CN110793754A - 一种基于相移调制的拼接式望远镜系统偏心误差探测方法 - Google Patents

一种基于相移调制的拼接式望远镜系统偏心误差探测方法 Download PDF

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马浩统
谢宗良
谭玉凤
亓波
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Abstract

本发明公开了一种基于相移调制的拼接式望远镜系统偏心误差探测方法，用于拼接式望远镜中的各子镜偏心误差探测。本方法利用相移调制设备在拼接式望远镜某一子镜中添加特定的相位调制，在系统像面上捕获一组系统的点扩散函数，通过处理这些点扩散函数，恢复系统出瞳面的光瞳分布，得到系统各个子镜的偏心误差。本方法利用液晶相位延迟器对拼接式望远镜的一个子镜进行相位调制，可以同时得到望远镜所有子镜的偏心误差，不需要引入其他探测器件，解决了拼接式望远镜需要安装位置传感器来监测偏心误差的问题，简化了拼接式望远镜系统的复杂度。

Description

一种基于相移调制的拼接式望远镜系统偏心误差探测方法
技术领域
本发明属于光学成像望远镜领域，具体涉及一种基于相移调制的拼接式望远镜系统偏心误差探测方法。
背景技术
随着人类探测需求的不断增加，望远镜口径越来越大。现有的技术水平难以实现大口径望远镜研制要求，拼接主镜望远镜系统是代替传统单一口径望远镜的解决方法之一。拼接主镜望远镜是采用多个独立的子镜来实现等效大通光口径望远镜分辨率能力的望远镜系统。不仅可以有效地降低望远镜制造成本，而且由于其尺寸小、重量轻等优点，可以满足现有的飞行器的载荷要求进而在太空实现高分辨成像。在实际应用中，由于装调误差、制造加工误差等原因，拼接镜各子镜难以确保始终位于指定位置，一旦某一子镜在XY面内产生移动，会带来拼接主镜望远镜的偏心误差。子孔径间偏心误差的存在会导致子镜的焦点发生移动，分辨率无法提高，进而影响成像结果。因此，偏心误差探测与校正是拼接主镜望远镜成像的前提，对于拼接主镜望远镜实现高分辨成像具有重要意义。现有的大型拼接主镜望远镜偏心误差的探测主要通过在子孔径边缘安装传感器以监测子孔径位置，这会使望远镜系统变得更加复杂，且安装外置传感器也会使望远镜表面发生形变，带来新的误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种实时性好，测量范围大、不破坏系统结构的拼接主镜望远镜偏心误差探测方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种基于相移调制的拼接式望远镜系统偏心误差探测方法实现步骤如下：
(1)设置拼接主镜望远镜含有N个子孔径，点光源的发出光的波长为λ；
(2)选定拼接主镜望远镜中某一子镜作为参考孔径，通过对其进行M次相移调制，相应的调制量分别为φ1,φ2,…,φk,…φM，其中
Figure BDA0002256951720000011
且k满足1≤k≤M，使用相机在拼接主镜望远镜系统像面处获取的点扩散函数依次为PSF1，PSF2，…，PSFk，…，PSFM；
(3)通过一个计算求解过程得到各个子望远镜在出瞳面处的偏心误差，计算过程如下：
1)通过傅里叶逆变换，将不同调制量下得到的点扩散函数变换成一组拼接主镜望远镜系统的光学传递函数OTF1，OTF2，…，OTFk，…，OTFM；
2)将上述的光学传递函数分别乘以相移调制exp(iφk)并线性叠加，得到包含偏心误差的C：
Figure BDA0002256951720000021
其中，n代表除参考孔径外的其余子镜，Δn为第n块子镜的波前像差分布，Br为参考孔径的光瞳函数，BT为其余子镜的光瞳函数，(an,bn)代表第n个子镜的偏心误差；
3)包含偏心误差的拼接主镜望远镜系统出瞳面分布为：
Figure BDA0002256951720000022
其中，
Figure BDA0002256951720000023
为第n个望远镜子镜在出瞳面处的分布函数，Im()和Re()分别代表求复数的虚部和实部。通过上式可以计算出拼接主镜望远镜系统各子镜偏心误差分布。
本发明与现有技术相比具有的特点：
(1)不需要额外安装位置传感器，简化了系统结构；
(2)直接利用拼接主镜望远镜某一子镜作为参考孔径，不需要额外添加参考孔径，节省空间。
(3)在探测偏心误差的同时，本方法可以同时探测拼接式望远镜系统各子镜的倾斜误差及活塞误差。
(4)在高占空比的拼接式望远镜系统中，本方法仍然适用。
附图说明
图1是基于相移调制的拼接主镜共相误差探测方法的实施方案图；
