CN115683360A - 一种大口径望远镜波前曲率传感方法、电子设备及计算机可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大口径望远镜波前曲率传感方法，包括：通过传感器离焦获得单次曝光的离焦星点像；获取所述单次曝光的离焦星点像的相位分布；对所述单次曝光的离焦星点像向反方向施加离焦，以获取反方向离焦星点像；通过所述单次曝光的离焦星点像的相位分布以及所述反方向离焦星点像获得波前曲率的重建，实现单次曝光的曲率传感。本发明还提供了相应的电子设备及计算机可读存储介质。

Description

一种大口径望远镜波前曲率传感方法、电子设备及计算机可 读存储介质

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波前曲率传感 方法电子设备及计算机可读存储介质。

背景技术

“一黑两暗三起源”(黑洞、暗物质与暗能量、宇宙起源、天体起源、 宇宙生命起源)是近年来，天文学界研究的热点。为了更好地完成对暗物 质、暗能量的探索，科学家对下一代大口径大视场望远镜提出了更高的分 辨率与成像质量要求。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。

曲率传感器是由Roddier在1988年所提出，其基本原理为通过焦前与 焦后像的光强分布估计波前曲率变化，并解算波前信息，由于其可以满足 大口径巡天主动光学照相巡天望远镜的特定需求，同时可与科学相机用相 同的器件，便于图像采集以及后期维护，具有非干涉、结构简单、环境适 应性好、解算稳定、孔径遮拦影响小等诸多独特优势，已广泛应用于大口 径照相巡天望远镜主动光学波前传感系统之中。

因此，可基于曲率传感求解大视场巡天望远镜系统的波前相位。曲率 传感作为焦面波前传感策略，其另一个优势在于可对拓展目标进行检测， 以增强系统的成像特性。但是，为获得更大的动态范围以及误差的灵敏度， 现有的曲率传感多选择离焦量较大的形式，可能会影响闭环曲率传感的校 正能力。

发明内容

本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供了一种大口径望远镜波前曲率传感方法。所述大 口径望远镜波前曲率传感方法包括步骤：

S1,通过传感器离焦获得单次曝光的离焦星点像；

S2,获取所述单次曝光的离焦星点像的相位分布；

S3,对所述单次曝光的离焦星点像向反方向施加离焦，以获取反方向离 焦星点像；

S4,通过所述单次曝光的离焦星点像的相位分布以及所述反方向离焦 星点像获得波前曲率的重建，实现单次曝光的曲率传感。

在一些实施例中，所述单次曝光的离焦星点像的相位分布是通过相位 恢复的计算方法获取。

在一些实施例中，在步骤S1，通过传感器离焦获得单次曝光的离焦星 点像后，还包括步骤：

S11，将所述单次曝光所获得的离焦星点像进行判断，若不存在光强重 叠，则进行步骤S2。

在一些实施例中，在步骤S11，将所述单次曝光所获得的离焦星点像进 行判断后，若存在光强重叠，还包括步骤S12，针对光强重叠部分进行选择， 只针对不重叠部分通过改变孔径函数口径进行计算，然后进行步骤S2。

