CN111551129A - 大口径平面镜的中、低阶面形检测装置、系统及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大口径平面镜的低阶面形检测装置、大口径平面镜的中阶面形检测装置、大口径平面镜的中低阶面形检测系统、装置、及计算机可读存储介质，其中，低阶面形检测装置和中阶面形检测装置均利用相同的瑞奇‑康芒的光路架构，以微透镜阵列和相机形成类似HASO波前传感器的检测部件检测低阶面形数据，进而获得大口径平面镜的低阶面形，简化了低阶面形检测的难度和成本，而以相机和孔径遮挡板配合中介面形数据，进而个获得大口径平面镜的中阶面形数据，避免中阶面形检测受环境震动的影响并降低检测成本。且本发明中还利用中阶面形检测装置和低阶面形检测装置相结合，实现大口径平面镜中低面形检测。

Description

大口径平面镜的中、低阶面形检测装置、系统及存储介质

技术领域

本发明涉及平面镜面形检测技术领域，特别是涉及一种大口径平面镜的低阶面形检测装置、大口径平面镜的中阶面形检测装置、大口径平面镜的中低阶面形检测系统、装置、及计算机可读存储介质。

背景技术

黑洞、暗物质与暗能量、宇宙起源、天体起源、宇宙生命起源等天文学界研究的热点科学目标，需借助大口径望远镜获得更高的集光面积(与口径平方成正比)与分辨率(与口径成正比)等技术手段。大口径平面镜作为大口径望远镜的关键器件，其镜面尺寸也随之加大、所承担的功能也日益增多。

对于大口径平面镜的低阶面形检测，可采用扫描五棱镜、相位偏折术等轮廓测量方法，而高频分量可采用粗糙度仪或原子力显微镜，但整个检测设备光路结构复杂，不便于在望远镜拼接环境中测量。

针对大口径平面镜的中阶面形检测，则需要进行子孔径检测。离散子孔径测量方法是将大口径平面镜的波前划分为若干互不重叠的区域进行检测，继而获得全口径的面形。为了合理地降低离散相位子孔径检测中子孔径数量，可以使用平面干涉仪采集波前数据。但平面干涉仪的造价随着口径增大而急剧升高，同时对外界振动也十分敏感，限制了其应用的范围与工作环境。瑞奇-康芒法是用于标准球面镜的形成的会聚光路的检测方法，使得对同一大口径平面镜采集波前数据测量的平面干涉仪的口径大大降低，进而降低平面干涉仪的成本。综上所述，离散子孔径与瑞奇-康芒法的结合可以大幅降低大口径平面镜中阶面形检测成本，提升效率以及扩宽检测的应用场景，但是也并不能解决瑞奇-康芒法测量过程中对外界振动敏感的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种大口径平面镜的低阶面形检测装置，包括激光光源、分光镜、球面反射镜、相位变换板、微透镜阵列、相机以及处理器；

所述激光光源用于产生向所述分光镜入射的激光光束；待测平面镜位于所述分光镜的反射出射光路上，且所述待测平面镜预先划分为多个离散子孔径；所述球面反射镜位于所述待测平面镜的出射光路上；所述激光光源位于所述球面反射镜的等效球心上；所述相位变换板位于所述分光镜的透射出射光路上，且位于所述球面反射镜的等效球心上；所述微透镜阵列位于所述相位变换板的出射光路上，且和所述相位变换板的距离等于所述微透镜阵列的焦距；所述相机位于所述微透镜阵列的出射光路上；

其中，所述激光光束依次入射至所述分光镜反射至所述待测平面镜的离散子孔径，并反射至所述球面反射镜后沿原光路经所述离散子孔径反射至所述分光镜，并由所述分光镜透射出射依次经过所述相位变换板、所述微透镜阵列入射至所述相机；所述相机用于随着所述待测平面镜旋转，依次检测经各个所述离散子孔径反射的激光光束的波前斜率；

所述处理器和所述相机相连，用于根据各个所述离散子孔径对应的所述波前斜率获得所述待测平面镜的低阶面形。

本发明还提供了一种大口径平面镜的中阶面形检测装置，包括激光光源、分光镜、球面反射镜、孔径遮挡板、相机和处理器；

所述激光光源用于产生向所述分光镜入射的激光光束；待测平面镜位于所述分光镜的反射出射光路上，且所述待测平面镜预先划分为多个离散子孔径；所述球面反射镜位于所述待测平面镜的出射光路上；所述激光光源位于所述球面反射镜的等效球心上；所述相机位于所述分光镜的透射出射光路上，且位于所述球面反射镜的等效球心上；

其中，所述激光光束依次入射至所述分光镜反射至所述待测平面镜的离散子孔径，并反射至所述球面反射镜后沿原光路经所述离散子孔径反射至所述分光镜，并由所述分光镜透射出射至所述相机；

当所述球面反射镜边缘位置设置所述孔径遮挡板时，所述相机用于随着所述待测平面镜旋转，依次检测经各个所述离散子孔径反射的激光光束对应的遮挡点扩散函数；

当所述球面反射镜边缘位置未设置所述孔径遮挡板时，所述相机用于随着所述待测平面镜旋转，依次检测经各个所述离散子孔径反射的激光光束对应的点扩散函数；

所述处理器和所述相机相连，用于根据所述遮挡点扩散函数和所述点扩散函数获得波前相位，并根据所述波前相位获得所述待测平面镜的中阶面形。

本发明还提供了一种大口径平面镜的中低阶面形检测系统，包括激光光源、分光镜、球面反射镜、相位变换板、微透镜阵列、孔径遮挡板、相机以及处理器；

其中，所述激光光源、所述分光镜、所述球面反射镜、所述相位变换板、所述微透镜阵列以及所述相机用于组成如权利要求1所述的大口径平面镜的低阶面形检测装置，检测待测平面镜中各个离散子孔径对应的所述波前斜率；

