CN114295332B - 大口径望远镜标校系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大口径望远镜标校系统，包括：出光装置、弧形反射板和一维升降机构；弧形反射板为离轴抛物面形状，出光装置位于反射板的焦点处；出光装置和弧形反射板安装在一维升降机构上；出光装置将发射出的光束投射至弧形反射板的反射面上，弧形反射板对光束进行反射，且将光束变为窄平行光后出射；一维升降机构用于带动出光装置和弧形反射板在望远镜的入瞳面处进行推扫。本发明采用全光纤光路设计，降低系统的相干性，本发明不涉及到自由空间，可用于多种场景。

Description

大口径望远镜标校系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种大口径望远镜标校系统。

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。相对于高分辨成像望远镜，大口径大视场望远镜观测任务更加紧张，更长的观测时间会直接影响结果为所面临的外部观测环境更加的恶劣。

由于大口径大视场望远镜，需要在整个视场中均获得较高的成像质量，对于小视场望远镜影响较小的轴外像差，会大幅降低大视场望远镜的像质。由于大口径大视场望远镜对系统对准的要求高(需要同时保证轴外视场的像差)。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提出一种大口径望远镜标校系统。采用全光纤光路设计，利用压电陶瓷对光纤进行有规律的随机的拉伸与缩短，以最终降低系统的相干性，本发明不涉及到自由空间，光路的光程调节系统惯性小响应频率高系统带宽，可有效用于多种场景。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供一种大口径望远镜标校系统，包括：出光装置、弧形反射板和一维升降机构；

