專利名稱：一種自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的夏克-哈特曼波前傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種夏克-哈特曼波前傳感器，特別涉及一種應(yīng)用于甚大口徑天文望遠(yuǎn) 鏡自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的夏克-哈特曼波前傳感器。
背景技術(shù)：
自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)于二十世紀(jì)五十年代提出，隨后得到了迅速發(fā)展。由最初的軍事應(yīng)用 階段，并逐步發(fā)展到天文觀測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域。由于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)有效地校正了大氣湍流的影 響，世界上幾乎所有的大口徑天文望遠(yuǎn)鏡都配備了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。
由于自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的成功應(yīng)用，使得大口徑天文望遠(yuǎn)鏡的潛力得到充分發(fā)揮。目前， 世界上運(yùn)行中的最大口徑天文望遠(yuǎn)鏡為10m級(jí)。天文學(xué)家們并不滿足于此，各國天文學(xué)界 開展了大量針對(duì)口徑為20m以上的甚大口徑天文望遠(yuǎn)鏡(Extremely Large Telescope, ELT) 的研究工作(參見Warren B. Davison etc.; Mechanical concepts for 30 m class telescopes; Proc. SPIE Vol. 4840, p. 206-213; R. Gilmozzi, J. Spyromilio; The European Extremely Large Telescope (E-ELT); Telescopes and Instrumentation, March, 2007)。在中國，蘇定強(qiáng)等人進(jìn) 行了大量30m級(jí)望遠(yuǎn)鏡的研究工作，并提出了30m級(jí)望遠(yuǎn)鏡(Chinese Future Giant Telescope, CFGT)的設(shè)計(jì)方案(參見蘇定強(qiáng)等， 一個(gè)巨型望遠(yuǎn)鏡方案天文學(xué)報(bào)，Vol.45 No.l， Feb,2004)。
自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)將成為甚大口徑天文望遠(yuǎn)鏡不可或缺的組成部分，也對(duì)自適應(yīng)光學(xué)技 術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。天文望遠(yuǎn)鏡中自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)子孔徑數(shù)與口徑平方成正比，也就是說， 若1.2111望遠(yuǎn)鏡自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)子孔徑數(shù)為81個(gè)，則30m望遠(yuǎn)鏡自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)所需子孔徑 數(shù)約為40000個(gè)。若以每個(gè)子孔徑4x4個(gè)探測(cè)像素的最低要求進(jìn)行計(jì)算，其CCD探測(cè)器耙面 像素?cái)?shù)不低于800x800。要求如此多像素的CCD探測(cè)器在采樣頻率不低于1000Hz的情況下 對(duì)動(dòng)態(tài)像差進(jìn)行測(cè)量，具有不可逾越的技術(shù)難度。因此應(yīng)用于甚大口徑天文望遠(yuǎn)鏡自適應(yīng) 光學(xué)系統(tǒng)中的夏克-哈特曼波前傳感器需要解決的關(guān)鍵問題是要求CCD探測(cè)器像素?cái)?shù)大量 增加和采樣頻率居高不下之間的矛盾。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服甚大口徑天文望遠(yuǎn)鏡自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)波前探測(cè)
