CN112596199A - 基于光纤连接的大口径拼接主镜光学系统装调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤连接的大口径拼接主镜光学系统装调方法，首先将装调装置设置在光学系统的焦面上且对应于主镜的至少两个子镜的拼接处，然后控制成像部获得分别由相邻的两个子镜传播的两种模式光的干涉光强分布图，进一步根据获得的干涉光强分布图，获得相邻的两个子镜之间的台阶差，以根据获得的台阶差对两个子镜进行装调。本发明的大口径拼接主镜光学系统装调方法，实现了较准确地测量光学系统主镜的各个子镜间的台阶差，以对光学系统进行装调。

Description

基于光纤连接的大口径拼接主镜光学系统装调方法

技术领域

本发明涉及光学系统装调技术领域，特别是涉及一种基于光纤连接的大口径拼接主镜光学系统装调方法。

背景技术

随着人类对太空和外界信息获取需求的不断增大，为了获得更大的集光面积和分辨能力，对望远镜口径的要求不断增大。受限于大口径单镜的制造工艺、运输和成本，大口径单镜已不能满足应用需求，因此光学合成孔径技术逐步得到发展和重视。

所谓光学合成孔径，是指通过一系列易于制造的小孔径系统组合拼接成大孔径光学系统。光学合成孔径按其技术实现方式可以分为独立子孔径结构和子孔径拼接主镜结构。独立子孔径结构中，子孔径是独立的望远镜，具有各自独立的主、副镜光学系统，又称位相阵列系统(phased array)，例如VLTI(Very Large Telescope Interferometer，VLTI)望远镜。子孔径拼接主镜结构中，所有子孔径共用一个副镜，根据拼接主镜镜面是否接触拼接又可分为拼接主镜(segmented mirror)和稀疏孔径(sparse aperture)，比如，KECK望远镜是拼接主镜望远镜，GMT(Giant Magellan Telescope，GMT)望远镜是稀疏孔径望远镜。

综合比较世界上现有和在研的大型望远镜，为了获得等效大口径光学系统的高分辨率成像，应用拼接主镜技术的望远镜占多数，拼接主镜技术作为未来大口径望远镜的重要发展方向，那么，如何对大口径拼接主镜光学系统进行装调，是本领域技术人员需要关注和解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光纤连接的大口径拼接主镜光学系统装调方法，实现了较准确地测量光学系统主镜的相邻子镜间的台阶差，以对光学系统进行装调。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于光纤连接的大口径拼接主镜光学系统装调方法，使用的第一装调装置包括耦合部、光纤和成像部，所述耦合部用于将入射光包括的不同模式光分别耦合入不同的所述光纤内，所述光纤用于将光引导传播到所述成像部，所述成像部用于将两种不同模式光混合而发生干涉并记录干涉光强分布图；

所述方法包括：

将所述第一装调装置的耦合部设置在光学系统的焦面上且对应于主镜的至少两个子镜的拼接处，所述光学系统包括主镜和次镜，所述主镜包括多个所述子镜，由所述主镜收集的光线经过所述次镜后到达所述光学系统的焦面；

控制所述成像部获得分别由相邻的两个所述子镜传播的两种模式光的干涉光强分布图；

根据获得的所述干涉光强分布图，获得相邻的两个所述子镜之间的台阶差，以根据获得的所述台阶差对两个所述子镜进行装调。

优选的，所述方法具体包括：将所述第一装调装置的耦合部设置在光学系统的焦面上且对应于主镜的三个子镜的拼接处；

控制所述成像部获得分别由三个所述子镜传播的三种模式光中任意两种模式光的干涉光强分布图；

根据获得的三组所述干涉光强分布图，获得该三个子镜中任意两者之间的台阶差，以根据获得的台阶差对该三个所述子镜进行装调。

优选的，使用的第二装调装置包括透镜阵列和靶面，所述透镜阵列用于将入射光汇聚到所述靶面，以将入射光成像在所述靶面上；

所述方法还包括：

将所述第二装调装置设置在所述光学系统的焦面上且对应于所述主镜的目标子镜处，通过所述第二装调装置获得成像光斑；

根据获得的所述成像光斑的质心偏移量，获得所述目标子镜的倾斜量，以根据获得的所述倾斜量对所述目标子镜进行装调。

优选的，还包括：预先使用平行光管对所述第二装调装置进行标定，得到理想波前。

优选的，使用的第三装调装置包括光纤、相位面和探测部，该光纤用于将入射光引导传播到所述相位面，所述相位面用于将光反射并改变光的相位，所述探测部用于检测由所述相位面返回的光强度；

