CN112882219A - 一种焦比可调的主动光学系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于主动光学技术领域，通过在传统的光学系统中通过引入液体透镜和空间光调制器对系统波前进行实时在线的调节，以两幅离焦图像强度分布相减为输入，利用曲率传感求解整个波前信息，利用灵敏度矩阵构建系统主镜面形误差与执行元件的运动量ΔD关系，通过主动光学原理针对不同的观测目标需要不同的分辨率，通过大视场探测功能可以迅速的获得待测目标，并在这之后，使用高分辨成像模块针对感兴趣的目标进行细节的分辨，从而实现详查与普查的有机结合；利用窄带滤光片无需通过移动部件获取焦前焦后像，可获得较大的离焦范围；通过液体透镜、空间光调制器的引入对系统主镜的波前像差进行校正，放宽了对主镜曲率加工的要求，降低系统建设成本。

Description

一种焦比可调的主动光学系统和方法
技术领域
本发明属于主动光学技术领域，特别涉及一种可实现详查与普查的焦比可调的主动光学系统和方法。
背景技术
望远镜口径的增加不仅可以有效地提高对临近目标的分辨能力，同时还以平方规律提升望远镜的集光能力，可有效提升暗弱目标成像信噪比、拓展极限探测能力，最终实现对更加深远的宇宙的探索。因此，大口径大视场望远镜是未来验证宇宙学最新理论、增加时域天文等领域学术话语权的关键。
大口径大视场望远镜在近二十年来发展获得了飞速发展，为了获得更高的巡天效率与集光能力，其口径与视场都在不断扩大。主动光学作为大口径大视场望远镜的关键技术，已经获得了广泛的应用。国外已经研制并成功运行多台大口径大视场望远镜，8米级的LSST已经投入建设，而国内尚未开展两米以上的大视场望远镜研究。不论是在占领“太空高地”保障国土安全方面，还是在探测存在撞击威胁的小行星等天文学邻域，均存在较大的差距。为了进一步发挥大口径大视场望远镜的探测能力，通过主动光学对望远镜中的各个主要部件进行独立、实时的面形校正与姿态控制，不仅可以降低对光学加工、系统装配精度的要求，还可以有效地放宽对大型跟踪架刚度的要求，降低系统运动惯量。
目前主动光学系统很难同时满足对目标的详查与普查，通过传统的移动光学透镜的方式获得的离焦范围有限且像质欠佳，同时对主镜的曲率加工要求严格，使得整体系统建设成本高昂。
发明内容
本发明为了解决现有主动光学系统中无法兼顾详查与普查的问题，提出了一种焦比可调的主动光学系统和方法，该系统不仅同时满足详查与普查的需求，还利用窄带滤光片获得离焦前后图像。针对不同的观测目标需要不同的分辨率，通过大视场探测功能可以迅速的获得待测目标，并在这之后，使用高分辨成像模块，针对感兴趣的目标进行细节的分辨。为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
一种焦比可调的主动光学系统方法，包括：
S1、通过绳系对系统主镜进行驱动，同时利用存在的角度调节机构，使其符合系统主镜曲率变化后的边界条件；
S2、在已有校正镜组的基础上，添加液体透镜以及空间光调制器，分别对主动光学系统前后离焦量和球差以及高阶像差进行补偿；
S3、利用相机获取的两幅离焦图像强度分布，根据近场电磁波的传输方程，通过曲率传感解算出波前相位信息
Figure BDA0002912781120000021
S4、利用灵敏度矩阵构建系统主镜面形误差ΔZ与执行元件的运动量ΔD之间的关系，并求取执行元件的运动量ΔD，完成对系统的面形误差校正。
优选地，已有校正镜组包括：带力矩透镜和普通透镜组。
优选地，系统主镜面形误差ΔZ包括：利用液体透镜校正的面形误差δZ1、利用空间光调制器校正的面形误差δZ2以及通过曲率传感解算出波前相位信息
Figure BDA0002912781120000022
优选地，系统主镜面形误差ΔZ还包括：利用带力矩的透镜校正的面形误差δZ4。
优选地，波前相位信息
Figure BDA0002912781120000023
由下式计算获得：
Figure BDA0002912781120000024
其中，
Figure BDA0002912781120000025
Δz为焦面的移动距离；
Figure BDA0002912781120000026
为光瞳内空间向量坐标；u和v为空间频率；
I1为焦前光强分布；I2为焦后光强分布；
FFT为傅里叶变换；IFFT为逆傅里叶变换。
优选地，利用加在相机前的、带宽小于20nm的窄带滤光片，获取主动光学系统焦前焦后的图像。
优选地，执行元件的运动量ΔD通过下式计算获得：
AΔD＝ΔZ (2)
其中，
Figure BDA0002912781120000031
为灵敏度矩阵；
Figure BDA0002912781120000032
为执行元件运动量；
Figure BDA0002912781120000033
为Zernike多项式系数变化，即系统主镜面形误差。
优选地，绳系采用单电机驱动，也可以采用多个电机分别驱动。
一种焦比可调的主动光学系统，包括：沿光学系统出射方向，依次同轴设置的系统主镜、普通透镜组、液体透镜、带力矩透镜、空间光调制器、相机、角度调节机构；