在一些实施例中，所述步骤S12中，针对光强重叠部分进行选择，只 针对不重叠部分进行计算后还包括：将重叠部分剔除。

在一些实施例中，在获得波前参数后，利用傅立叶光学原理，对离焦 光斑的光强分布进行预测，并与现有的光强分布进行对比，进行迭代校正， 当其残差小于预设值则停止迭代。

在一些实施例中，所述单次曝光的离焦星点像是通过内置错位型曲率 传感器获取。

在一些实施例中，所述内置错位型曲率传感器利用两块分别位于焦面 前后的探测器同时采集离焦图。

第二方面，本发明提供了一种电子设备，其包括处理器和存储器。其 中，所述处理器执行所述存储器中保存的计算机程序时实现如前所述的大 口径望远镜波前曲率传感方法。

第三方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机 程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如前所述的大口径望远 镜波前曲率传感方法。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种大口径望远镜波前曲 率传感方法，包括：通过传感器离焦获得单次曝光的离焦星点像；获取所 述单次曝光的离焦星点像的相位分布；对所述单次曝光的离焦星点像向反 方向施加离焦，以获取反方向离焦星点像；通过所述单次曝光的离焦星点 像的相位分布以及所述反方向离焦星点像获得波前曲率的重建，实现单次 曝光的曲率传感。通过以上步骤的实现，由于不需要移动传感器，具有效 率高的特点。通过本发明提供的上述大口径望远镜波前曲率传感方法可以 提高曲率传感的校正能力，使最终获得的波前传感的结果更精确，降低了 整个主动光学系统的校正时间，进而提高望远镜对深空领域的观测精度， 满足实际需求。此外，本发明还针对大口径望远镜波前曲率传感方法提供 了相应的电子设备及计算机可读存储介质，进一步使得上述方法更具有实 用性，该电子设备及计算机可读存储介质具有相应的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，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 的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本发明实施例提供的曲率传感的原理示意图；

图2为本发明实施例提供的波前曲率重建的流程示意图；

图3为根据本发明一个实施例的大口径望远镜波前曲率传感方法的流 程图。

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。

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、 技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术 人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。 在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明， 以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括” 指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除 一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在 或添加。

还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或” 是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且 包括这些组合。

如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以 依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。 类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下 文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或 事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第 二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着 在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构 或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在 一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必 然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除 非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形 都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，参考图2和3所示，本发明提 供了一种大口径望远镜波前曲率传感方法，包括步骤：

S1,通过传感器离焦获得单次曝光的离焦星点像；

S2,获取所述单次曝光的离焦星点像的相位分布；

S3,对所述单次曝光的离焦星点像向反方向施加离焦，以获取反方向离 焦星点像；

S4,通过所述单次曝光的离焦星点像的相位分布以及所述反方向离焦 星点像获得波前曲率的重建，实现单次曝光的曲率传感。

在一些实施例中，所述单次曝光的离焦星点像的相位分布是通过相位 恢复的计算方法获取。

在一些实施例中，在步骤S1，通过传感器离焦获得单次曝光的离焦星 点像后，还包括步骤：

S11，将所述单次曝光所获得的离焦星点像进行判断，若不存在光强重 叠，则进行步骤S2。

在一些实施例中，在步骤S11，将所述单次曝光所获得的离焦星点像进 行判断后，若存在光强重叠，还包括步骤S12，针对光强重叠部分进行选择， 只针对不重叠部分通过改变孔径函数口径进行计算，然后进行步骤S2。

在一些实施例中，所述步骤S12中，针对光强重叠部分进行选择，只 针对不重叠部分进行计算后还包括：将重叠部分剔除。

在一些实施例中，在获得波前参数后，利用傅立叶光学原理，对离焦 光斑的光强分布进行预测，并与现有的光强分布进行对比，进行迭代校正， 当其残差小于预设值则停止迭代。

在一些实施例中，所述单次曝光的离焦星点像是通过内置错位型曲率 传感器获取。

在一些实施例中，所述内置错位型曲率传感器利用两块分别位于焦面 前后的探测器同时采集离焦图。

以主焦点式的大口径大视场巡天望远镜为例，利用粗对准环节对大口 径主焦点组件进行对准后，波前传感器可实现成像。考虑到大口径大视场 巡天望远镜光学系统紧凑、多谱段观测以及焦面空间紧凑的等特点，这里 的波前传感器选用错位型曲率传感器，即利用两块错位摆放的传感器，通 过分割视场同时获得临近视场内目标的焦前焦后像成为了最为可行的选 择。主焦点组件包括科学终端，该错位型曲率传感器可以设置在科学终端 的内部，即在终端中内置错位型曲率传感器，设光源照明强度为无饱和， 主焦点组件进行离焦运动时，错位型传感器基于两侧离焦光强分布的差分， 可以对波前曲率进行估计。

在本发明实施例提供的上述大口径望远镜波前曲率传感方法中，包括： 首先对大口径主焦点组件进行粗对准后，通过分别位于焦面两侧的两块错 位的传感器成像；通过传感器离焦获得单次曝光的离焦星点像；

在获得离焦星点像后，通过相位恢复等计算方法获取其相位分布，此 时由于大像差的二派模糊以及孔径函数等影响，其相位被分布为噪声形式， 不具备传感功能，此时向反方向施加离焦，以获取反方向离焦星点像。通 过所述单次曝光的离焦星点像的相位分布以及所述反方向离焦星点像获得 波前曲率的重建，实现单次曝光的曲率传感。由于不需要移动传感器，具 有效率高的特点。