器對(duì)CCD器件的苛刻'要求，首次在動(dòng)態(tài)像差測(cè)量夏克-哈特曼波前傳感器中引入了分 束系統(tǒng)、至少兩套耦合物鏡、至少兩套CCD探測(cè)器和一套信號(hào)同步采集系統(tǒng)，依賴于 相對(duì)較低探測(cè)性能的CCD探測(cè)器，有效地克服了探測(cè)子孔徑過多對(duì)CCD探測(cè)器提出 的不可逾越的技術(shù)難題。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 一種自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的夏克-哈特 曼波前傳感器，適用于甚大口徑天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)；包括縮束系統(tǒng)、陣列透鏡，其特征
在于還引入了分束系統(tǒng)、至少兩套耦合物鏡、至少兩套CCD探測(cè)器和一套信號(hào)同步 采集系統(tǒng)；波前信息首先經(jīng)過縮束系統(tǒng)，然后由陣列透鏡將波前劃分為子波前陣列，
再利用分束系統(tǒng)對(duì)子波前陣列進(jìn)行空間分割，子波前被分割為至少兩個(gè)子區(qū)域后，每
個(gè)子區(qū)域的波前信息由一套耦合物鏡和一套CCD探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)，所有子區(qū)域CCD 探測(cè)器并行工作，信號(hào)同步采集系統(tǒng)對(duì)所有CCD探測(cè)器信號(hào)進(jìn)行同步采集和處理，所 得斜率進(jìn)行組合后復(fù)原得到完整的波前相位分布。
所述分束系統(tǒng)由至少兩個(gè)反射面組成，或者為等效的光學(xué)系統(tǒng)。
所述分束系統(tǒng)對(duì)波前子區(qū)域的劃分?jǐn)?shù)量可以為大于1的任何整數(shù)，需要根據(jù)子孔 徑分布情況和CCD探測(cè)器的性能進(jìn)行確定。
所述的CCD探測(cè)器，也可以為ICCD探測(cè)器，或二者的組合，不同子區(qū)域的CCD 探測(cè)器在保證有相同采樣頻率的前提下可以有不同的性能。
所述陣列透鏡可以為模具熱印技術(shù)、二元光學(xué)等可能技術(shù)加工的波前分割陣列透鏡。
所述的夏克-哈特曼波前傳感器也可用于靜態(tài)像差測(cè)量，顯著提高探測(cè)空間分辨率 卻不增加系統(tǒng)復(fù)雜度。
本發(fā)明的原理是本發(fā)明利用分束系統(tǒng)對(duì)經(jīng)過陣列透鏡之后的波前進(jìn)行空間劃分，
利用至少兩個(gè)CCD探測(cè)器進(jìn)行并行探測(cè)，單個(gè)CCD探測(cè)器只探測(cè)其中的一部分區(qū)域， 所有CCD探測(cè)器信號(hào)都由信號(hào)同步采集系統(tǒng)進(jìn)行采集和處理，保證了波前相位探測(cè)的 可靠性。這樣一來，在保證CCD探測(cè)器工作頻率的情況下，大幅度降低對(duì)探測(cè)靶面大 小的要求。比如將波面劃分為4個(gè)子區(qū)域，對(duì)單個(gè)CCD探測(cè)器探測(cè)靶面像素?cái)?shù)的要求 則由800x800降低為400x400，相應(yīng)的CCD探測(cè)器技術(shù)難度得到有效降低，也相當(dāng)于 將己有的CCD探測(cè)能力擴(kuò)充了 4倍。因此，本發(fā)明可以克服CCD探測(cè)器性能的限制， 利用現(xiàn)有或者可以預(yù)見的技術(shù)發(fā)展適用于甚大口徑天文望遠(yuǎn)鏡的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。 本發(fā)明在引入分束系統(tǒng)、至少兩套耦合物鏡和至少兩套CCD探測(cè)器的同時(shí)會(huì)引入 傾斜誤差，在系統(tǒng)裝調(diào)階段可以將其消除。另外，由于系統(tǒng)中采用了至少兩套CCD探 測(cè)器，各個(gè)探測(cè)器可能由于調(diào)整誤差繞各自光軸旋轉(zhuǎn)，由此將帶來探測(cè)誤差。消除此
類旋轉(zhuǎn)引起的誤差需要采用如下循環(huán)步驟
① 利用平行光作為光源，并采集所有子區(qū)域光斑圖像，以此斜率作為標(biāo)定中心。