普通透镜组用于对主动光学系统的固定像差进行补偿；
液体透镜用于对主动光学系统前后离焦量和球差进行补偿；
带力矩透镜用于对主动光学系统叶差和彗差进行补偿；
空间光调制器用于对主动光学系统的高阶像差进行补偿；
角度调节机构用于使曲率变化后的系统主镜满足边界条件。
本发明能够取得以下技术效果：
1、利用窄带滤光片无需通过移动部件获取焦前焦后像，可获得较大的离焦范围。
2、通过主动光学原理针对不同的观测目标需要不同的分辨率，通过大视场探测功能可以迅速的获得待测目标，并在这之后，使用高分辨成像模块，针对感兴趣的目标进行细节的分辨，从而实现详查与普查的有机结合。
3、通过液体透镜、空间光调制器的引入对系统主镜的波前像差进行校正，放宽了对主镜曲率加工的要求，降低系统建设成本。
附图说明
图1是本发明一个实施例的一种焦比可调的主动光学系统和方法的流程图；
图2是本发明一个实施例的系统主镜支撑机构示意图；
图3是本发明一个实施例的系统组成示意图；
图4是本发明一个实施例的主动光学系统校正光路结构示意图；
图5是本发明一个实施例的空间光调制器引入的不同模式下的像差示意图。
附图标记：
系统主镜1、已有校正镜组2、带力矩透镜21、普通透镜组22、液体透镜3、空间光调制器4、相机5、角度调节机构6。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
本发明的目的是提供一种实现详查与普查有机结合的主动光学系统像差校正方法。下面将对本发明提供的一种焦比可调的主动光学系统和方法，通过具体实施例来进行详细说明。
本发明在传统的光学系统中通过引入液体透镜3和空间光调制器4对系统波前进行实时在线的调节，以两幅离焦图像强度分布相减的结果作为输入，利用曲率传感求解整个波前信息，利用灵敏度矩阵构建系统主镜1面形误差与执行元件的运动量ΔD之间的关系，求解ΔD完成对主动光学系统像差的校正。
结合图1所示的流程图以及图2示出的系统主镜支撑机构，在本发明的一个优选实施例中，采用绳系对系统主镜1进行驱动，同时在光学系统中部设置角度调节机构6，以符合曲率变化后系统主镜1的边界条件；
如图3所示，沿光学系统出射方向，依次同轴设置有系统主镜1、普通透镜组22、液体透镜3、带力矩透镜21、空间光调制器4、相机5，通过添加液体透镜3对系统主镜1的离焦量与球差进行校正；光学系统在不同模式下的高阶像差(如图5所示)则通过添加空间光调制器4进行补偿。
在本发明的一个优选实施例中，位于系统主镜1焦点处的相机5前加有带宽小于20nm的窄带滤光片，用以获取离焦前后图像光强分布图像，通过这种方式解决了传统通过移动光学透镜的方式造成的像质欠佳的问题，又能够扩大离焦范围。同时，利用曲率传感受孔径影响小的特点，通过液体透镜3实现前后离焦，最终通过合成算法获得完整波前相位信息
Figure BDA0002912781120000051
曲率传感器的基本原理是光瞳处波前局部的曲率变化，所对应的焦内像与焦外像的光强分布会发生对应的变化。根据近场电磁波的传输方程，可以解算出系统主镜1的波前信息如下式所示：
Figure BDA0002912781120000052
其中，
Figure BDA0002912781120000053
为光强度；
Figure BDA0002912781120000054
为波前相位；
Figure BDA0002912781120000055
为光瞳内空间向量坐标；
Figure BDA0002912781120000056
为波前斜率；
Figure BDA0002912781120000057
为波前曲率；δc为狄拉克函数。
可以看出，波前的斜率计算仅仅与图像的边缘有关。
假设在同一位置上，光瞳内的光强的均匀分布记为I0，由此可得到：
Figure BDA0002912781120000058
其中，I1、I2分别为焦前、焦后的光强分布；R为光瞳半径。
由于系统为闭环校正，最终状态里
Figure BDA0002912781120000059
故通过近似可得：
Figure BDA00029127811200000510
通过等效变形可得：
Figure BDA00029127811200000511
其中，Δz为焦面的移动距离，Δz＝f(f-l)/l；
l为P1、P2共轭位置相对入瞳的距离；f为系统焦距(如图4所示)。
P1和P2是在焦平面两侧的两个对称平面。
设
Figure BDA0002912781120000061
可以得到：
Figure BDA0002912781120000062
对上式两边进行傅里叶变换可得：
Figure BDA0002912781120000063
对上式进行傅里叶逆变换可得：
Figure BDA0002912781120000064
其中，
Figure BDA0002912781120000065
为光瞳内空间向量坐标；u和v为空间频率
FFT为傅里叶变换；IFFT为逆傅里叶变换。
以P1为例，根据焦面与瞳面之间的转换关系如式(1)所示，可以转换在P1位置得到的光强分布为
Figure BDA0002912781120000066
在P2位置所得到的光强分布为