弧形反射板为离轴抛物面形状，出光装置位于反射板的焦点处；出光装置和弧形反射板安装在一维升降机构上；

出光装置将发射出的光束投射至弧形反射板的反射面上，弧形反射板对光束进行反射，且将光束变为窄平行光后出射；

一维升降机构用于带动出光装置和弧形反射板在望远镜的入瞳面处进行推扫。

优选地，出光装置包括：激光器和耦合器阵列；

耦合器阵列由线性排列的耦合器组成，激光器通过光纤与耦合器阵列进行连接，

激光器发出白光光源，通过光纤对白光光源进行分光，耦合器上分别安装有拉锥，拉锥用于对白光光源进行均匀分光，将均匀分光的光束通过光纤接入耦合器阵列。

优选地，耦合器的出光处分别设置有遮光罩，遮光罩用于避免各个耦合器之间的光强串扰。

优选地，耦合器阵列的后方安装有柱状透镜和/或线性微透镜阵列，柱状透镜用于对光束进行扩束；线性微透镜阵列用于使光束均匀分布。

优选地，耦合器阵列的后方安装有匀光装置，匀光装置用于增加光束的均匀度。

优选地，匀光装置包括：安装筒和双面毛玻璃，安装筒的上下两端分别设置有四个凹槽，双面毛玻璃平行且对称的安装在安装筒的凹槽内。

优选地，大口径望远镜标校系统通过折叠桁架进行旋转拼接。

优选地，还包括检测分析模块；

检测分析模块位于大口径望远镜标校系统的出射光边缘处；

检测分析模块用于对大口径望远镜标校系统的波前进行采样，并对大口径望远镜标校系统的波前光谱分量进行测量和误差分析。

优选地，检测分析模块通过光纤和五棱镜进行波前采样。

优选地，检测分析模块通过拼接算法对大口径望远镜标校系统的对准误差进行分析：

假设波前的表达式为：

当产生对准误差时的波前表达式为：

其中，δ_x为沿x方向上的对准误差，U、V为预设阶数，a_uv为系数；

对准误差δ_x对波前W_P(x,y)的影响为：

其中，m、n为预设整数，a_nm为系数。

优选地，检测分析模块通过拼接算法对大口径望远镜标校系统的倾角误差进行分析：

通过齐次坐标变换得到实际坐标位置(x₁,y₁,z₁)的计算公式：

其中，δθ,

为倾角，δ_x、δ_y、δ_z分别为沿x、y、z方向上的对准误差，(x₀,y₀,z₀)为原始理想坐标；

通过小角度近似得到：

sinδθ≈δθ，

将

和

代入实际坐标位置(x₁,y₁,z₁)的计算公式中得到局部倾角误差的计算公式：

假设

δ_z＝0，则倾角误差Δz₁为：

优选地，弧形反射板为通过铝制基板制成，弧形反射板的反射面上喷涂有反射涂料。

与现有的技术相比，本发明采用全光纤光路设计，利用压电陶瓷对光纤进行有规律的随机的拉伸与缩短，以最终降低系统的相干性，本发明不涉及到自由空间，光路的光程调节系统惯性小响应频率高系统带宽，可有效用于多种场景。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的大口径望远镜标校系统测试光路示意图。

图2是根据本发明实施例提供的大口径望远镜标校系统的出光装置示意图。

图3是根据本发明实施例提供的大口径望远镜标校系统的折叠桁架示意图。

图4是根据本发明实施例提供的大口径望远镜标校系统的匀光装置示意图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

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。

图1示出了根据本发明实施例提供的大口径望远镜标校系统的测试光路。

如图1所示，本发明实施例提供的大口径望远镜标校系统包括：出光装置、弧形反射板和一维升降机构。

图2示出了根据本发明实施例提供的大口径望远镜标校系统的出光装置。

如图2所示，出光装置包括：激光器和耦合器阵列。激光器通过光纤与耦合器阵列分别进行连接。为降低系统将干对最终投射的影响，本发明采用全光纤光路设计，利用压电陶瓷对光纤进行有规律的随机的拉伸与缩短，以最终降低系统的相干性，本方法不涉及到自由空间，光路的光程调节系统惯性小响应频率高系统带宽，可有效用于多种场景。

耦合器阵列为若干个耦合器进行线性排列。在各个耦合器的出光处设置有条形的遮光罩，用于保证出射光束的边缘清晰锐利，同时，避免各个耦合器不同口径之间的光强串扰。

耦合器阵列后可以安装有柱状透镜，柱状透镜用于进行对出射光束进行扩束；

耦合器阵列后还可以安装有线性微透镜阵列，线性微透镜阵列用于使出射光束分布均匀；

耦合器阵列后也可以同时安装有柱状透镜和线性微透镜阵列，柱状透镜和线性微透镜阵列形成远心扩束系统，用于对出射光束进行均匀扩束。

图4示出了根据本发明实施例提供的大口径望远镜标校系统的匀光装置。

如图4所示，耦合器阵列后还可以安装有匀光装置，匀光装置由两块双面毛玻璃组成，两块双面毛玻璃平行的安装在安装筒的内部，安装筒的上下两端分别设置有四个凹槽，双面毛玻璃的上下两端分别安装在凹槽的内部。

匀光装置用于增加耦合器阵列激光出射的均匀度，同时由于匀光装置的内部存在空隙，使激光光束又传播一段时间，激光光束的均匀性有明显的提高。

为了防止激光光束在两片毛玻璃之间来回产生干涉，然后造成不必要的影响，所以两块都选用双面毛玻璃。

为使本发明提供的标校系统方向性更好，本发明可采用激光光源，为了降低系统散斑影响，降低系统的相干性，可采用多个相近波长的光源进行输入，各个波长之间的相关干涉图样进行重合。

激光器发出白光光源，通过光纤对高功率白光光源进行分光，在耦合器上安装有均匀的拉锥，通过均匀拉锥来保障分光比均匀，将均匀分光的光束通过光纤接入耦合器阵列。

弧形反射板为通过铝制基板制成的离轴抛物面，可通过对离轴抛物面参数进行优化，以实现出射光束的均匀与平行。弧形反射板的反射面上喷涂有高反射率的反射涂料，耦合器阵列位于弧形反射板的焦点处。

