CN111207910A - 基于色散条纹斜率分析的拼接镜共位相误差校正方法 - Google Patents

基于色散条纹斜率分析的拼接镜共位相误差校正方法 Download PDF

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基于色散条纹斜率分析的拼接镜共位相误差校正方法，属于光学检测领域，包括：构建检测平台；采集色散条纹图像，采用条纹斜率粗提取方法计算条纹斜率；若条纹斜率绝对值大于设定的阈值T1，则进行粗调整并计算两个拼接子镜之间的平移误差，重复步骤二；若条纹斜率绝对值小于设定的阈值T1，则进行精调整并重新计算条纹斜率；若条纹斜率绝对值小于设定的阈值T2，则迭代调整结束，否则重复步骤四。本发明利用子镜平移误差与色散条纹斜率之间存在定量化解析关系，通过分析色散条纹斜率确定子镜间平移误差的方向与大小，并进行迭代调整，直至满足迭代终止条件时结束。通过本发明的多次迭代调整之后可以使子镜间残留平移误差足够小。

Description

基于色散条纹斜率分析的拼接镜共位相误差校正方法
技术领域
本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种基于色散条纹斜率分析的拼接镜共位相误差校正方法。
背景技术
空间大口径望远镜对于我国科学进步与社会发展具有重要意义，其不仅可作为研究宇宙起源、天体形成与演化、暗物质与暗能量本质、地外生命系统等天文学热点问题的关键设备，还能够用于高分辨率对地遥感，在灾害监测、资源勘探、地图测绘以及军事等方面发挥重要作用。
传统采用单块镜面的空间大口径望远镜在镜面加工、检测以及整个镜体的运输、发射等方面存在很大困难，采用拼接式主镜结构已成为新一代空间大口径望远镜发展的重要趋势。然而，拼接式主镜各子镜之间的共位相误差需要严格校正，若要实现衍射极限成像分辨率，拼接式主镜各子镜之间的共位相误差需要小于1/40波长。
色散条纹传感技术为共位相误差检测的常用方法之一。其利用宽光谱光源与色散元件实现宽谱段干涉，提高了对于子镜间平移误差的检测范围。与哈特曼相位传感器、四棱锥传感器以及泽尼克相衬传感器等相比，其不仅检测范围不受2π不确定性影响，而且不需要严格的光瞳对准或焦点对准，有较好的应用前景。色散条纹技术需要特定的色散条纹处理方法，从色散条纹中提取共位相误差信息。然而，当前的色散条纹处理方法普遍依赖于标定，包括波长标定、光源光谱标定、探测器位姿标定等。对于拼接式空间望远镜，这些复杂的标定过程将大大提高系统造价与系统复杂度，降低可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于色散条纹斜率分析的拼接镜共位相误差校正方法，通过充分利用二维色散条纹斜率信息并从色散条纹自身寻找基准，省去了复杂的标定环节，更加适合在轨应用。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
本发明的基于色散条纹斜率分析的拼接镜共位相误差校正方法，包括以下步骤：
步骤一、构建检测平台；
步骤二、采集色散条纹图像，采用条纹斜率粗提取方法计算条纹斜率；
步骤三、若条纹斜率绝对值大于设定的阈值T1，则进行粗调整并计算两个拼接子镜之间的平移误差，重复步骤二；
步骤四、若条纹斜率绝对值小于设定的阈值T1，则进行精调整并重新计算条纹斜率；
步骤五、若条纹斜率绝对值小于设定的阈值T2，则迭代调整结束，否则重复步骤四。
进一步的，步骤三中，采用图像二值化、连通域分析和方位角计算方法进行粗调整。
进一步的，步骤四中，采用低通滤波和数据拟合方法进行精调整。
进一步的，步骤一中，所述检测平台包括：宽光谱光源、准直镜、分光棱镜、透镜、两个拼接子镜、光阑、波前传感模块、两个压电陶瓷促动器、两个PI六足调整机构；两个拼接子镜分别连接两个压电陶瓷促动器，两个压电陶瓷促动器分别安装在两个PI六足调整机构上；
宽光谱光源发出的光经准直镜准直后变为平行光，平行光依次经分光棱镜、透镜作用后变为会聚光，会聚光经两个拼接子镜反射后变为反射光，反射光经透镜作用后再次变为平行光，平行光经分光棱镜反射后形成相位不同的两部分波前，这两部分波前分别经光阑的两个孔后再经波前传感模块进行成像，形成色散条纹图像。