Figure BDA0002912781120000067
在本发明的一个优选实施例中，系统主镜1的面形误差ΔZ包括利用液体透镜3校正的面形误差δZ1、利用空间光调制器4校正的面形误差δZ2、通过曲率传感解算出波前相位信息δZ3以及带力矩透镜21校正的面形误差δZ4如彗差、三叶草像差、四叶草像差等。除δZ3可利用曲率传感解算外，其它面形误差可由有限元仿真或实测获得。
在进行初步调节后，系统的像差依旧较大(～10λ)，在此情况下，Zernike多项式系数与执行机构的线性关系不明显。因此，使用反优化方法，扩大调节的动态范围。
在优化方式的选择上，相当于自适应光学中的无波前传感算法，常见的无波前传感算法随机有并行梯度下降(SPGD)算法、遗传算法(GA)、模拟退火(SA)算法等。其中随机并行梯度下降算法具有实现简单、收敛速度快等优点，得到了广泛应用。因此在本发明的一个优选实施例中，利用灵敏度矩阵进行主动光学调整，建立系统主镜1与执行元件的运动量ΔD关系并求取执行元件的运动量ΔD，完成对所述系统的面形误差校正，原理如下式所示：
AΔD＝ΔZ (2)
其中，
Figure BDA0002912781120000071
为灵敏度矩阵；
Figure BDA0002912781120000072
为执行元件运动量；
Figure BDA0002912781120000073
为Zernike多项式系数变化，即系统主镜面形误差。
对灵敏度矩阵A进行奇异值分解，可以得到
Figure BDA0002912781120000074
中各执行元件的运动量。
在本发明的一个优选实施例中，绳系采用单电机驱动，也可以采用多个电机分别驱动。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种焦比可调的主动光学系统方法，其特征在于，包括：
S1、通过绳系对系统主镜进行驱动，同时利用存在的角度调节机构，使其符合系统主镜曲率变化后的边界条件；
S2、在已有校正镜组的基础上，添加液体透镜以及空间光调制器，分别对主动光学系统前后离焦量和球差以及高阶像差进行补偿；
S3、利用相机获取的两幅离焦图像强度分布，根据近场电磁波的传输方程，通过曲率传感解算出波前相位信息
Figure FDA0002912781110000011
S4、利用灵敏度矩阵构建系统主镜面形误差ΔZ与执行元件的运动量ΔD之间的关系，并求取执行元件的运动量ΔD，完成对所述系统的面形误差校正。
2.根据权利要求1所述的焦比可调的主动光学系统方法，其特征在于，所述已有校正镜组包括：带力矩透镜和普通透镜组。
3.根据权利要求1所述的焦比可调的主动光学系统方法，其特征在于，所述系统主镜面形误差ΔZ包括：利用所述液体透镜校正的面形误差δZ1、利用所述空间光调制器校正的面形误差δZ2以及通过曲率传感解算出波前相位信息
Figure FDA0002912781110000012
4.根据权利要求3所述的焦比可调的主动光学系统方法，其特征在于，所述系统主镜面形误差ΔZ还包括：利用所述带力矩透镜校正的面形误差δZ4。
5.根据权利要求1所述的焦比可调的主动光学系统方法，其特征在于，所述波前相位信息
Figure FDA0002912781110000013
由下式计算获得：
Figure FDA0002912781110000014
其中，
Figure FDA0002912781110000015
Δz为焦面的移动距离；
Figure FDA0002912781110000016
为光瞳内空间向量坐标；u和v为空间频率；
I1为焦前光强分布；I2为焦后光强分布；
FFT为傅里叶变换；IFFT为逆傅里叶变换。
6.根据权利要求1所述的焦比可调的主动光学系统方法，其特征在于，利用加在所述相机前的、带宽小于20nm的窄带滤光片，获取所述主动光学系统焦前焦后的图像。
7.根据权利要求1所述的焦比可调的主动光学系统方法，其特征在于，所述执行元件的运动量ΔD通过下式计算获得：
AΔD＝ΔZ (2)
其中，
Figure FDA0002912781110000021
为灵敏度矩阵；
Figure FDA0002912781110000022
为执行元件运动量；
Figure FDA0002912781110000023
为Zernike多项式系数变化，即系统主镜面形误差。
8.根据权利要求1所述的焦比可调的主动光学系统方法，其特征在于，所述绳系采用单电机驱动，也可以采用多个电机分别驱动。
9.一种焦比可调的主动光学系统，其特征在于，包括：沿光学系统出射方向，依次同轴设置的系统主镜、普通透镜组、液体透镜、带力矩透镜、空间光调制器、相机、角度调节机构；
所述普通透镜组用于对所述主动光学系统的固定像差进行补偿；
所述液体透镜用于对所述主动光学系统前后离焦量和球差进行补偿；
所述带力矩透镜用于对所述主动光学系统叶差和彗差进行补偿；
所述空间光调制器用于对所述主动光学系统的高阶像差进行补偿；
所述角度调节机构用于使曲率变化后的系统主镜满足边界条件。
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