出光装置和弧形反射板安装在一维升降机构上。

出光装置将发射出的均匀光束投射至弧形反射板的反射面上，弧形反射板对光束进行反射，并将光束变为窄平行光后出射。一维升降机构带动出光装置和弧形反射板在系统的入瞳面进行上下推扫，在系统靶面上进行多次的采样，并将采样结果进行求和平均。

图3示出了根据本发明实施例提供的大口径望远镜标校系统的折叠桁架。

如图3所示，本发明提供的标校系统可通过桁架实现旋转拼接方式，利用折叠桁架进行展开以及收缩，可以实现旋转拼接探测。通过步进电机驱动使铰链进行解锁，实现桁架的展开；当桁架展开后，再通过铰链锁定形成刚性杆。通过销来提供桁架的展开精度。

需要注意的是，不同的入射角之间也存在着亮度的差异。是否采用毛玻璃进行一次匀光，需要根据数值孔径进行，计算毛玻璃的位置，利用毛玻璃对激光进行匀光，毛玻璃位于电控升降台上，利用运动，实现对相位的伪随机调控。该像面位于扩束系统焦面，通过扩束系统可实现大口径的均匀光束。

本发明提供的标校系统利用保偏光纤阵列，将光线通过偏振片，进行起偏，并将光线耦合入保偏光纤之中，

自适应元件在激光加工中还有其他功能。许多制造工艺对激光偏振有很强的依赖性，并且可以受益于更高水平的自适应偏振控制，包括对偏振像差的补偿。在旋转的过程中，输入的偏振角也需要跟随进行变化。

子孔径拼接最早由美国专家C.Kim和J.Wyant提出，其基本原理为利用互相重叠的小口径区域，结合适合的算法获得全口径面形数据。子孔径拼接算法最大的优势在于其测量口径的可拓展性；

然而，随着口径的增大，子孔径的数量也会随之增加，同时由于拼接算法的关系，将各个子孔径拼接为一体之后提取的低阶像差(离焦、像散等)，测量敏感度较低；如果使用更大口径的平面干涉仪来增加估计精度，其成本将难以控制。不仅如此，进行子孔径拼接时，往往需要进行多次测量，但最后的拼接结果仅使用其中某一次的测量数据，对时间、人员成本也造成了极大的浪费。

本发明实施例提供的大口径望远镜标校系统还包括检测分析模块，用于对本发明提供的标校系统的对准误差和倾角误差进行分析。

检测分析模块位于大口径望远镜标校系统出射光边缘处，利用光纤与五棱镜实现小部分的波前采样，并对系统出射的波前光谱分量进行测量与标教，利用标校曲线。可针对最终探测的响应进行光谱测试，该测试结果可用于系统光谱响应修正。

本发明提供的标校系统需要对波前信息进行多次计算，尤其是需要将标准平面镜的误差从计算结果中去除。

在此过程中，即使在使用靶标的前提下，依旧会引入对准误差。

首先对本发明提供的标校系统的对准误差进行分析。

假设，在镜面坐标系下的波前W_P(x,y)为：

当产生波前对准时，假设沿x方向会产生δ的对准误差，其波前表达式为：

其中，δ_x为沿x方向上的对准误差，U、V为预设阶数，a_uv为系数；

对准误差δ_x对波前W_P(x,y)的影响为：

其中，m、n为预设整数，a_nm为系数。

假设之前的波前为单位离焦误差为主导，这是由于使用稀疏孔径在测量时，每个子孔径仅仅探测大口径平面镜的一部分，在这个局部，其他的低阶像差基本表现为倾斜或者凹陷。

然后对本发明提供的标校系统的倾角误差进行分析。

利用齐次坐标变换可由原始理想坐标(x₀,y₀,z₀)估计得到实际的位置坐标(x₁,y₁,z₁)。

其中，δθ,

为倾角，δ_x、δ_y、δ_z分别为沿x、y、z方向上的对准误差。

通过小角度近似可得到：

sinδθ≈δθ，

局部的倾角误差为：

假设δθ和

为1″，δ_z为0，则单位圆域上的误差Δz₁为：

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)