图中，1为单波长输出激光器，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为纯相移液晶调制器，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发明。
如图1所示，激光器输出的激光经过扩束镜照射到拼接式望远镜系统，光束经过拼接式主镜各子镜及次镜后被后方透镜准直，然后光束经过一个半透半反镜，利用反射式液晶相位调制器使任一光束产生相移，反射光束经过后端成像透镜在焦面处利用CCD探测器成像。
本实施方案测量的对象是一个Golay3光学拼接主镜望远镜，采用波长为635nm的光纤激光器作为光源，利用反射式纯相位液晶调制器作相移调制件，具体实施步骤如下：
(1)设置点光源的发出光的波长为635nm；
(2)采用四步相移调制，即M＝4，选取任一子镜作为参考孔径并分别添加相移量：0,π/2,π,3π/2，使用相机在系统像面处得到的拼接主镜望远镜系统点扩散函数依次为PSF1,PSF2,PSF3,PSF4；
(3)通过一个计算求解过程得到各个子望远镜在出瞳面处的偏心误差，计算过程如下：
1)通过傅里叶逆变换，将得到的四个点扩散函数变换成一组拼接主镜望远镜系统的光学传递函数OTF1,OTF2,OTF3,OTF4；
2)将上述四个光学传递函数分别乘以相应的相移调制
Figure BDA0002256951720000031
并线性叠加，得到C；
3)由公式(2)计算出第n块望远镜的偏心误差(an,bn)。
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。只要是通过选取任一子镜进行相移调制来获取不同点扩散函数并进一步得到光学拼接主镜望远镜出瞳面处光瞳分布进而测量偏心误差探测方法，装置均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于相移调制的拼接式望远镜系统偏心误差探测方法，其特征在于：该方法包含以下步骤：
(1)设置拼接主镜望远镜含有N个子镜，点光源的发出光的波长为λ；
(2)选定拼接主镜望远镜中某一子镜作为参考孔径，通过对其进行M次相移调制，相应的调制量分别为φ1,φ2,…,φk,…φM，其中
Figure FDA0002256951710000011
且k满足1≤k≤M，使用相机在拼接主镜望远镜系统像面处获取的点扩散函数依次为PSF1，PSF2，…，PSFk，…，PSFM；
(3)通过一个计算求解过程得到各个子望远镜在出瞳面处的偏心误差，计算过程如下：
1)通过傅里叶逆变换，将不同调制量下得到的点扩散函数变换成一组拼接主镜望远镜系统的光学传递函数OTF1，OTF2，…，OTFk，…，OTFM；
2)将上述的光学传递函数分别乘以相移调制exp(iφk)并线性叠加，得到包含偏心误差的C：
Figure FDA0002256951710000012
其中，n代表除参考孔径外的其余子镜，Δn为第n块子镜的波前像差分布，Br为参考孔径的光瞳函数，BT为其余子镜的光瞳函数，(an,bn)代表第n个子镜的偏心误差；
3)包含偏心误差的拼接主镜望远镜系统出瞳面分布为：
Figure FDA0002256951710000013
其中，
Figure FDA0002256951710000014
为第n个望远镜子镜在出瞳面处的分布函数，Im()和Re()分别代表求复数的虚部和实部，通过上式可以计算出拼接主镜望远镜系统各子镜偏心误差分布。
2.根据权利要求1所述的一种基于相移调制的拼接式望远镜系统偏心误差探测方法，其特征在于：通过将子镜作为参考孔径并引入相应的相移调制，引入相移调制的子镜可以任意选取，也可以引入新的子望远镜作为系统的参考孔径。
3.根据权利要求1所述的一种基于相移调制的拼接式望远镜系统偏心误差探测方法，其特征在于：通过将系统的光学传递函数乘以相应的相移调制，恢复出拼接主镜望远镜出瞳面光瞳分布，探测出各个子镜偏心误差。
4.根据权利要求1所述的一种基于相移调制的拼接式望远镜系统偏心误差探测方法，其特征在于：拼接主镜望远镜按结构上分可以是反射式拼接主镜望远镜，或者透射式主镜望远镜，按材料上分可以是玻璃镜，也可以是薄膜镜。
5.根据权利要求1所述的一种基于相移调制的拼接式望远镜系统偏心误差探测方法，其特征在于：相移调制器件可以采用反射式液晶空间光调制器件、透射式液晶相位延迟器，也可以采用三维快反镜、六自由度位移台器件。
6.根据权利要求1所述的一种基于相移调制的拼接式望远镜系统偏心误差探测方法，其特征在于：相移调制可以采用三步调制，亦可采用四步调制或者更多步数相移调制。
7.根据权利要求1所述的一种基于相移调制的拼接式望远镜系统偏心误差探测方法，其特征在于：成像器件可以是CCD相机，亦可是CMOS相机或者满足条件的其他面阵探测器。
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