② 光路中(陣列透鏡之前)加入一定量斜率(只沿X或Y方向)，并采集所有子區(qū)域 光斑圖像，計(jì)算光斑質(zhì)心位置。按照計(jì)算結(jié)果旋轉(zhuǎn)CCD探測(cè)器，以消除Y或者X方 向的斜率分量。
③ 重復(fù)以上步驟，直到干擾斜率項(xiàng)完全消除。
反復(fù)進(jìn)行以上三個(gè)步驟，可以消除繞光軸旋轉(zhuǎn)引起的誤差，不增加系統(tǒng)的復(fù)雜度 和探測(cè)誤差。
另外，即使在CCD探測(cè)器技術(shù)得到發(fā)展，單個(gè)CCD器件就可以滿足甚大口徑天 文望遠(yuǎn)鏡自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的探測(cè)要求時(shí)，本發(fā)明可以用來降低系統(tǒng)的成本。并且，利 用本發(fā)明原理，可以進(jìn)一步擴(kuò)展波前探測(cè)能力。本發(fā)明還可以用于靜態(tài)像差測(cè)量，進(jìn) 一步提高其空間分辨率。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)
(1) 本發(fā)明采用分束系統(tǒng)，將探測(cè)波前進(jìn)行空間劃分，采用相對(duì)較低性能的CCD 探測(cè)器實(shí)現(xiàn)甚大口徑天文望遠(yuǎn)鏡自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的波前探測(cè)，成功克服了 CCD探測(cè)器 技術(shù)瓶頸對(duì)系統(tǒng)開發(fā)的限制；
(2) 本發(fā)明提出的空間劃分的思想，在CCD技術(shù)得到發(fā)展后仍然可以用來降低系 統(tǒng)研制成本和進(jìn)一步擴(kuò)展波前探測(cè)能力；
(3) 本發(fā)明可以用于靜態(tài)像差的探測(cè)，有效提高其空間分辨率；
(4) 本發(fā)明在解決技術(shù)瓶頸的同時(shí)，不增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，不引入新的探測(cè)誤差。


圖1為應(yīng)用于甚大口徑天文望遠(yuǎn)鏡自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的夏克-哈特曼波前傳感器系 統(tǒng)框圖2為本發(fā)明中分束系統(tǒng)的原理框圖3為本發(fā)明中分束鏡示意圖，左圖所示分束鏡可以將探測(cè)波前分割成為4個(gè)子區(qū)域， 右圖所示分束鏡可以將探測(cè)波前分割成為2個(gè)子區(qū)域，并需要與不同數(shù)量的平面反射鏡進(jìn) 行配合構(gòu)成分束系統(tǒng)。根據(jù)劃分需求的不同，可以設(shè)計(jì)出不同的分束系統(tǒng)。多極分束系統(tǒng) 可以串聯(lián)工作；
圖4為本發(fā)明中子孔徑分割示意圖；其中四方形子孔徑排布可以分為2,4等不同數(shù)量
子區(qū)域；三角形排布則可以分為3個(gè)子區(qū)域進(jìn)行探測(cè)；
圖5為CCD探測(cè)器繞光軸誤差示意圖；
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)^"附圖及具體實(shí)施方式
詳細(xì)介紹本發(fā)明。
本實(shí)施例的一種應(yīng)用于甚大口徑天文望遠(yuǎn)鏡自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的夏克-哈特曼波 前傳感器如圖l所示，由縮束系統(tǒng)、陣列透鏡、分束系統(tǒng)、兩套耦合物鏡、兩套CCD 探測(cè)器和一套信號(hào)同步采集系統(tǒng)組成。本實(shí)施例中分束系統(tǒng)由一個(gè)分束鏡和兩面反射 鏡組成，將探測(cè)波前在空間上劃分為兩個(gè)子區(qū)域。探測(cè)波前的每一個(gè)子區(qū)域利用較少 像素?cái)?shù)的CCD探測(cè)器完成探測(cè)，信號(hào)同步采集系統(tǒng)對(duì)兩套CCD探測(cè)器信號(hào)進(jìn)行同步 采集和處理。
陣列透鏡是夏克-哈特曼波前傳感器中所必須的組成部分，本發(fā)明中所使用陣列透 鏡不受加工工藝限制?，F(xiàn)有典型技術(shù)比如模具熱印技術(shù)、二元光學(xué)等技術(shù)加工得到的 陣列透鏡均能用于本發(fā)明中。
