CN111220072A - 一种生成用于测量共相误差的数字式色散条纹的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生成用于测量共相误差的数字式色散条纹的装置及方法，该装置由拼接式光学系统(1)、准直透镜(2)、可调谐滤光片(3)、掩模模板(4)、微透镜阵列(5)、探测器(6)及计算机(7)组成。利用该装置，连续线性地改变可调谐滤光片的透射波长，并依次存储探测器上的光斑阵列。该方法包括：首先，从每幅光斑阵列中截取对应拼缝的光斑；然后，将对应该拼缝的所有截取光斑沿平行于拼缝的方向累加，得到一维光强分布；最后，将获得的全部一维光强分布按照对应调谐波长的大小顺序，依序并排堆叠，即可获得数字式色散条纹。本发明公开装置及方法避免了对色散元件的依赖，克服了条纹串扰问题，可一次性测量全部拼缝对应共相误差，效率高，操作便捷，创新性强。
Description
技术领域
本发明属光电测量技术领域，涉及一种生成用于测量共相误差的数字式色散条纹的装置及方法，适用于拼接式光学系统中拼接子镜平移误差的大量程快速检测。
背景技术
目前，传统单镜面式光学系统受到镜面加工技术、大口径光学元件检测技术、面型控制技术、地面运输或火箭运载能力及成本等方面的限制而遭遇技术瓶颈。拼接式光学系统采用诸多小尺寸的反射镜，通过共面拼接，可获得与大口径光学镜面等效的成像效果，从根本上解决了单镜面大口径系统所面临的问题。从上世纪90年代开始，包括已运营的KECK、SALT、HET、GTC、LAMOST等，及下一代甚大望远镜，包括E-ELT、TMT、JWST、ATLAST等均采用拼接式镜面。然而，伴随而来的各子镜间共面误差的检测及控制技术更具挑战性。影响拼接镜成像质量的共面误差主要包括倾斜误差及平移误差，本发明内容将聚焦于平移误差的探测。
目前，平移误差的探测方法分为两类，分别为基于远场像的传感方法及基于专用硬件的传感方法。不论哪类方案，单色光照明下最高仅能测量±λ/4的平移误差。为了实现数十微米的平移误差测量，多采用宽带光或多波长照明。总体看来，由喷气推进实验室(JPL)的F.Shi等人提出的色散条纹传感器(DFS)，利用特殊设计的色散元件阵列(常见为棱栅阵列)和微透镜阵列，能够可靠地实现拼接式镜面平移误差的大量程粗探测。但是，传统式DFS中色散元件的色散本质常常导致最终的色散条纹峰值能量低，再加上探测器等的噪声影响，从而导致信噪比极差；同时，为了保证大量程，很难匹配到合适的色散元件，即便能够设计出合适参数的色散元件，加工也比较困难；另外，当拼接式系统中子镜数目较多时，为了能够以最高的效率探测平移误差，常需配置色散元件阵列，而这很容易导致相邻色散条纹间的串扰；除此以外，在获得色散条纹后进行平移误差提取时，需要标定光源强度谱，这将一定程度上增加操作复杂性，降低其工程实践可用性。以上几个缺点，直接限制了色散条纹传感器的应用。
针对以上提及的传统色散条纹传感法的缺点，发明了一种生成用于测量共相误差的数字式色散条纹的装置及方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：简化传统色散条纹传感装置，不必采用需专门设计、加工难度大且灵活性低的色散元件，克服传统色散条纹传感器对色散元件的硬性要求；提供一种数字式色散条纹的生成方法，克服传统色散条纹传感器检测子镜阵列时效率低的缺陷，同时简化操作流程。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：
一种生成用于测量共相误差的数字式色散条纹的装置，由拼接式光学系统、准直透镜、可调谐滤光片、掩模模板、微透镜阵列、探测器及计算机组成；拼接式光学系统的像方焦点与准直透镜的物方焦点重合，可调谐滤光片、掩模模板及微透镜阵列依次位于准直透镜之后，探测器位于微透镜阵列焦平面上；从拼接式光学系统出射的汇聚光经准直透镜变为准直光束，后经可调谐滤光片的滤光及掩模模板上的子孔径采样，经微透镜阵列汇聚于探测器，并由计算机存储由探测器记录的像；