所述激光光源、所述分光镜、所述球面反射镜、所述孔径遮挡板和所述相机用于组成如权利要求2所述的大口径平面镜的中阶面形检测装置，检测所述待测平面镜中各个离散子孔径对应的遮挡点扩散函数和点扩散函数；

所述处理器，用于根据所述波前斜率、所述遮挡点扩散函数和所述点扩散函数，获得所述待测平面镜的中低阶面形。

本发明还提供了一种大口径平面镜的中低阶面形检测方法，应用于如上述的大口径平面镜的中低阶面形检测系统，包括：

采集获得待测平面镜中各个离散子孔径区域低阶面形对应的波前斜率，以及中阶面形对应的遮挡点扩散函数和点扩散函数；

根据所述遮挡点扩散函数和所述点扩散函数，获得所述待测平面镜的中阶面形对应的波前相位；

根据所述波前斜率和所述波前相位，获得所述待测平面镜的中低阶面形。

可选地，根据所述波前斜率和所述波前相位，获得所述待测平面镜的中低阶面形包括：

根据所述波前斜率获得所述待测平面镜的低阶面形功率谱；

根据所述波前相位获得所述待测平面镜的中阶面形功率谱；

对所述低阶面形功率谱和所述中阶面形功率谱进行拼接，获得所述待测平面镜的中低阶面形功率谱；

根据预先经过神经网络训练获得的面形功率谱和面形泽尼克多项式之间对应关系模型，以及所述中低阶面形功率谱，获得所述待测平面镜的中低阶面形泽尼克多项式。

可选地，获得所述对应关系模型的过程包括：

基于多个已知泽尼克多项式的平面镜样本，和如权利要求3所述的大口径平面镜的中低阶面形检测系统，采集各个所述平面镜样本的低阶面形对应的波前斜率样本和中阶面形对应的波前相位样本；

根据所述波前斜率样本和所述波前相位样本，获得各个所述平面镜样本的中低阶面形功率谱样本；

根据各个所述平面镜样本的泽尼克多项式和对应的中低阶面形功率谱样本进行小波神经网络训练，获得所述对应关系模型。

可选地，对所述低阶面形功率谱和所述中阶面形功率谱进行拼接，获得所述待测平面镜的中低阶面形功率谱，包括：

将所述低阶面形功率谱和所述中阶面形功率谱频率重合空域对应的功率谱大小进行平均值计算，获得所述待测平面镜的中低阶频域重合空域面形功率谱。

本发明还提供了一种大口径平面镜的中低阶面形检测装置，应用于如上所述的大口径平面镜的中低阶面形检测系统，包括：

数据采集模块，用于采集获得待测平面镜中各个子孔径区域低阶面形的波前斜率，以及阶面形的波前相位；

面形获得模块，用于根据所述波前斜率和所述波前相位，获得所述待测平面镜的中低阶面形。

可选地，所述面形获得模块具体包括：

低阶功率谱单元，用于根据所述波前斜率获得所述待测平面镜的低阶面形功率谱；

中阶功率谱单元，用于根据所述波前相位获得所述待测平面镜的中阶面形功率谱；

拼接功率谱单元，用于对所述低阶面形功率谱和所述中阶面形功率谱进行拼接，获得所述待测平面镜的中低阶面形功率谱；

多项式单元，用于根据预先经过神经网络训练获得的面形功率谱和面形泽尼克多项式之间对应关系模型，以及所述中低阶面形功率谱，获得所述待测平面镜的中低阶面形泽尼克多项式。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一项所述大口径平面镜的中低阶面形检测方法的步骤。

本发明提供了大口径平面镜的低阶面形检测装置，采用激光光源、分光镜、球面反射镜等部件形成瑞奇-康芒的基本光路架构，但是采用相位变换板、微透镜阵列和相机组成HASO波前传感器结构，检测大口径平面镜的各个离散子孔径的低阶面形数据，在很大程度上提高了检测数据的精度，并且本申请中的装置结构简单，在很大程度上降低了低阶面形检测的成本。

本发明中提供了大口径平面镜的中阶面形检测装置，同样采用激光光源、分光镜、球面反射镜等部件形成瑞奇-康芒的基本光路架构，但大口径平面镜的各个离散子孔径的中阶面形数据检测时，通过孔径遮挡板遮挡球面反射镜边缘部分光线，减少离散子孔径的重叠，并利用相机采集有分光镜出射的点扩散函数，基于该点扩散函数，即可获得各个离散子孔径的中阶面形数据，相对于现有的常规的检测大口径面形检测的方法，本申请同样具有降低对外界震动敏感程度的效果，并降低中阶面形检测的成本。