进一步的，所述波前传感模块由色散棱栅、成像透镜和CCD探测器组成，两部分波前分别经光阑的两个孔后再经色散棱栅色散后形成色散条纹，经成像透镜成像在CCD探测器像面，形成色散条纹图像。
进一步的，步骤二具体包括以下步骤：
采集的色散条纹图像上不同位置(x，y)的光强分布公式如下：
Figure BDA0002369930250000031
其中，a、b和d分别表示光阑的宽度、长度以及两孔中心间距，x表示色散条纹图像上不同位置的横坐标，y表示色散条纹图像上不同位置的纵坐标，λ表示与所采集色散条纹图像相对应的波长，(λmin，λmax)表示与所采集色散条纹图像相对应的波长范围，f表示成像透镜等效焦距，φ(λ)表示色散棱栅的色散角，δ表示两个拼接子镜反射波面的光程差，即两个拼接子镜之间的平移误差；
二维色散条纹图像取得暗条纹的条件为：
Figure BDA0002369930250000032
λ与x之间的关系为：
λ(x)＝λ0+C0x (3)
其中，λ0为宽光谱中心波长，C0为色散棱栅的线色散倒数；
根据式(2)与式(3)计算得到条纹斜率
Figure BDA0002369930250000033
Figure BDA0002369930250000041
进一步的，步骤三具体包括以下步骤：
若条纹斜率绝对值大于设定的阈值T1，则进行粗调整并计算两个拼接子镜之间的平移误差：在色散条纹中心线附近即y≈0处，条纹斜率
Figure BDA0002369930250000042
的大小与两个拼接子镜反射波面的光程差δ正相关，且条纹斜率符号与光程差符号一一对应，根据条纹斜率的方向与大小，计算两个拼接子镜反射波面的光程差δ，然后重复步骤二。
进一步的，步骤四具体包括以下步骤：
若条纹斜率绝对值小于设定的阈值T1，则截取一系列不同波长位置的色散条纹数据，对每一列色散条纹数据进行低通滤波，滤掉毛刺，得到每一列色散条纹数据的峰值位置，同时取能量最强的三个峰值进行抛物线拟合，记录所拟合的抛物线顶点的位置，最终得到一系列峰值点与抛物线顶点；将所有的峰值点拟合出一条直线，将所有的抛物线顶点拟合出一条直线，峰值线相对于抛物线顶点拟合线的斜率即为色散条纹斜率的精确计算值。
本发明的有益效果是：
本发明在迭代调整过程中，采用粗、精两级迭代调整方式。在粗调整阶段，依靠图像处理手段对条纹斜率进行快速近似估算，主要利用图像二值化、连通域分析、方位角计算等方法；在精调整阶段，主要通过数据拟合的手段准确计算色散条纹相对于色散方向的倾斜，即该斜率计算过程需要从条纹自身寻找基准(色散方向)，然后准确计算条纹相对于色散方向的倾斜，在此过程中需要利用低通滤波、数据拟合等方法。
本发明依据的基本原理是子镜平移误差与色散条纹斜率之间存在定量化解析关系，通过分析色散条纹斜率确定子镜间平移误差的方向与大小，并进行迭代调整，直至满足迭代终止条件(子镜间平移误差足够小)时结束。通过本发明的多次迭代调整之后可以使子镜间残留平移误差足够小，本发明校正精度高，适用于拼接式空间大口径天文望远镜共位相误差的检测。
附图说明
图1为检测平台结构组成示意图。
图2为原始色散条纹、对比度强化之后的色散条纹以及二值化色散条纹图像示意图。
图3为不同平移误差所对应的色散条纹图像及相应的二值化图像。
图4为经过粗调整后的色散条纹图像。
图5为得到的一系列不同波长位置的色散条纹数据。
图6为低通滤波结果。
图7为数据拟合结果。
图中，1、宽光谱光源，2、准直镜，3、分光棱镜，4、光阑，5、色散棱栅，6、成像透镜，7、CCD探测器，8、拼接子镜，9、透镜。
具体实施方式
本发明的基于色散条纹斜率分析的拼接镜共位相误差校正方法，主要包括以下步骤：
步骤一、根据如图1所示的色散条纹实现原理构建检测平台。检测平台主要包括：宽光谱光源1、准直镜2、分光棱镜3、透镜9、两个拼接子镜8、光阑4、波前传感模块、两个压电陶瓷促动器、两个PI六足调整机构；两个拼接子镜分别连接两个压电陶瓷促动器，两个压电陶瓷促动器分别安装在两个PI六足调整机构上。
宽光谱光源1发出的光经准直镜2准直后变为平行光，平行光依次经分光棱镜3、透镜9作用后变为会聚光，会聚光经两个拼接子镜8(两个拼接子镜8之间存在平移误差)反射后变为反射光，反射光经透镜9作用后再次变为平行光，平行光经分光棱镜3反射后形成相位不同的两部分波前，这两部分波前分别经光阑4的两个孔后再经波前传感模块进行成像，形成色散条纹图像。色散条纹本质上就是相同光程差条件下不同波长的干涉图像按照色散方向排布的结果。