同时，准直透镜为消色差透镜，以确保经准直透镜变换后的光束能够保持足够高的准直度；
同时，可调谐滤光片有足够宽的调谐范围，且对每个调谐的波长均具有较窄线宽的特点；
同时，掩模模板上包含众多用于采样对应相邻子镜拼缝处拼接波前的子孔径；子孔径形状可为圆形、矩形、六边形等；子孔径数目与拼接式光学系统中拼接式主镜上的有效拼缝数目相同；每一个子孔径均在微透镜阵列中有唯一对应的微透镜；
同时，探测器为科学级CCD或科学级CMOS；探测器上所得到的像为光斑阵列，其光斑数目与有效的子镜拼缝及掩模模板上子孔径的数目相同。
一种生成用于测量共相误差的数字式色散条纹的方法，主要步骤有，首先，从每幅由探测器记录的光斑阵列中截取对应拼缝的光斑；然后，对该拼缝对应的所有截取光斑沿平行于拼缝的方向累加，得到一维光强分布；最后，将获得的一维光强分布数据按照对应调谐波长的大小顺序，依次并排堆叠在一个矩阵中，即可获得数字式色散条纹。所有的一维光强分布进行并排堆叠时，模拟了空间色散效应；等效的空间色散能力由调谐可调谐滤光片时的波长间隔确定；
同时，当对应不同调谐波长的光斑存在总能量变动时，可调整改变探测器的曝光时间，或人为地对光强进行比例缩放，从而达到对应不同调谐波长的光斑阵列总能量一致的目的。
本发明与现有技术相比有如下优点：
(1)本发明提出的一种生成用于测量共相误差的数字式色散条纹装置与传统色散条纹传感器结构相比较而言，无需加工难度相对大的色散元件及与之匹配的宽带滤光片，不需要过多的硬件设施，结构简单；同时，可人为控制波长扫描范围及扫描波长的带宽，不像传统结构中滤光片特性固定，灵活性更高。
(2)本发明提出的一种生成用于测量共相误差的数字式色散条纹方法，由于对应各个工作波长的光斑均单独记录，容易保证不同波长间光总能量的一致性，可克服光源强度谱非均匀效应对后续平移误差提取的影响；同时，由于没有物理意义上的色散效应，可有效避免不同方向拼缝对应的色散条纹间的串扰，提高检测效率。
附图说明
图1为本发明所述的一种生成用于测量共相误差的数字式色散条纹装置；
图2为本发明所述的一种生成用于测量共相误差的数字式色散条纹方法的流程图；
图3为数字式色散条纹的形成示意图。
其中：拼接式光学系统1、准直透镜2、可调谐滤光片3、掩模模板4、微透镜阵列5、探测器6及计算机7。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。
如图1所示，为本发明所述的一种生成用于测量共相误差的数字式色散条纹装置，由拼接式光学系统1、准直透镜2、可调谐滤光片3、掩模模板4、微透镜阵列5、探测器6及计算机7组成；拼接式光学系统1的像方焦点与准直透镜2的物方焦点重合，可调谐滤光片3、掩模模板4及微透镜阵列5依次位于准直透镜2之后，探测器6位于微透镜阵列焦平面上；从拼接式光学系统1出射的汇聚光经准直透镜2变为准直光束，后经可调谐滤光片3的滤光及掩模模板4上的子孔径采样，经微透镜阵列5汇聚于探测器6，并由计算机7存储由探测器6记录的像。准直透镜2为消色差透镜，以确保经准直透镜2变换后的光束能够保持足够高的准直度；可调谐滤光片3有足够宽的调谐范围，且对每个调谐的波长均具有较窄线宽的特点；掩模模板4上包含众多用于采样对应相邻子镜拼缝处拼接波前的子孔径；子孔径形状可为圆形、矩形、六边形等；子孔径数目与拼接式光学系统1中拼接式主镜上的有效拼缝数目相同；每一个子孔径均在微透镜阵列中有唯一对应的微透镜；探测器6为科学级CCD或科学级CMOS；探测器6上所得到的像为光斑阵列，其光斑数目与有效的子镜拼缝及掩模模板4上子孔径的数目相同。