在具体实施时，可选的，可将单次曝光所获得的离焦星点像进行跳转 进行计算。参考图2和图3所示，具体可以为以下步骤：

S1,通过传感器离焦获得单次曝光的离焦星点像；

S11，将所述单次曝光所获得的离焦星点像进行判断，若不存在光强重 叠，则进行步骤S2；

若存在光强重叠，还包括步骤S12，针对光强重叠部分进行选择，只针 对不重叠部分通过改变孔径函数口径进行计算，然后进行步骤S2；

S2,获取所述单次曝光的离焦星点像的相位分布；

S3,对所述单次曝光的离焦星点像向反方向施加离焦，以获取反方向离 焦星点像；

S4,通过所述单次曝光的离焦星点像的相位分布以及所述反方向离焦 星点像获得波前曲率的重建，实现单次曝光的曲率传感。

在获得波前参数后，可利用傅立叶光学原理，对其离焦光斑的光强分 布进行预测，并与现有的光强分布进行对比，当其残差小于预设值则停止 迭代。

针对存在重叠的情况，则只针对不重叠部分进行计算，其通过改变其 孔径函数口径，增加系统的解算精度。

针对具有光强重叠的情况，可通过将重叠部分剔除，以实现新的孔径 函数进行迭代计算。

当发生重叠时，得到两个离焦星点像的光强分布图；然后以得到的两 个离焦星点像的光强分布图作为判断依据，将重叠部分剔除，获得选择部 分的相位分布，获得波前信息的重建。通过该方法可以提高曲率传感的校 正能力，使最终获得的波前传感的结果更精确，降低了整个主动光学系统 的校正时间，进而提高望远镜对深空领域的观测精度，满足实际需求。

相应的，本发明实施例还公开了一种电子设备，本发明提供了一种电 子设备，其包括处理器和存储器。其中，所述处理器执行所述存储器中保 存的计算机程序时实现如前所述的大口径望远镜波前曲率传感方法。

关于上述方法更加具体的过程可以参考前述实施例中公开的相应内 容，在此不再进行赘述。

进一步的，本发明提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机 程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如前所述的大口径望远 镜波前曲率传感方法。

关于上述方法更加具体的过程可以参考前述实施例中公开的相应内 容，在此不再进行赘述。

本说明书中各个实施例公开的装置、设备、存储介质而言，由于其与 实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分 说明即可。

为使本方案更容易理解，下面通过具体的实施例对曲率传感的原理进 行说明。

波前曲率传感是一种基于曲率传感器来测量波前的技术。其测量依据 的原理如下：波前局部的曲率变化将引起焦内像与焦外像的光强分布发生 对应的变化，根据这种变化，可以对波前径向估计，即利用光强沿光轴方 向的差分，建立对于波前曲率的估计，并利用相应的解算方法从曲率信号 中提取波前相位信息。测量的原理如图1所示，2指示的部分代表光学系统， 1指示的部分代表像面，其中，z代表光轴方向，l代表焦距，Δz代表离焦量。箭头为光轴方向。

以主焦点形式的大口径巡天望远镜为例，在其主焦点组件相机终端中， 内置错位型曲率传感器(利用两块分别位于焦面前后的探测器同时采集离 焦图)，设光源照明强度为无饱和，主焦点组件进行调焦时，错位型传感 器均位于焦面的一侧，在打开圆顶进行观测的过程中，逐步进行调节，在 降低像差水平的同时，减少离焦量。根据近场电磁波的传输方程，可以解 算出波前信息，如式(1)所示：

其中

为强度，

为相位，

为梯度算子，得到的结果为斜率，

为拉普拉斯算子，得到的结果为曲率。

为光瞳内坐标，δ为狄拉克算子。 可见，其结果与斜率曲率均有关。

在此，对式(1)进行变形，利用沿光轴的光强差分

代替微分， 同时，忽略边缘像素的影响可以的得到：

对于式(2)进行泊松方程的求解即可，之后，通过傅里叶变换的方法 可以求解公式(2)。利用该理论，可以对离焦量z产生一定偏差以及离焦 图像的高阶统计矩进行分析。可以对donut算法进行定量分析的基础上， 尝试建立离焦图像高阶统计矩与波前像差的关系。