其中，波前传感模块由色散棱栅5、成像透镜6和CCD探测器7组成，两部分波前分别经光阑4的两个孔后再经色散棱栅5色散后形成色散条纹，经成像透镜6成像在CCD探测器7像面，形成色散条纹图像。
步骤二、采集色散条纹图像，采用条纹斜率粗提取方法计算条纹斜率，以双矩形光阑所形成的色散条纹为例，则条纹斜率的计算过程具体包括以下步骤：
采集的色散条纹图像上不同位置(x，y)的光强分布公式如下：
Figure BDA0002369930250000061
其中，a、b和d分别表示光阑的宽度、长度以及两孔中心间距，x表示色散条纹图像上不同位置的横坐标，y表示色散条纹图像上不同位置的纵坐标，λ表示与所采集色散条纹图像相对应的波长，(λmin，λmax)表示与所采集色散条纹图像相对应的波长范围，f表示成像透镜等效焦距，φ(λ)表示色散棱栅的色散角，δ表示两个拼接子镜反射波面的光程差，即两个拼接子镜之间的平移误差；
二维色散条纹图像取得暗条纹的条件为：
Figure BDA0002369930250000062
λ与x之间的关系为：
λ(x)＝λ0+C0x (3)
其中，λ0为宽光谱中心波长，C0为色散棱栅的线色散倒数；
根据式(2)与式(3)计算得到条纹斜率
Figure BDA0002369930250000071
Figure BDA0002369930250000072
步骤三、若条纹斜率绝对值大于设定的阈值T1，则采用图像二值化、连通域分析和方位角计算方法，同时利用PI六足调整机构进行粗调整并计算两个拼接子镜之间的平移误差：在色散条纹中心线附近即y≈0处，条纹斜率
Figure BDA0002369930250000073
的大小与两个拼接子镜反射波面的光程差δ正相关，且条纹斜率符号与光程差符号一一对应，根据条纹斜率的方向与大小，计算两个拼接子镜反射波面的光程差δ，然后重复步骤二。
当两个拼接子镜间平移误差量级较大时，本发明通过亮条纹斜率近似计算暗条纹斜率，采用图像处理手段，首先对色散条纹进行对比度强化，然后进行图像二值化，然后以二值化色散条纹图像中面积最大的连通域的斜率作为条纹斜率的估计值。原始色散条纹、对比度强化之后的色散条纹以及二值化色散条纹图像如图2所示。与不同平移误差相对应的色散条纹图像二值化中间结果如图3所示，图3a为平移误差≈50μm，图3b为平移误差≈30μm，图3c为平移误差≈20μm，图3d为平移误差≈10μm。
利用以上粗调整方法可有效降低两个拼接子镜之间的平移误差，色散条纹也相应被调至近似水平。当计算的色散条纹斜率小于一定阈值时，将进入精调整步骤，在此步骤中需要进一步对色散条纹斜率进行精确计算。
步骤四、若条纹斜率绝对值小于设定的阈值T1，则采用低通滤波和数据拟合方法，同时利用压电陶瓷促动器进行精调整并重新计算条纹斜率：经过粗调整，色散条纹已经接近水平，如图4所示，此时，则截取一系列不同波长位置的色散条纹数据(为一维数据，对应单波长双孔干涉强度分布)，如图5所示，对每一列色散条纹数据进行低通滤波，滤掉毛刺。在此基础上，一方面，得到每一列色散条纹数据的最大值(峰值)位置；另一方面，同时取能量最强的三个峰值进行抛物线拟合，记录所拟合的抛物线顶点的位置。最终，每一列色散条纹数据都能得到上述两个位置，于是便可以得到一系列峰值点E与抛物线顶点F，如图6所示；然后将所有的峰值点拟合出一条直线，将所有的抛物线顶点拟合出一条直线，如图7所示，峰值线相对于抛物线顶点拟合线的斜率即为色散条纹斜率的精确计算值。
在精调整过程中，可以进行步进调整，例如每次根据计算的条纹斜率符号使压电陶瓷促动器向相应方向步进50nm。
步骤五、在精调整迭代调整过程中，若条纹斜率绝对值小于设定的阈值T2，则迭代调整结束，否则重复步骤四。
本发明利用双频激光干涉仪搭建了干涉检验光路，其发出的球面波经过两个拼接子镜反射之后照射到球面镜上，光线被反射回干涉仪，携带共位相误差的实际波前与参考波前发生干涉，检测两个拼接子镜之间的共位相误差。检验结果能够证明，在不需要任何标定的情况下，利用本发明的方法能够将子镜间平移误差校正至100nm以内。本发明能够省去复杂标定过程，特别适合在轨应用。
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 (8)