本发明中还提供了大口径平面镜的中低阶面形检测系统，该系统中结合了上述中阶面形检测装置和低阶面形检测装置的特点，采用了两个装置中共有的瑞奇-康芒的基本光路架构，在检测大口径平面镜的低阶面形数据时，则采用相位变换板、微透镜阵列和相机组成HASO波前传感器结构进行数据的采集，而检测大口径平面镜的中阶面形数据时，则利用相机和孔径这挡板进行数据采集；实现了一种光路结构进行更大空域范围内的面形数据检测，有利于大口径平面镜的性能的提高，并降低检测成本。

本申请中还提供了一种大口径平面镜的中低阶面形检测装置以及计算机可读存储介质，具有上述有益效果。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的瑞奇-康芒法的基本光路架构示意图；

图2为本申请实施例提供的大口径平面镜的低阶面形检测装置的光路结构示意图；

图3为本申请实施例提供的大口径平面镜的中阶面形检测装置的光路结构示意图；

图4为本申请实施例提供的大口径平面镜的中低阶面形检测方法的流程示意图；

图5为本申请实施例提供的低阶面形功率谱和中阶面形功率谱拼接的坐标示意图；

图6为本申请实施例提供的大口径平面镜的中低阶面形检测装置的结构框图。

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，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，图1为现有技术中瑞奇-康芒法的基本光路架构示意图。图1中干涉仪02向平面镜01的表面发射光束，经过平面镜01反射后，入射至反射镜03，该反射镜03为球面反射镜，有反射镜03在平面镜01所成的镜像04可知，干涉仪02位于该反射镜的等效球心上，因此由平面镜01反射至反射镜03的光线可按照原路返回，再次由该平面镜01反射至干涉仪中，干涉仪02通过检测反射回来的光束产生的干涉条纹，获得该反射光束的波前数据，从而获得平面镜01的面形数据。

但是对于例如图1所示的瑞奇-康芒光路中利用的是干涉仪产生干涉条纹检测波前信息，干涉条纹对环境振动敏感，并且干涉仪的设备成本也非常高，导致该方法难以在实验室外，装调望远镜的外部环境中应用，且应用成本较高。

为此本申请中提供了一种大口径平面镜的低阶面形检测装置，如图2所示，图2为本申请实施例提供的大口径平面镜的低阶面形检测装置的光路结构示意图，该低阶面形检测装置可以包括：

激光光源1、分光镜2、球面反射镜3、相位变换板5、微透镜阵列6、相机7以及处理器；

激光光源1用于产生向分光镜2入射的激光光束；

待测平面镜4位于分光镜2的反射出射光路上，且待测平面镜4预先划分为多个离散子孔径；

球面反射镜3位于待测平面镜4的出射光路上；激光光源1位于球面反射镜3的等效球心上；

相位变换板5位于分光镜4的透射出射光路上，且位于球面反射镜3的等效球心上；

微透镜阵列6位于相位变换板5的出射光路上，且和相位变换板5的距离等于微透镜阵列6的焦距；

相机7位于微透镜阵列6的出射光路上；

其中，激光光束依次入射至分光镜2反射至待测平面镜4的离散子孔径并反射至球面反射镜3后，沿原光路经离散子孔径反射至分光镜2，并由分光镜2透射出射依次经过相位变换板5、微透镜阵列6入射至相机7；相机7用于随着待测平面镜4旋转，依次检测经各个离散子孔径反射的激光光束的波前斜率；

处理器和相机7相连，用于根据波前斜率获得待测平面镜4的低阶面形。

如图2所示，可以预先将待测平面镜4划分为多个离散子孔径区域，使得激光光源1发射的光束经过分光镜2反射至其中离散子孔径，又从该离散子孔径反射至球面反射镜3。因为激光光源1位于该球面反射镜3的等效球心位置，因此入射至球面反射镜3的光束可沿原路返回，反射至离散子孔径并入射至分光镜2，入射至该分光镜2的光束透射出射。具体地，本实施例中的分光镜2具体为45度分光镜。对比于图1可知，本申请中激光光源1、分光镜2、球面反射镜3结合待测平面镜4形成的光路和瑞奇-康芒法的基本光路架构类似；不同的是光路中的光束来源不同，图1中的光束由干涉仪02发出，而本申请中的光束是激光光源1发出，且因为分光镜2的作用使得第一次入射到待测平面镜4的激光光束，和最终由待测平面镜4反射出射的激光光束在分光镜位置的光路不再重合，而形成在空间中两个不同方向传播；进一步地，本申请中检测经过待测平面镜4反射的光束的波前数据的设备也不同，先经过相位变换板5对光束进行使得波前相位改变π/4，改善光场强度分布后，进入微透镜阵列6并通过微透镜阵列6入射至相机7。需要说明的是，该相位变换板5也位于球面反射镜3的等效球心上，且该微透镜阵列6和相位变换板5之间的间距应当等于该微透镜阵列6的焦距。

在本实施例的结构中该微透镜阵列6和相机7形成等效的HASO波前传感器结构，可以实现经待测平面镜4反射的光波波前斜率，基于该波前斜率数据；在实现待测平面镜4上一个离散子孔径区域的波前斜率数据检测后，旋转该待测平面镜4，使得下一个离散子孔径区域位于光路中，由此逐个实现各个离散子孔径区域对应的波前斜率。

利用微透镜阵列6空间滤波的方法，通过空间滤波抑制检测过程中的高频分量影响以提高共相精度，减少迭代后期信噪比下降所造成的影响，降低长光路中大气湍流的影响，并结合在待测平面镜4上所投射的面积，控制检测的空间频率。