所述方法还包括：

将所述第三装调装置的光纤设置在所述光学系统的焦面上且对应于所述主镜的目标子镜处，通过所述探测部获得光强度信息；

根据获得的所述光强度信息，获得所述目标子镜的面形误差，以根据获得的所述面形误差对所述光学系统进行装调。

优选的，根据获得的所述面形误差对所述光学系统进行装调包括：利用灵敏度矩阵，根据以下公式将获得所述目标子镜的面形误差和执行元件的运动量建立关系：

(A^T A+εI)ΔD＝A^TΔZ；

其中：

为灵敏度矩阵，

为执行元件运动量，

为Zernike多项式系数变化，ε为阻尼因子，I为单位矩阵；

根据以下公式计算获得执行元件的运动量：ΔD＝(A^T A+εI)^-1A^TΔZ。

优选的，所述第一装调装置的所述耦合部设置在环形导轨上且能够沿所述环形导轨移动。

由上述技术方案可知，本发明所提供的基于光纤连接的大口径拼接主镜光学系统装调方法，使用的装调装置包括耦合部、光纤和成像部，耦合部用于将入射光包括的不同模式光分别耦合入不同的光纤内，光纤用于将光引导传播到成像部，成像部用于将两种不同模式光混合而发生干涉并记录干涉光强分布图。

本装调方法中，首先将装调装置设置在光学系统的焦面上且对应于主镜的至少两个子镜的拼接处，然后控制成像部获得分别由相邻的两个子镜传播的两种模式光的干涉光强分布图，进一步根据获得的干涉光强分布图，获得相邻的两个子镜之间的台阶差，以根据获得的台阶差对两个子镜进行装调。本发明基于光纤连接的的大口径拼接主镜光学系统装调方法，实现了较准确地测量光学系统主镜的各个子镜间的台阶差，以对光学系统进行装调。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍，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为本发明实施例的大口径拼接主镜光学系统的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种大口径拼接主镜光学系统装调方法的流程图；

图3为本发明一种实施例的第一装调装置的示意图；

图4为本发明又一实施例的大口径拼接主镜光学系统装调方法的流程图

图5为本发明又一实施例的大口径拼接主镜光学系统装调方法的流程图；

图6为本发明一种实施例的第三装调装置的示意图；

图7为本发明实施例的设置在光纤一端的相位面示意图。

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中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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，都应当属于本发明保护的范围。

本实施例的基于光纤连接的大口径拼接主镜光学系统装调方法，应用于的光学系统包括主镜和次镜，所述主镜包括多个子镜，由所述主镜收集的光线经过所述次镜后到达所述光学系统的焦面。请参考图1，图1为本实施例的大口径拼接主镜光学系统的示意图，光学系统包括主镜100和次镜102，主镜100由多个子镜101拼接形成，由主镜100收集的光线经过次镜102后汇聚到光学系统的焦面103。

本实施例方法使用的第一装调装置包括耦合部、光纤和成像部，所述耦合部用于将入射光包括的不同模式光分别耦合入不同的所述光纤内，所述光纤用于将光引导传播到所述成像部，所述成像部用于将两种不同模式光混合而发生干涉并记录干涉光强分布图。

请参考图2，图2为本实施例的大口径拼接主镜光学系统装调方法的流程图，由图可知，本实施例的装调方法包括以下步骤：

S10：将所述第一装调装置的耦合部设置在光学系统的焦面上且对应于主镜的至少两个子镜的拼接处。

请参考图3，图3为一种实施例的第一装调装置的示意图，第一装调装置包括耦合部200、光纤201和成像部202，耦合部200用于将入射光包括的不同模式光分别耦合入不同的所述光纤201内，所述光纤201用于将光引导传播到所述成像部202，所述成像部202用于将两种不同模式光混合而发生干涉并记录干涉光强分布图。

经过各个子镜101传播的光线分别为不同模式光。将第一装调装置的耦合部200设置在光学系统的焦面103上且对应于主镜的至少两个子镜101的拼接处，分别由相邻的至少两个子镜101传播的光线入射到第一装调装置的耦合部200，利用各个光纤201的空间滤波性质，各个光纤201分别传输不同模式光，通过耦合部200将入射光包括的不同模式光分别耦合入不同的光纤201内，通过第一装调装置的耦合部200将拼接处相邻的各个子镜101对应传播的光线分别耦合入不同的光纤201内。

优选的，光纤201可使用单模光纤，单模光纤仅仅允许基模通过，可以将光学系统面形中的中高频分量去除，使得引入后续光路的仅仅为波前的倾斜与平移。在实际应用中，第一装调装置可以包括两个耦合部200或者三个耦合部200，或者也可包括其它数量的耦合部200，可以根据实际应用需求灵活设置。