离焦面定位问题，会影响波前传感质量，目前解决的方法为离焦量锁 距，即确定离焦量总和，分为两个流派：利用衍射元件和物理上锁距。

在考虑离焦误差的情况下，可得波前曲率为

可见，离焦不准所造成的影响，由于错位型传感器所特有的性质， δz₊+δz_-＝0

本发明所提供的一种大口径望远镜波前曲率传感方法，包括：通过传 感器离焦获得单次曝光的离焦星点像；获取所述单次曝光的离焦星点像的 相位分布；对所述单次曝光的离焦星点像向反方向施加离焦，以获取反方 向离焦星点像；通过所述单次曝光的离焦星点像的相位分布以及所述反方 向离焦星点像获得波前曲率的重建，实现单次曝光的曲率传感。通过以上 步骤的实现，由于不需要移动传感器，具有效率高的特点。通过本发明提供的上述大口径望远镜波前曲率传感方法可以提高曲率传感的校正能力， 使最终获得的波前传感的结果更精确，降低了整个主动光学系统的校正时 间，进而提高望远镜对深空领域的观测精度，满足实际需求。此外，本发 明还针对大口径望远镜波前曲率传感方法提供了相应的电子设备及计算机 可读存储介质，进一步使得上述方法更具有实用性，该电子设备及计算机 可读存储介质具有相应的优点。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处 理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存 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中。

在本发明的描述中，需要理解的是，本发明实施例中中提及的参数、 变量以及程序名等符号均可替代成不至混淆的任何其他代号。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横 向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、 “左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位 或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明 和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、 以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示 或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有 “第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、 “连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可 以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是 直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或 两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上” 或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒 介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面” 可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度 高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小 于第二特征。

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。

以上所述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 (10)

1.一种大口径望远镜波前曲率传感方法，其特征在于，包括步骤：

S1,通过传感器离焦获得单次曝光的离焦星点像；

S2,获取所述单次曝光的离焦星点像的相位分布；

S3,对所述单次曝光的离焦星点像向反方向施加离焦，以获取反方向离焦星点像；

S4,通过所述单次曝光的离焦星点像的相位分布以及所述反方向离焦星点像获得波前曲率的重建，实现单次曝光的曲率传感。

2.根据权利要求1所述的大口径望远镜波前曲率传感方法，其特征在于，所述单次曝光的离焦星点像的相位分布是通过相位恢复的计算方法获取。

3.根据权利要求1所述的大口径望远镜波前曲率传感方法，其特征在于，在步骤S1，通过传感器离焦获得单次曝光的离焦星点像后，还包括步骤：S11，将所述单次曝光所获得的离焦星点像进行判断，若不存在光强重叠，则进行步骤S2。

4.根据权利要求3所述的大口径望远镜波前曲率传感方法，其特征在于，将所述单次曝光所获得的离焦星点像进行判断，若存在光强重叠，还包括步骤S12，针对光强重叠部分进行选择，只针对不重叠部分通过改变孔径函数口径进行计算，然后进行步骤S2。

5.根据权利要求4所述的大口径望远镜波前曲率传感方法，其特征在于，所述步骤S12中，针对光强重叠部分进行选择，只针对不重叠部分进行计算后还包括：将重叠部分剔除。

6.根据权利要求4所述的大口径望远镜波前曲率传感方法，其特征在于，在获得波前参数后，利用傅立叶光学原理，对离焦光斑的光强分布进行预测，并与现有的光强分布进行对比，进行迭代校正，当其残差小于预设值则停止迭代。

7.根据权利要求1所述的大口径望远镜波前曲率传感方法，其特征在于，所述单次曝光的离焦星点像是通过内置错位型曲率传感器获取。

8.根据权利要求5所述的大口径望远镜波前曲率传感方法，其特征在于，所述内置错位型曲率传感器利用两块分别位于焦面前后的探测器同时采集离焦图。

9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，其中，所述处理器执行所述存储器中保存的计算机程序时实现如权利要求1至8任一项所述的大口径望远镜波前曲率传感方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8任一项所述的大口径望远镜波前曲率传感方法。

Images