处理器基于该待测平面镜4各个离散子孔径区域对应的波前斜率数据进行运算，即可获得该待测平面镜4的低阶面形。另，基于波前斜率获得平面镜面形是本领域常规技术，对此本申请中不做具体论述。

本实施例中提供的大口径平面镜的低阶面形检测装置相对于扫描五棱镜、相位偏折术等轮廓测量方法等已有的检测方式而言，结构更为简单，设备成本低，为大口径望远镜在实验室外装调检测提供有利条件，有利于大口径望远镜的发展和应用。

本申请还提供了一种大口径平面镜的中阶面形检测装置的实施例，具体地，如图3所示，图3为本申请实施例提供的大口径平面镜的中阶面形检测装置的光路结构示意图，该中阶面形检测装置可以包括：

激光光源1、分光镜2、球面反射镜3、孔径遮挡板8、相机7和处理器；

激光光源1用于产生向分光镜2入射的激光光束；

待测平面镜4位于分光镜2的反射出射光路上，且待测平面镜4预先划分为多个离散子孔径；

球面反射镜3位于待测平面镜4的出射光路上；

激光光源1位于球面反射镜3的等效球心上；

相机7位于分光镜2的透射出射光路上，且位于球面反射镜3的等效球心上；

其中，激光光束依次入射至分光镜2反射至待测平面镜4的离散子孔径，并反射至球面反射镜3后沿原光路经离散子孔径反射至分光镜2，并由分光镜2透射出射至相机；

当球面反射镜3边缘位置设置孔径遮挡板8时，相机7用于随着待测平面镜4旋转，依次检测经各个离散子孔径反射的激光光束对应的遮挡点扩散函数；

需要说明的是，该孔径遮挡板8遮挡球面反射镜3的口径尺寸，应当不大于球面反射镜3的口径五十分之一。

当球面反射镜3边缘位置未设置孔径遮挡板8时，相机7用于随着待测平面镜4旋转，依次检测经各个离散子孔径反射的激光光束对应的点扩散函数；

处理器和相机7相连，用于根据遮挡点扩散函数和点扩散函数获得波前相位，并根据波前相位获得待测平面镜的低阶面形。

具体地，对照图2和图3可知，本实施例中也同样是将待测平面镜4预先划分为多个离散子孔径区域，并且低阶面形检测装置的光路中激光光源1、分光镜2、球面反射镜3的光路和图2中的相同，也相当于形成瑞奇-康芒法的光路架构。区别在于，本实施例中采用相机7直接拍摄分光镜出射的光束，且因为相机7位于球面反射镜3的等效球心上，因此，可通过相机7拍摄获得点扩散函数，而在将球面反射镜3边缘部分采用孔径遮挡板8进行遮挡板时，相机可采集获得遮挡点扩散函数；

处理器基于该遮挡点扩散函数和点扩散函数，即可获得波前的相位。

具体地，本实施例中利用的是dOTF(differential optical transfer function，差分光学传递函数)技术，是检测光瞳面成像的相位和复振幅从而获得波前的简单技术，其本质是利用两幅PSF(点扩散函数)图像的傅里叶变换之差(分别取全部光瞳面和部分遮挡光瞳面)计算光瞳面(pupil field)的相位分布。因为点扩散函数是光瞳面的二次泛函，傅里叶变换后所得OTF(optical transfer function，光学传递函数)本质上为非线性函数，具体过程如下：

设光瞳复振幅为ψ(x)，光瞳掩模后复振幅为ψ'(x)＝ψ(x)+Δψ(x)。

光学传递函数为复振幅自相关函数，差分光学传递函数为可表示为：

ΔH(ζ)＝H_Π+ΔΠ(ζ)-H_Π(ζ)

＝(ψ+Δψ)*(ψ+Δψ)^*-ψ*ψ^*

＝ψ*Δψ^*+Δψ*ψ^*+Δψ*Δψ^*

当不考虑重叠区域点时，最终求得光瞳面的相位

和振幅A(ξ)可由下式表示：

A(ζ)＝|ΔH(ζ-x₀)|

dOTF是通过差分方法将OTF的二次泛函变为线性的过程。两个PSF图像的傅里叶变换之差近似于OTF对光瞳掩模(pupil mask)的导数，而OTF导数的几何意义为翻转对称且存在部分重叠的共轭光瞳图像。当图像不重叠时，光瞳面可通过相位和振幅进行检测，但重叠部分内不方便进行测量计算，dOTF引入部分遮挡，减小了光瞳重叠区域的方法，计算得到光瞳面的差分光学传递函数，估算整个光瞳面的相位和振幅分布，得到光学系统的波前分布。

利用在球面反射镜3的口径边缘的遮挡，可以实现对入瞳复振幅进行调制，结合非遮挡情况下所获得的复振幅，获得光学传递函数(复振幅自相关函数)的变分。

获得的波前相位有三部分组成，分别为互为共轭的孪生像，以及由于遮挡所引入的二次项。对于二次项的消除可以使用两种方法，分别是在对称位置遮挡，获得输出数据进行拼接，以及利用相位恢复的方法利用远场光斑与波前相位间的映射关系，通过迭代获得更高精度的波前。在此，由于采用离散口径检测，故选择将所得数据边缘进行裁剪。