S11：控制所述成像部获得分别由相邻的两个所述子镜传播的两种模式光的干涉光强分布图。

S12：根据获得的所述干涉光强分布图，获得相邻的两个所述子镜之间的台阶差，以根据获得的所述台阶差对两个所述子镜进行装调。

根据相关实验及研究可得，当所有子镜101均完美指向焦点时，各个子镜101之间仅存在台阶误差。若预先将各个子镜101间存在的倾斜误差去除，本装调过程可仅考虑相邻两个子镜对应传播的两路光的相对光程差。获得干涉光强分布图后，可以通过条纹的间隙得到相位差。在此使用通过理论分析与软件仿真，得到子镜间的干涉条纹与子镜台阶差之间的关系，由于系统的非线性影响，线性模型误差较大，鉴于此，优选采用小波神经网络，使用群智能优化算法，通过结合遗传算法与粒子群算法调节小波神经网络参数，以子镜间的干涉光强分布图为输入，以子镜间的台阶差为输出，建立更高精度的装调模型。

因此，本实施例的大口径拼接主镜光学系统装调方法，实现了较准确地测量光学系统主镜的各个子镜间的台阶差，以对光学系统进行装调。

进一步的，本实施例方法使用的第二装调装置包括透镜阵列和靶面，所述透镜阵列用于将入射光汇聚到所述靶面，以将入射光成像在所述靶面上。

请参考图4，图4为又一实施例的大口径拼接主镜光学系统装调方法的流程图，由图可知，本实施例的装调方法包括以下步骤：

S20：将所述第二装调装置设置在所述光学系统的焦面上且对应于所述主镜的目标子镜处，通过所述第二装调装置获得成像光斑。

将第二装调装置设置在光学系统的焦面上且对应于主镜的目标子镜处，利用第二装调装置截取部分焦面。第二装调装置基于哈特曼传感器原理，通过直接成像将子镜光斑调节至一个范围内，通过靶面获得目标子镜的成像光斑。

在实际应用中，可以预先使用平行光管对第二装调装置进行标定，得到理想波前。

S21：根据获得的所述成像光斑的质心偏移量，获得所述目标子镜的倾斜量，以根据获得的所述倾斜量对所述目标子镜进行装调。

具体的，可以以获得的成像光斑为输入，以共焦误差为输出，利用机器学习的方法，构建多层BP(Back Propagation，BP)神经网络，建立在线学习的响应模型。之后，利用该网络模型获得主镜子镜的波前校正量，解算出各位移促动器的主动调整校正量，通过焦面图像重合叠加实现对各子镜的共焦，并更新边缘传感器参考值。

因此，本实施例的大口径拼接主镜光学系统装调方法，实现了较准确地测量光学系统主镜的各个子镜的倾斜量，以对光学系统进行装调，使得主镜的各个子镜均指向焦点，实现共焦。

进一步的，本实施例方法使用的第三装调装置包括光纤、相位面和探测部，所述光纤用于将入射光引导传播到所述相位面，所述相位面用于将光反射并改变光的相位，所述探测部用于检测由所述相位面返回的光强度。

请参考图5，图5为又一实施例的大口径拼接主镜光学系统装调方法的流程图，由图可知，本实施例的装调方法还包括以下步骤：

S30：将所述第三装调装置的光纤设置在所述光学系统的焦面上且对应于所述主镜的目标子镜处，通过所述探测部获得光强度信息。

请参考图6，图6为一种实施例的第三装调装置的示意图，图7为本实施例的设置在光纤一端的相位面示意图，第三装调装置包括光纤300、相位面301和探测部302，所述光纤300用于将入射光引导传播到所述相位面301，所述相位面301用于将光反射并改变光的相位，所述探测部302用于检测由所述相位面301返回的光强度。可选的，相位面可以使用泽尼克(Zernike)相称掩模板，可以使用光子晶体光纤实现，通过断面微结构，实现对应的相位变化。示例性的使用泽尼克(Zernike)相称波前传感器，通过光路中的π/4位屏，其大小刚好覆盖点扩散函数的主极大，在探测部上即可得到单一子镜的面形。根据探测数据，可以获得前37阶泽尼克(Zernike)多项式系数，泽尼克相称传感器使用焦平面相位掩模产生的参考波面与系统误差波面干扰，将入射光瞳面的相位波前误差转换成出射光瞳面的光强变化。

