科学观测需求。因此大型望远镜系统都会面临如何调整副镜姿态的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于人工构造星点，利用望远镜的局部孔径实现望远镜副镜姿态计算并实时调整的方法。

特别地，本发明提供一种大口径望远镜副镜姿态在位调整方法，包括如下步骤：

步骤100，选用与被测望远镜的主镜按一定比例缩小口径和焦比的平行光管，以与主镜的入射光轴平行的方式安装在被测望远镜上，且平行光管的出瞳与被测望远镜的入瞳重合；

步骤200，被测望远镜入瞳经过检测光路的准直镜后，成像于主镜的中间瞳位置，平行光管的孔径成像占据中间瞳面的一部分形成检测瞳面；

步骤300，根据检测光路需求选择合适的准直镜参数，进而确定检测瞳面尺寸与适合的波前传感器的参数，将波前传感器放置于检测瞳面，光波前到达波前传感器后被微透镜阵列分成若干个子单元，使探测器获得点阵图像；

步骤400，当副镜姿态发生变化时，光波前通过波前传感器的微透镜阵列，在探测器靶面上所成的子像将相对于校准的参考子像发生偏移，计算该偏移量以获取波前每个子单元的斜率，然后基于斜率重构波前，即可获得系统像差情况；

步骤500，根据像差值推算副镜姿态的六维变化量，然后反馈给并联六轴位移平台，以该六维变化量对副镜进行姿态调整，在此基础上重复步骤400获取新的六维变化量再去调整副镜姿态，重复多次循环迭代，逐渐收敛，完成副镜校正目的。

在本发明的一个实施方式中，所述步骤400中，获得系统像差情况的具体方法如下：

使用Zernike多项式最小二乘拟合波前，得到Zernike系数，Zernike系数即可直接反映其对应的像差值。

在本发明的一个实施方式中，所述平行光管架设在可水平伸缩或旋转的机械装置上，在所述被测望远镜做姿态调整时，机械装置通过伸缩或旋转的方式控制所述平行光管进入所述被测望远镜的入瞳面，姿态调整结束后再利用所述机械装置用同样的方式将所述平行光管移出光路。

在本发明的一个实施方式中，在探测姿态的变化之前，使用平行光校准所述波前传感器，以确定副镜姿态没有发生变化时所述波前传感器生成参考子像的位置。

本发明利用平行光管构造无穷远点源，使得波前传感器上得到的是点像，在计算和处理上非常成熟简便。通过平行光管即可完成副镜姿态探测任务，造价低，且平行光管仅利用整个望远镜的局部孔径，完全可以探测副镜姿态导致的波前变化。此外，平行光管距离主镜很近，这样近距离范围内空气的抖动对像质影响较小，因而很容易获得准确可靠的副镜姿态变化信息。平行光管本身的重量轻，对大型望远镜的机架结构造成的影响可以忽略不计。而且即使平行光管位于光路中，此时进行测量也对正常的观测影响也不大。以1m口径的望远镜，200mm口径的检测平行光管为例计算，其遮挡目标光线的面积仅占4％！即对观测目标的能量仅降低4％。也就是说在校正副镜姿态同时，可以基本不耽误正常观测，对观测影响较小。对于太阳望远镜而言本实施方式优势更为明显，不需要寻找高对比度的太阳结构，不需要对二维图像计算，计算量小速度快。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的大口径望远镜副镜姿态在位调整方法的流程示意图；

图2是本发明一个实施方式中平行光管的检测方式示意图；

图3是本发明一个实施方式的中间瞳检测对象示意图。

具体实施方式

如图1、2、3所示，本发明将副镜20置于精密六轴并联位移平台上，采用小口径平行光管30构造标准点源，通过夏克哈特曼波前传感器13得到像点阵列19，计算像点阵列19因副镜20姿态变化产生的偏移量，再基于偏移量计算的斜率重构波前，根据波前可以获得到像差，利用像差值计算副镜姿态的六维变化量，分别是沿x、y、z轴位移量和绕x、y、z轴旋转角度，反馈到并联六轴位移平台上，来补偿副镜20的姿态变化，实现在观测的同时在位进行姿态调整，不依赖面源的标记物，利用子孔径进行在轨检测、调整副镜姿态。因为出厂前的整个望远镜系统像差是经过全口径仔细装调过的，而望远镜主镜10和副镜20自身面型是由主、副镜结构保证的，其变化量很小，可忽略不计。

本发明一个实施方式公开一种大口径望远镜副镜姿态在位调整方法，包括如下步骤：

步骤100，选用与被测望远镜的主镜按一定比例缩小口径和焦比的平行光管，以与主镜的入射光轴平行的方式安装在被测望远镜上，且平行光管的出瞳与被测望远镜的入瞳重合；

如图2中的实线，为来自观测目标的观察光线16，如太阳光线；而其中的虚线代表来自平行光管30的检测光线15。

步骤200，被测望远镜入瞳经过检测光路的准直镜后，成像于主镜的中间瞳位置，平行光管的孔径成像占据中间瞳面的一部分形成检测瞳面；

步骤300，根据检测光路需求选择合适的准直镜参数，进而确定检测瞳面尺寸与适合的波前传感器的参数，将波前传感器放置于检测瞳面，光波前到达波前传感器后被微透镜阵列分成若干个子单元，使探测器获得点阵图像；