本实施例中同样采用激光光源1、分光镜2和球面反射镜3搭建瑞奇-康芒光路，并通过相机7直接采集获得点扩散函数的图像，通过运算的方式获得待测平面镜中阶面形对应的波前数据，相对于现有技术中采用干涉仪等昂贵设备而言，在很大程度上降低了中阶面形检测的成本，并且不易受外界环境干扰，且结构简单使用成本低，能够实现望远镜室外装调时，对大口径平面镜的测量，有利于大口径望远镜的发展和应用。

结合上述大口径平面镜的低阶面形检测装置和大口径平面镜中阶面形检测装置的实施例，本申请还提供了一种大口径平面镜的中低阶面形检测系统的实施例，具体地，该中低面形检测系统可以包括：

激光光源、分光镜、球面反射镜、相位变换板、微透镜阵列、孔径遮挡板、相机以及处理器；

其中，激光光源用于产生向分光镜入射的激光光束；

待测平面镜位于分光镜的反射出射光路上，且待测平面镜预先划分为多个离散子孔径；

球面反射镜位于待测平面镜的出射光路上；

激光光源位于球面反射镜的等效球心上；

由此可见，本实施例中激光光源、分光镜以及球面反射镜结合待测平面镜形成光路也即是瑞奇-康芒法光路，和图1以及图2中瑞奇-康芒法光路相同；

当相位变换板设置在分光镜出射光路上，且相位变换板位于球面反射镜的等效球心上，微透镜阵列设置于相位变换板的出射光路上且微透镜阵列和相位变换板之间的间距等于微透镜阵列的焦距，相机设置在微透镜阵列的出射光路上时，也即可形成如图1所示的大口径平面镜的低阶面形检测装置的光路，相机即可用于依次检测经各个离散子孔径反射的激光光束对应的波前斜率；

当相机设置在分光镜出射光路上，且相机位于球面反射镜的等效球心上时，将孔径遮挡板设置在球面反射镜边缘位置遮挡球面反射镜的部分边缘位置光线，相机即可用于检测待测平面镜中各个离散子孔径对应的遮挡点扩散函数；将孔径遮挡板从球面反射镜边缘撤去，相机即可用于检测待测平面镜中各个离散子孔径对应的点扩散函数。

数据处理器，用于根据波前斜率、遮挡点扩散函数和点扩散函数获得待测平面镜的中低阶面形。

需要说明的是，参考图2和图3，本实施例中和图2以及图3中相同，也是利用激光光源、分光镜以及球面反射镜形成的瑞奇-康芒光路，对此本实施例中不再详细赘述。

而在对大口径的待测平面镜进行面形数据检测时，可以现参照图2所示的光路，利用激光光源1、分光镜2、球面反射镜3形成的瑞奇-康芒光路以及相位变换板5、微透镜阵列6、相机7，搭建瑞奇-康芒光路和HASO波前传感器相结合的光路，采集待测平面镜的低阶面形数据，其光路和工作过程和上述大口径平面镜的低阶面形检测装置的实施例相同，在此不再详细赘述；

在采集完低阶面形数据后，可以将光路中的微透镜阵列6和相位变换板5撤去，直接将相机7设置在分光镜2出射光路上，且位于球面反射镜3的等效球心上，再利用孔径遮挡板8遮挡和不遮挡球面反射镜3边缘位置，实现待测平面镜4的中阶面形数据的测量，其具体过程和上述大口径平面镜中阶面形检测装置相同，对此不再赘述。

本实施例中所提供的大口径平面镜的中低阶面形检测系统中，所采用的用于检测大口径平面镜的低阶面形数据和中阶面形的数据具有较高的相似度，使得在实际面形检测时，仅仅撤换部分光路元件，即可实现待测平面镜中阶和低阶面形数据的检测，在很大程度上降低了对大口径平面镜大的空域范围的面形检测的难度，有利于大口径望远镜的装调和应用。

基于上述大口径平面镜的中低阶面形检测系统，本申请还提供了一种大口径平面镜的中低阶面形检测方法的实施例，具体地，该方法可以包括：

S11：采集获得待测平面镜中各个离散子孔径区域低阶面形对应的波前斜率，以及中阶面形对应的遮挡点扩散函数和点扩散函数。

S12：根据遮挡点扩散函数和点扩散函数，获得待测平面镜的中阶面形对应的波前相位。

S13：根据波前斜率和波前相位，获得待测平面镜的中低阶面形。

本实施例中利用上述实施例中的大口径平面镜的中低阶面形检测系统提过供的光路结构，可以实现大口径的待测平面镜的中低阶面形同时检测，提高了检测待测平面镜面形检测的空域范围，有利于大口径平面镜在大口径望远镜应用。

基于上述实施例，在本申请的另一可选地实施例中，如图4所示，图4为本申请实施例提供的大口径平面镜的中低阶面形检测方法的流程示意图，该方法可以包括：

S21：获得待测平面镜中各个离散子孔径区域低阶面形对应的波前斜率，以及中阶面形对应的波前相位。

S22：根据波前斜率获得待测平面镜的低阶面形功率谱。

S23：根据波前相位获得待测平面镜的中阶面形功率谱。

1967年，Welch提出了一种修正的周期图作为随机序列功率谱密度的修正。其主要思想为：将整个序列分为若干子序列，让每个子序列之间有重叠的部分；并对与每个子序列加窗，之后求各序列功率谱的均值。

本质上说离散子孔径技术在采集数据时，就是将整个待测平面镜的数据(随机序列)分成几个部分，各部分之间有所重叠，而加窗的处理方法也对应着子孔径拼接时的“子孔径函数”(MASK)；将离散子孔径拼接与修正周期图法结合在一起，可以得到整镜功率谱的渐进无偏估计。