如图2所示，为本发明所述的一种生成用于测量共相误差的数字式色散条纹方法的流程图。在光斑采集阶段，通过连续调谐可调谐滤光片的透过波长，有序采集并存储对应的探测器靶面像；在色散条纹生成阶段，从光斑采集阶段采集的所有光斑阵列像中截取对应待测拼缝的所有光斑，并将这些光斑沿待测拼缝的方向累加得到一维光强分布，并将这些一维光强分布按照调谐波长的大小依次并排堆叠成二维矩阵，便可得到该待测拼缝对应的受平移误差调制的数字式色散条纹。图3详细地展示了数字式色散条纹的形成过程。
以上所述仅为本发明的具体实施例而已，但本发明的保护范围并不局限于此，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种改变和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换、改进等，均应涵盖在本发明的权利要求范围之内。
Claims (9)
1.一种生成用于测量共相误差的数字式色散条纹的装置，其特征在于：由拼接式光学系统(1)、准直透镜(2)、可调谐滤光片(3)、掩模模板(4)、微透镜阵列(5)、探测器(6)及计算机(7)组成；拼接式光学系统(1)的像方焦点与准直透镜(2)的物方焦点重合，可调谐滤光片(3)、掩模模板(4)及微透镜阵列(5)依次位于准直透镜(2)之后，探测器(6)位于微透镜阵列焦平面上。
2.根据权利要求1所述的一种生成用于测量共相误差的数字式色散条纹的装置，其特征在于：从拼接式光学系统(1)出射的汇聚光经准直透镜(2)变为准直光束，后经可调谐滤光片(3)的滤光及掩模模板(4)上的子孔径采样，经微透镜阵列(5)汇聚于探测器(6)，并由计算机(7)存储由探测器(6)记录的像。
3.根据权利要求1所述的一种生成用于测量共相误差的数字式色散条纹的装置，其特征在于：准直透镜(2)为消色差透镜，以确保经准直透镜(2)变换后的光束能够保持足够高的准直度。
4.根据权利要求1所述的一种生成用于测量共相误差的数字式色散条纹的装置，其特征在于：可调谐滤光片(3)有足够宽的调谐范围，且对每个调谐的波长均具有较窄线宽的特点。
5.根据权利要求1所述的一种生成用于测量共相误差的数字式色散条纹的装置，其特征在于：掩模模板(4)上包含众多用于采样对应相邻子镜拼缝处拼接波前的子孔径；子孔径形状可为圆形、矩形、六边形等；子孔径数目与拼接式光学系统(1)中拼接式主镜上的有效拼缝数目相同；每一个子孔径均在微透镜阵列(5)中有唯一对应的微透镜。
6.根据权利要求1所述的一种生成用于测量共相误差的数字式色散条纹的装置，其特征在于：探测器(6)为科学级CCD或科学级CMOS；探测器(6)上所得到的像为光斑阵列，其光斑数目与有效的子镜拼缝及掩模模板(4)上子孔径的数目相同。
7.一种生成用于测量共相误差的数字式色散条纹的方法，其特征在于：包括步骤为：首先，从每幅由探测器(6)记录的光斑阵列中截取对应拼缝的光斑；然后，对该拼缝对应的所有截取光斑沿平行于拼缝的方向累加，得到一维光强分布；最后，将获得的一维光强分布数据按照对应调谐波长的大小顺序，依次并排堆叠在一个矩阵中，即可获得数字式色散条纹。
8.根据权利要求7所述的一种生成用于测量共相误差的数字式色散条纹的方法，其特征在于：所有的一维光强分布进行并排堆叠时，模拟了空间色散效应；等效的空间色散能力由调谐可调谐滤光片(3)时的波长间隔确定。
9.根据权利要求7所述的一种生成用于测量共相误差的数字式色散条纹的方法，其特征在于：当对应不同调谐波长的光斑存在总能量变动时，可调整改变探测器(6)的曝光时间，或人为地对光强进行比例缩放，从而达到对应不同调谐波长的光斑阵列总能量一致的目的。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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