1.一种大口径望远镜标校系统，其特征在于，包括：出光装置、弧形反射板和一维升降机构；

所述弧形反射板为离轴抛物面形状，所述出光装置位于所述反射板的焦点处；所述出光装置和所述弧形反射板安装在所述一维升降机构上；

所述出光装置将发射出的光束投射至所述弧形反射板的反射面上，所述弧形反射板对所述光束进行反射，且将所述光束变为窄平行光后出射；

所述一维升降机构用于带动所述出光装置和所述弧形反射板在望远镜的入瞳面处进行推扫；

所述大口径望远镜标校系统包括检测分析模块，所述检测分析模块位于所述大口径望远镜标校系统的出射光边缘处，所述检测分析模块用于对所述大口径望远镜标校系统的波前进行采样，并对所述大口径望远镜标校系统的波前光谱分量进行测量和误差分析，所述检测分析模块通过光纤和五棱镜进行波前采样；

所述检测分析模块通过拼接算法对所述大口径望远镜标校系统的对准误差进行分析：

假设波前的表达式为：

当产生对准误差时的波前表达式为：

其中，δ_x为沿x方向上的对准误差，U、V为预设阶数，a_uv为系数；

对准误差δ_x对波前W_P(x,y)的影响为：

其中，m、n为预设整数，a_nm为系数，在公式中是一个常数。

2.根据权利要求1所述的大口径望远镜标校系统，其特征在于，所述出光装置包括：激光器和耦合器阵列；

所述耦合器阵列由线性排列的耦合器组成，所述激光器通过光纤与所述耦合器阵列进行连接，

所述激光器发出白光光源，通过所述光纤对所述白光光源进行分光，所述耦合器上分别安装有拉锥，所述拉锥用于对所述白光光源进行均匀分光，将所述均匀分光的光束通过所述光纤接入所述耦合器阵列。

3.根据权利要求2所述的大口径望远镜标校系统，其特征在于，所述耦合器的出光处分别设置有遮光罩，所述遮光罩用于避免各个耦合器之间的光强串扰。

4.根据权利要求3所述的大口径望远镜标校系统，其特征在于，所述耦合器阵列的后方安装有柱状透镜和/或线性微透镜阵列，所述柱状透镜用于对所述光束进行扩束；所述线性微透镜阵列用于使所述光束均匀分布。

5.根据权利要求3所述的大口径望远镜标校系统，其特征在于，所述耦合器阵列的后方安装有匀光装置，所述匀光装置用于增加所述光束的均匀度。

6.根据权利要求5所述的大口径望远镜标校系统，其特征在于，所述匀光装置包括：安装筒和双面毛玻璃，所述安装筒的上下两端分别设置有四个凹槽，所述双面毛玻璃平行且对称的安装在所述安装筒的凹槽内。

7.根据权利要求4或6所述的大口径望远镜标校系统，其特征在于，所述大口径望远镜标校系统通过折叠桁架进行旋转拼接。

8.根据权利要求7所述的大口径望远镜标校系统，其特征在于，所述检测分析模块通过拼接算法对所述大口径望远镜标校系统的倾角误差进行分析：

通过齐次坐标变换得到实际坐标位置(x₁,y₁,z₁)的计算公式：

其中，δθ,

为倾角，δ_x、δ_y、δ_z分别为沿x、y、z方向上的对准误差，(x₀,y₀,z₀)为原始理想坐标；

通过小角度近似得到：

sinδθ≈δθ，

将

和

代入所述实际坐标位置(x₁,y₁,z₁)的计算公式中得到局部倾角误差的计算公式：

假设

δ_z＝0，则倾角误差Δz₁为：

9.根据权利要求8所述的大口径望远镜标校系统，其特征在于，所述弧形反射板为通过铝制基板制成，所述弧形反射板的反射面上喷涂有反射涂料。

Images