具体地，基于Welch法，可利用面形功率谱公式：

其中，待定的修正系数

L和L’为采集图像中的横向像元数和纵向像元数，K和K’为待测平面镜的横向离散子孔径数和纵向子孔径数，(u_l,v_l)为空间频率，ω(l,l')为空域窗函数，(l,l')为空域坐标；F{·}为傅里叶变换；

为离散子孔径面形数据。

具体地，K和K’为待测平面镜表面离散子孔径横向子孔径数和纵向子孔径数。

当需要获得低阶面形功率谱时，

即为待测平面镜低阶面形对应的波前斜率；当需要获得中阶面形功率谱时，

即为待测平面镜中阶面形对应的波前相位。

由以上分析可知，适当增加取样点数与离散子孔径时，本实施例中的算法估计整体面形功率谱的精准度可以大幅度的提高，符合子孔径拼接技术以低成本、高分辨率的方法检测大口径光学元件一部分的基本原理；并且，本实施例中计算面形功率算法精度与子孔径面形数据量以及子孔径形状有直接关系，而降低了对子孔径的位置精度的要求。

通过上式，可以实现从离散子孔径检测结果获得整体面形功率谱的估计值。

可选地，考虑到一维功率谱具有简洁直观的特点，在此本申请中还可以进一步地引入一种二维功率谱坍陷的方法，这样既可以利用尽量多得波前信息，也可以保留一维功率谱简单明了的特点。功率谱坍陷一般由两种思路：时域坍陷与频域坍陷。对于时域坍陷，其坍陷效果对波前的旋转对称性依赖性较大，同时数据的数值精度对于功率谱的计算也会有较大影响；而对于频域坍陷，由于傅里叶变换本身的对称性，算法对于波前的旋转对称性要求降低，同时由于均值滤波效应，其输出的功率谱质量也会提高。

功率谱频域坍陷的具体方法为：通过计算环形区域上的二维功率谱以及平均半径，将二维功率谱坍陷为一维形式：

其中，

为环状区域内空间频域的平均，ρ_l＝(u_l,v_l)，

利用此方法不仅可以由二维功率谱简单地得到其一维坍陷形式并可以通过设置环带数量控制功率谱的分辨率。不管是大口径平面镜的整体低阶面形功率谱还是中阶面形功率谱均可以通过上述公式得到一维的面形功率谱。

S24：对低阶面形功率谱和中阶面形功率谱进行拼接，获得待测平面镜的中低阶面形功率谱。

具体地，如图5所示，图5为本申请实施例提供的低阶面形功率谱和中阶面形功率谱拼接的坐标示意图。

对于待测平面镜的低阶面形功率谱和中阶面形功率谱存在部分空域重合区域，将基于zelda原理测得的斜率数据获得的低阶面形功率谱和基于Dotf原理测得的面形数据获得阶面形功率谱，在重合频段区域进行平均值计算，以二者平均值作为重合区域的面形功率谱的大小，从而获得该待测平面镜由中阶到低阶完整的面形功率谱。当然，本申请中也并不排除其他拼接功率谱的方式。

S25：根据预先经过神经网络训练获得的面形功率谱和面形泽尼克多项式之间对应关系模型，以及中低阶面形功率谱，获得待测平面镜的中低阶面形泽尼克多项式。

需要说明的是，对于大口径平面镜而言，面形功率谱和泽尼克多项式均是属于大口径平面镜的面形表示方式。但是泽尼克多项式能够直接提取大口径平面镜类似于像差、系统误差等各种参数，因此，采用泽尼克多项式表示大口径平面镜是一种更优选的方式。

但是直接根据待测平面镜的波前数据进行泽尼克多项式运算，往往需要加入复杂的限制条件，导致过程非常复杂。当面形功率谱无法描述望远镜系统中平面镜的常见像差和系统误差时，采用建立机器学习模型去处理大量数据，则表现出极大的灵活性和自适应性。从信息传递的角度上说，经过频域变化的面形功率谱依旧保留空域的信息，但是由于表达形式的不同，无法直接提取。在此采用神经网网络的方法，以面形功率谱为输入，以待测平面镜整镜前37阶泽尼克多项式为输出，训练神经网络，利用神经网络强大的非线性建模能力，实现检测结果后处理，得到实际平面镜面形。

为此，本实施例中预先通过神经网络模型训练，确定功率谱和泽尼克多项式之间对应关系模型，进而利用待测平面镜的中低阶面形功率谱和该对应关系模型，即可确定该待测平面镜对应的泽尼克多项式，则很大程度上降低获得泽尼克多项式的运算量。具体地该待测平面镜的泽尼克多项式具体的可以是37项泽尼克多项式。

在本申请的另一可选地实施例中，获得面形功率谱和面形泽尼克多项式之间对应关系模型的过程具体可以包括：

S31：基于多个已知泽尼克多项式的平面镜样本，采集获得各个平面镜样本的低阶面形对应的波前斜率样本和中阶面形对应的波前相位样本。

具体地该波前斜率样本和波前相位样本的获取，可以是采用上述实施例中的大口径平面镜的中低阶面形检测系统进行检测获得的，当然，也可以采用其他方式采集获得，对此本申请中不做具体限制。