虽然波前传感器13拍摄的点阵只代表子孔径内的像差，但是副镜姿态变化的信息全部包含于其中，不会有所遗漏。

步骤400，当副镜姿态发生变化时，光波前通过波前传感器的微透镜阵列，在探测器靶面上所成的子像将相对于校准的参考子像发生偏移，计算该偏移量以获取波前每个子单元的斜率，然后基于斜率重构波前，即可获得系统像差情况；

在探测姿态的变化之前，可使用平行光校准波前传感器13，以确定副镜姿态没有发生变化时波前传感器13生成参考子像的位置。

其中，获得系统像差情况的具体方式可以是，使用Zernike多项式最小二乘拟合波前，得到Zernike(泽尼克)系数，Zernike系数即可直接反映其对应的像差值。

步骤500，根据像差值推算副镜姿态的六维变化量，然后反馈给并联六轴位移平台，以该六维变化量对副镜进行姿态调整，在此基础上重复步骤400获取新的六维变化量再去调整副镜姿态，重复多次循环迭代，逐渐收敛，完成副镜校正目的。

根据像差值推算就是用Zernike系数推算六维变化量。这个方法的优势在于Zernike多项式和光学检测中观测到的像差多项式的一致的，且每一项系数都有其特定的意义，对应不同的像差，而且Zernike多项式拟合波前算法成熟。

如图2所示，平行光管30伸入被测望远镜并位于被测望远镜的入瞳处，其发出的检测光线15经过主镜10的反射后进入位于副镜20镜面，检测光线15和观察光线16被副镜20反射后由反射镜11的垂直反射和准直镜12(检测光路)的准直后，检测光线15和观察光线16于中间瞳位置处14进入波前传感器13。

如图3所示，波前传感器13接收中间瞳14面上平行光管30的检测光线区域31，将其分成若干个子单元，形成点阵18，根据该点阵18中的像差即可对整个望远镜进行校正。

本实施方式，利用平行光管30构造无穷远点源，使得波前传感器13上得到的是点像，在计算和处理上非常成熟简便。通过平行光管30即可完成副镜姿态探测任务，造价低，且平行光管仅利用整个望远镜的局部孔径，完全可以探测副镜姿态导致的波前变化。此外，平行光管30距离主镜10很近，这样近距离范围内空气的抖动对像质影响较小，因而很容易获得准确可靠的副镜姿态变化信息。平行光管30本身的重量轻，对大型望远镜的机架结构造成的影响可以忽略不计。而且即使平行光管30位于光路中，此时进行测量也对正常的观测影响也不大。以1m口径的望远镜，200mm口径的检测平行光管30为例计算，其遮挡目标光线的面积仅占4％！，即对观测目标的能量仅降低4％。也就是说在校正副镜姿态同时，基本上不耽误正常观测，对观测影响较小。对于太阳望远镜而言本实施方式优势更为明显，不需要寻找高对比度的太阳结构，不需要对二维图像计算，计算量小速度快。

具体的平行光管30可以架设在一个能够水平伸缩或旋转的机械装置上，在被测望远镜做姿态调整时，机械装置控制平行光管在平移的状态伸缩或旋转地进入被测望远镜的入瞳面，姿态调整结束后再利用机械装置将平行光管30移出光路。机械装置的伸缩结构可以是一个能够延长的伸缩套管结构；而旋转结构可以是以一个支点作为支撑，在支点上通过悬臂安装平行光管，使用时控制悬臂的旋转即可将平行光管旋转的伸入主瞳面。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (3)

1.一种大口径望远镜副镜姿态在位调整方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤100，选用与被测望远镜的主镜按一定比例缩小口径和焦比的平行光管，以与主镜的入射光轴平行的方式安装在被测望远镜上，且平行光管的出瞳与被测望远镜的入瞳重合；

步骤200，被测望远镜入瞳经过检测光路的准直镜后，成像于主镜的中间瞳位置，平行光管的孔径成像占据中间瞳面的一部分形成检测瞳面；

步骤300，根据检测光路需求选择合适的准直镜参数，进而确定检测瞳面尺寸与适合的波前传感器的参数，将波前传感器放置于检测瞳面，光波前到达波前传感器后被微透镜阵列分成若干个子单元，使探测器获得点阵图像；

步骤400，当副镜姿态发生变化时，光波前通过波前传感器的微透镜阵列，在探测器靶面上所成的子像将相对于校准的参考子像发生偏移，计算该偏移量以获取波前每个子单元的斜率，然后基于斜率重构波前，即可获得系统像差情况；

步骤500，根据像差值推算副镜姿态的六维变化量，然后反馈给并联六轴位移平台，以该六维变化量对副镜进行姿态调整，在此基础上重复步骤400获取新的六维变化量再去调整副镜姿态，重复多次循环迭代，逐渐收敛，完成副镜校正目的；

所述步骤400中，在探测姿态的变化之前，使用平行光校准所述波前传感器，以确定副镜姿态没有发生变化时所述波前传感器生成参考子像的位置。

2.根据权利要求1所述的大口径望远镜副镜姿态在位调整方法，其特征在于，

所述步骤400中，获得系统像差情况的具体方法如下：

使用Zernike多项式最小二乘拟合波前，得到Zernike系数，Zernike系数即可直接反映其对应的像差值。

3.根据权利要求1所述的大口径望远镜副镜姿态在位调整方法，其特征在于，

所述平行光管架设在可水平伸缩或旋转的机械装置上，在所述被测望远镜做姿态调整时，机械装置通过伸缩或旋转的方式控制所述平行光管进入所述被测望远镜的入瞳面，姿态调整结束后再利用所述机械装置用同样的方式将所述平行光管移出光路。

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