S31：根据获得的所述光强度信息，获得所述目标子镜的面形误差，以根据获得的所述面形误差对所述光学系统进行装调。

根据获得的所述面形误差对所述光学系统进行装调包括：利用灵敏度矩阵，根据以下公式将获得所述目标子镜的面形误差和执行元件的运动量建立关系：

(A^T A+εI)ΔD＝A^TΔZ；

其中：

为灵敏度矩阵，

为执行元件运动量，

为Zernike多项式系数变化，ε为阻尼因子，I为单位矩阵。

根据以下公式计算获得执行元件的运动量：ΔD＝(A^T A+εI)^-1 A^TΔZ。

其中，执行元件的运动量可以是Warping Harness力矩，Warping Harness是一种用来周期性校正镜面低阶面形误差的机构。主要校正对象有：主镜加工残余误差、镀膜引起的应力扭曲误差、温度载荷引起的面形误差以及重力变化引起的误差等等。原理上，Warping Harness结构通过改变Whiffletree结构的零矩点位置，使得主镜底支撑系统这一封闭力系发生改变，达到改变支撑效果的作用。

因此，本实施例的大口径拼接主镜光学系统装调方法，实现了较准确地测量光学系统主镜的子镜的面形误差，以对光学系统进行装调。

以上对本发明所提供的一种基于光纤连接的大口径拼接主镜光学系统装调方法进行了详细介绍。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 (7)

1.一种基于光纤连接的大口径拼接主镜光学系统装调方法，其特征在于，使用的第一装调装置包括耦合部、光纤和成像部，所述耦合部用于将入射光包括的不同模式光分别耦合入不同的所述光纤内，所述光纤用于将光引导传播到所述成像部，所述成像部用于将两种不同模式光混合而发生干涉并记录干涉光强分布图；

所述方法包括：

将所述第一装调装置的耦合部设置在光学系统的焦面上且对应于主镜的至少两个子镜的拼接处，所述光学系统包括主镜和次镜，所述主镜包括多个所述子镜，由所述主镜收集的光线经过所述次镜后到达所述光学系统的焦面；

控制所述成像部获得分别由相邻的两个所述子镜传播的两种模式光的干涉光强分布图；

根据获得的所述干涉光强分布图，获得相邻的两个所述子镜之间的台阶差，以根据获得的所述台阶差对两个所述子镜进行装调。

2.根据权利要求1所述的基于光纤连接的大口径拼接主镜光学系统装调方法，其特征在于，所述方法具体包括：将所述第一装调装置的耦合部设置在光学系统的焦面上且对应于主镜的三个子镜的拼接处；

控制所述成像部获得分别由三个所述子镜传播的三种模式光中任意两种模式光的干涉光强分布图；

根据获得的三组所述干涉光强分布图，获得该三个子镜中任意两者之间的台阶差，以根据获得的台阶差对该三个所述子镜进行装调。

3.根据权利要求1所述的基于光纤连接的大口径拼接主镜光学系统装调方法，其特征在于，使用的第二装调装置包括透镜阵列和靶面，所述透镜阵列用于将入射光汇聚到所述靶面，以将入射光成像在所述靶面上；

所述方法还包括：

将所述第二装调装置设置在所述光学系统的焦面上且对应于所述主镜的目标子镜处，通过所述第二装调装置获得成像光斑；

根据获得的所述成像光斑的质心偏移量，获得所述目标子镜的倾斜量，以根据获得的所述倾斜量对所述目标子镜进行装调。

4.根据权利要求3所述的基于光纤连接的大口径拼接主镜光学系统装调方法，其特征在于，还包括：预先使用平行光管对所述第二装调装置进行标定，得到理想波前。

5.根据权利要求1所述的基于光纤连接的大口径拼接主镜光学系统装调方法，其特征在于，使用的第三装调装置包括光纤、相位面和探测部，该光纤用于将入射光引导传播到所述相位面，所述相位面用于将光反射并改变光的相位，所述探测部用于检测由所述相位面返回的光强度；

所述方法还包括：

将所述第三装调装置的光纤设置在所述光学系统的焦面上且对应于所述主镜的目标子镜处，通过所述探测部获得光强度信息；

根据获得的所述光强度信息，获得所述目标子镜的面形误差，以根据获得的所述面形误差对所述光学系统进行装调。

6.根据权利要求5所述的基于光纤连接的大口径拼接主镜光学系统装调方法，其特征在于，根据获得的所述面形误差对所述光学系统进行装调包括：利用灵敏度矩阵，根据以下公式将获得所述目标子镜的面形误差和执行元件的运动量建立关系：

(A^TA+εI)ΔD＝A^TΔZ；

其中：

为灵敏度矩阵，

为执行元件运动量，

为Zernike多项式系数变化，ε为阻尼因子，I为单位矩阵；

根据以下公式计算获得执行元件的运动量：ΔD＝(A^TA+εI)^-1A^TΔZ。

7.根据权利要求1所述的基于光纤连接的大口径拼接主镜光学系统装调方法，其特征在于，所述第一装调装置的所述耦合部设置在环形导轨上且能够沿所述环形导轨移动。

Images