S32：根据波前斜率样本和波前相位样本，获得各个平面镜样本的中低阶面形功率谱样本。

同理，本实施例中获得中低阶面形功率谱样本的过程可以参照上述实施例中获得待测平面镜的中低阶面形功率谱的过程，当然，本申请中也不排除其他方式获得平面镜样本的功率谱的实施例。

S33：根据各个平面镜样本的泽尼克多项式和对应的中低阶面形功率谱样本数据进行小波神经网络训练，获得对应关系模型。

小波神经网络结合了小波变换多尺度表征的特性，同时保留了神经网络泛化能力好、非线性映射能力强的特点。基于深度学习算法“端到端”地构建系统误差(重力、温度、气流、振动、执行机构误差、光学元件面形误差、偏振误差，光强闪烁)模型，实现系统的标校，减少硬件实现的压力；本实施例中使用小波函数作为隐藏层激活函数，以中低阶面形功率谱为输入，以平面镜整镜前37阶泽尼克多项式为输出，训练神经网络，即可获得对应关系模型。

下面对本发明实施例提供的大口径平面镜的中低阶面形检测装置进行介绍，下文描述的大口径平面镜的中低阶面形检测装置与上文描述的大口径平面镜的中低阶面形检测方法可相互对应参照。

图6为本发明实施例提供的大口径平面镜的中低阶面形检测装置的结构框图，参照图6的大口径平面镜的中低阶面形检测可以包括：

数据采集模块100，用于采集获得待测平面镜中各个子孔径区域低阶面形的波前斜率，以及阶面形的波前相位；

面形获得模块200，用于根据所述波前斜率和所述波前相位，获得所述待测平面镜的中低阶面形。

在本申请一种可选地实施例中，所述面形获得模块具体包括：

低阶功率谱单元，用于根据所述波前斜率获得所述待测平面镜的低阶面形功率谱；

中阶功率谱单元，用于根据所述波前相位获得所述待测平面镜的中阶面形功率谱；

拼接功率谱单元，用于对所述低阶面形功率谱和所述中阶面形功率谱进行拼接，获得所述待测平面镜的中低阶面形功率谱；

多项式单元，用于根据预先经过神经网络训练获得的面形功率谱和面形泽尼克多项式之间对应关系模型，以及所述中低阶面形功率谱，获得所述待测平面镜的中低阶面形泽尼克多项式。

在本申请的另一可选地实施例中，还包括模型训练模块，用于基于多个已知泽尼克多项式的平面镜样本，和如权利要求3所述的大口径平面镜的中低阶面形检测系统，采集各个所述平面镜样本的波前斜率样本数据和波前相位样本数据；根据所述波前斜率样本数据和所述波前相位样本数据，获得各个所述平面镜样本的中低阶面形功率谱样本数据；根据各个所述平面镜样本的泽尼克多项式和对应的中低阶面形功率谱样本数据进行小波神经网络训练，获得所述对应关系模型。

在本申请另一可选地实施例中，拼接功率谱单元具体还可以用于，将所述低阶面形功率谱和所述中阶面形功率谱频率重合空域对应的功率谱大小进行平均值计算，获得所述待测平面镜的中低阶频域重合空域面形功率谱。

本实施例的大口径平面镜的中低阶面形检测装置用于实现前述的大口径平面镜的中低阶面形检测方法，因此大口径平面镜的中低阶面形检测装置中的具体实施方式可见前文中的大口径平面镜的中低阶面形检测方法的实施例部分，在此不再赘述。

本申请还提供了一种计算机可读存储介质的实施例，该计算机可读存储介质用于存储计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上任一项大口径平面镜的中低阶面形检测方法的步骤。

具体地，该计算机可读存储介质可以是随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种大口径平面镜的低阶面形检测装置，其特征在于，包括激光光源、分光镜、球面反射镜、相位变换板、微透镜阵列、相机以及处理器；

所述激光光源用于产生向所述分光镜入射的激光光束；待测平面镜位于所述分光镜的反射出射光路上，且所述待测平面镜预先划分为多个离散子孔径；所述球面反射镜位于所述待测平面镜的出射光路上；所述激光光源位于所述球面反射镜的等效球心上；所述相位变换板位于所述分光镜的透射出射光路上，且位于所述球面反射镜的等效球心上；所述微透镜阵列位于所述相位变换板的出射光路上，且和所述相位变换板的距离等于所述微透镜阵列的焦距；所述相机位于所述微透镜阵列的出射光路上；

其中，所述激光光束依次入射至所述分光镜反射至所述待测平面镜的离散子孔径，并反射至所述球面反射镜后沿原光路经所述离散子孔径反射至所述分光镜，并由所述分光镜透射出射依次经过所述相位变换板、所述微透镜阵列入射至所述相机；所述相机用于随着所述待测平面镜旋转，依次检测经各个所述离散子孔径反射的激光光束的波前斜率；

所述处理器和所述相机相连，用于根据各个所述离散子孔径对应的所述波前斜率获得所述待测平面镜的低阶面形。

2.一种大口径平面镜的中阶面形检测装置，其特征在于，包括激光光源、分光镜、球面反射镜、孔径遮挡板、相机和处理器；

所述激光光源用于产生向所述分光镜入射的激光光束；待测平面镜位于所述分光镜的反射出射光路上，且所述待测平面镜预先划分为多个离散子孔径；所述球面反射镜位于所述待测平面镜的出射光路上；所述激光光源位于所述球面反射镜的等效球心上；所述相机位于所述分光镜的透射出射光路上，且位于所述球面反射镜的等效球心上；