1.基于色散条纹斜率分析的拼接镜共位相误差校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、构建检测平台；
步骤二、采集色散条纹图像，采用条纹斜率粗提取方法计算条纹斜率；
步骤三、若条纹斜率绝对值大于设定的阈值T1，则进行粗调整并计算两个拼接子镜之间的平移误差，重复步骤二；
步骤四、若条纹斜率绝对值小于设定的阈值T1，则进行精调整并重新计算条纹斜率；
步骤五、若条纹斜率绝对值小于设定的阈值T2，则迭代调整结束，否则重复步骤四。
2.根据权利要求1所述的基于色散条纹斜率分析的拼接镜共位相误差校正方法，其特征在于，步骤三中，采用图像二值化、连通域分析和方位角计算方法进行粗调整。
3.根据权利要求1所述的基于色散条纹斜率分析的拼接镜共位相误差校正方法，其特征在于，步骤四中，采用低通滤波和数据拟合方法进行精调整。
4.根据权利要求1所述的基于色散条纹斜率分析的拼接镜共位相误差校正方法，其特征在于，步骤一中，所述检测平台包括：宽光谱光源、准直镜、分光棱镜、透镜、两个拼接子镜、光阑、波前传感模块、两个压电陶瓷促动器、两个PI六足调整机构；两个拼接子镜分别连接两个压电陶瓷促动器，两个压电陶瓷促动器分别安装在两个PI六足调整机构上；
宽光谱光源发出的光经准直镜准直后变为平行光，平行光依次经分光棱镜、透镜作用后变为会聚光，会聚光经两个拼接子镜反射后变为反射光，反射光经透镜作用后再次变为平行光，平行光经分光棱镜反射后形成相位不同的两部分波前，这两部分波前分别经光阑的两个孔后再经波前传感模块进行成像，形成色散条纹图像。
5.根据权利要求4所述的基于色散条纹斜率分析的拼接镜共位相误差校正方法，其特征在于，所述波前传感模块由色散棱栅、成像透镜和CCD探测器组成，两部分波前分别经光阑的两个孔后再经色散棱栅色散后形成色散条纹，经成像透镜成像在CCD探测器像面，形成色散条纹图像。
6.根据权利要求5所述的基于色散条纹斜率分析的拼接镜共位相误差校正方法，其特征在于，步骤二具体包括以下步骤：
采集的色散条纹图像上不同位置(x，y)的光强分布公式如下：
Figure FDA0002369930240000021
其中，a、b和d分别表示光阑的宽度、长度以及两孔中心间距，x表示色散条纹图像上不同位置的横坐标，y表示色散条纹图像上不同位置的纵坐标，λ表示与所采集色散条纹图像相对应的波长，(λmin，λmax)表示与所采集色散条纹图像相对应的波长范围，f表示成像透镜等效焦距，φ(λ)表示色散棱栅的色散角，δ表示两个拼接子镜反射波面的光程差，即两个拼接子镜之间的平移误差；
二维色散条纹图像取得暗条纹的条件为：
Figure FDA0002369930240000022
λ与x之间的关系为：
λ(x)＝λ0+C0x (3)
其中，λ0为宽光谱中心波长，C0为色散棱栅的线色散倒数；
根据式(2)与式(3)计算得到条纹斜率
Figure FDA0002369930240000023
Figure FDA0002369930240000031
7.根据权利要求6所述的基于色散条纹斜率分析的拼接镜共位相误差校正方法，其特征在于，步骤三具体包括以下步骤：
若条纹斜率绝对值大于设定的阈值T1，则进行粗调整并计算两个拼接子镜之间的平移误差：在色散条纹中心线附近即y≈0处，条纹斜率
Figure FDA0002369930240000032
的大小与两个拼接子镜反射波面的光程差δ正相关，且条纹斜率符号与光程差符号一一对应，根据条纹斜率的方向与大小，计算两个拼接子镜反射波面的光程差δ，然后重复步骤二。
8.根据权利要求7所述的基于色散条纹斜率分析的拼接镜共位相误差校正方法，其特征在于，步骤四具体包括以下步骤：
若条纹斜率绝对值小于设定的阈值T1，则截取一系列不同波长位置的色散条纹数据，对每一列色散条纹数据进行低通滤波，滤掉毛刺，得到每一列色散条纹数据的峰值位置，同时取能量最强的三个峰值进行抛物线拟合，记录所拟合的抛物线顶点的位置，最终得到一系列峰值点与抛物线顶点；将所有的峰值点拟合出一条直线，将所有的抛物线顶点拟合出一条直线，峰值线相对于抛物线顶点拟合线的斜率即为色散条纹斜率的精确计算值。
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