其中，所述激光光束依次入射至所述分光镜反射至所述待测平面镜的离散子孔径，并反射至所述球面反射镜后沿原光路经所述离散子孔径反射至所述分光镜，并由所述分光镜透射出射至所述相机；

当所述球面反射镜边缘位置设置所述孔径遮挡板时，所述相机用于随着所述待测平面镜旋转，依次检测经各个所述离散子孔径反射的激光光束对应的遮挡点扩散函数；

当所述球面反射镜边缘位置未设置所述孔径遮挡板时，所述相机用于随着所述待测平面镜旋转，依次检测经各个所述离散子孔径反射的激光光束对应的点扩散函数；

所述处理器和所述相机相连，用于根据所述遮挡点扩散函数和所述点扩散函数获得波前相位，并根据所述波前相位获得所述待测平面镜的中阶面形。

3.一种大口径平面镜的中低阶面形检测系统，其特征在于，包括激光光源、分光镜、球面反射镜、相位变换板、微透镜阵列、孔径遮挡板、相机以及处理器；

其中，所述激光光源、所述分光镜、所述球面反射镜、所述相位变换板、所述微透镜阵列以及所述相机用于组成如权利要求1所述的大口径平面镜的低阶面形检测装置，检测待测平面镜中各个离散子孔径对应的所述波前斜率；

所述激光光源、所述分光镜、所述球面反射镜、所述孔径遮挡板和所述相机用于组成如权利要求2所述的大口径平面镜的中阶面形检测装置，检测所述待测平面镜中各个离散子孔径对应的遮挡点扩散函数和点扩散函数；

所述处理器，用于根据所述波前斜率、所述遮挡点扩散函数和所述点扩散函数，获得所述待测平面镜的中低阶面形。

4.一种大口径平面镜的中低阶面形检测方法，其特征在于，应用于如权利要求3所述的大口径平面镜的中低阶面形检测系统，包括：

采集获得待测平面镜中各个离散子孔径区域低阶面形对应的波前斜率，以及中阶面形对应的遮挡点扩散函数和点扩散函数；

根据所述遮挡点扩散函数和所述点扩散函数，获得所述待测平面镜的中阶面形对应的波前相位；

根据所述波前斜率和所述波前相位，获得所述待测平面镜的中低阶面形。

5.如权利要求4所述的大口径平面镜的中低阶面形检测方法，其特征在于，根据所述波前斜率和所述波前相位，获得所述待测平面镜的中低阶面形包括：

根据所述波前斜率获得所述待测平面镜的低阶面形功率谱；

根据所述波前相位获得所述待测平面镜的中阶面形功率谱；

对所述低阶面形功率谱和所述中阶面形功率谱进行拼接，获得所述待测平面镜的中低阶面形功率谱；

根据预先经过神经网络训练获得的面形功率谱和面形泽尼克多项式之间对应关系模型，以及所述中低阶面形功率谱，获得所述待测平面镜的中低阶面形泽尼克多项式。

6.如权利要求5所述的大口径平面镜的中低阶面形检测方法，其特征在于，获得所述对应关系模型的过程包括：

基于多个已知泽尼克多项式的平面镜样本，和如权利要求3所述的大口径平面镜的中低阶面形检测系统，采集各个所述平面镜样本的低阶面形对应的波前斜率样本和中阶面形对应的波前相位样本；

根据所述波前斜率样本和所述波前相位样本，获得各个所述平面镜样本的中低阶面形功率谱样本；

根据各个所述平面镜样本的泽尼克多项式和对应的中低阶面形功率谱样本进行小波神经网络训练，获得所述对应关系模型。

7.如权利要求4所述的大口径平面镜的中低阶面形检测方法，其特征在于，对所述低阶面形功率谱和所述中阶面形功率谱进行拼接，获得所述待测平面镜的中低阶面形功率谱，包括：

将所述低阶面形功率谱和所述中阶面形功率谱频率重合空域对应的功率谱大小进行平均值计算，获得所述待测平面镜的中低阶频域重合空域面形功率谱。

8.一种大口径平面镜的中低阶面形检测装置，其特征在于，应用于如权利要求3所述的大口径平面镜的中低阶面形检测系统，包括：

数据采集模块，用于采集获得待测平面镜中各个子孔径区域低阶面形的波前斜率，以及阶面形的波前相位；

面形获得模块，用于根据所述波前斜率和所述波前相位，获得所述待测平面镜的中低阶面形。

9.如权利要求8所述的大口径平面镜的中低阶面形检测装置，其特征在于，所述面形获得模块具体包括：

低阶功率谱单元，用于根据所述波前斜率获得所述待测平面镜的低阶面形功率谱；

中阶功率谱单元，用于根据所述波前相位获得所述待测平面镜的中阶面形功率谱；

拼接功率谱单元，用于对所述低阶面形功率谱和所述中阶面形功率谱进行拼接，获得所述待测平面镜的中低阶面形功率谱；

多项式单元，用于根据预先经过神经网络训练获得的面形功率谱和面形泽尼克多项式之间对应关系模型，以及所述中低阶面形功率谱，获得所述待测平面镜的中低阶面形泽尼克多项式。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质用于存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求4至7任一项所述大口径平面镜的中低阶面形检测方法的步骤。

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