分束系統(tǒng)為本發(fā)明中所引入的特有系統(tǒng)，其本質(zhì)為至少兩個(gè)成一定角度的反射系 統(tǒng)，其功能為實(shí)現(xiàn)波前的空間劃分，圖2為分束系統(tǒng)的工作原理示意圖。經(jīng)分束系統(tǒng) 后，探測(cè)波前在空間上被劃分為至少兩個(gè)子區(qū)域。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)CCD探測(cè)器技 術(shù)參數(shù)和陣列透鏡子孔徑排布方式將波前劃分為適用的子區(qū)域數(shù)。例如，波前子孔徑 數(shù)為64x64，子孔徑按四方形排布，要求每個(gè)子孔徑CCD探測(cè)像素?cái)?shù)為4x4;能滿足 各項(xiàng)探測(cè)性能要求的CCD探測(cè)器靶面像素?cái)?shù)為128x128;于是需要設(shè)計(jì)出將波前劃分 為4個(gè)子區(qū)域的分束系統(tǒng)。若能滿足探測(cè)性能要求的CCD探測(cè)器靶面像素?cái)?shù)為 128x256，則需要設(shè)計(jì)出將波前劃分為2個(gè)子區(qū)域的分束系統(tǒng)。圖3為將波前劃分為2 個(gè)和4個(gè)子區(qū)域的分束鏡示意圖。另外，子孔徑排布若為三角形，分束系統(tǒng)需要根據(jù) CCD探測(cè)器的耙面像素?cái)?shù)將波前劃分為3的整數(shù)倍子區(qū)域數(shù)。圖4所示為將波前在空 間劃分為2, 4和3個(gè)子區(qū)域的子孔徑分割方法示意圖。經(jīng)分析表明，在圖1所示的 實(shí)施例中反射鏡和分束鏡的對(duì)應(yīng)反射面之間的平行度要求不高，這是因?yàn)槎咧g不 平行所帶來的傾斜誤差可以利用平行光源和調(diào)整CCD探測(cè)器的角度消除掉。
探測(cè)波前經(jīng)分束系統(tǒng)后各子區(qū)域分別由對(duì)應(yīng)的CCD探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)。在弱光探測(cè)應(yīng) 用中，若CCD不能滿足量子效率要求，還可以利用ICCD探測(cè)器。技術(shù)上來講，可以在不 同探測(cè)子區(qū)域中采用CCD和ICCD組合進(jìn)行探測(cè)。不同子區(qū)域探測(cè)器有相同的采樣頻率是必要條件。
信號(hào)同步采集系統(tǒng)為本發(fā)明中引入的特有系統(tǒng)，其功能為將所有探測(cè)子區(qū)域的CCD 探測(cè)器信號(hào)進(jìn)行同步采集和處理。信號(hào)同步采集系統(tǒng)需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求進(jìn)行設(shè)計(jì)開 發(fā)。
一般來講，不同的CCD^i器都會(huì)有不同的噪聲水平，根據(jù)CCD探測(cè)器噪聲處理方 法可知，只要針對(duì)每個(gè)CCD探測(cè)器信號(hào)進(jìn)行3a (a為CCD探測(cè)器的噪聲水平)閾值處理， 就可以消除不同誤差水平帶來的信號(hào)差異。
除開由于分束系統(tǒng)帶來的誤差之外，不同探測(cè)子區(qū)域CCD探測(cè)器之間的位置關(guān)系也 會(huì)帶來一定的誤差，尤其是裝調(diào)中產(chǎn)生的CCD探測(cè)器繞光軸方向的旋轉(zhuǎn)，稱之為繞光軸 旋轉(zhuǎn)誤差。圖5為CCD探測(cè)器產(chǎn)生繞光軸旋轉(zhuǎn)之后單個(gè)子孔徑內(nèi)像素示意圖。其中虛線 為像素正確位置，實(shí)線為產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)之后的CCD像素。圖中箭頭所示的正確斜率為(O， 3)， 而產(chǎn)生繞光軸旋轉(zhuǎn)之后，其測(cè)得斜率為(1,2),因此產(chǎn)生了誤差。繞光軸旋轉(zhuǎn)誤差可以通過 以下步驟消除
① 利用平行光作為光源，并采集所有子區(qū)域光斑圖像，以此斜率作為標(biāo)定中心。
② 光路中(陣列透鏡之前)加入一定量斜率(只沿X或Y方向)，并采集所有子區(qū)域光斑 圖像，計(jì)算光斑質(zhì)心位置。按照計(jì)算結(jié)果旋轉(zhuǎn)CCD探測(cè)器，以消除Y或者X方向的斜率 分量。
③ 重復(fù)以上步驟,直到干擾斜率項(xiàng)完全消除。
本發(fā)明出發(fā)點(diǎn)在于解決夏克-哈特曼波前傳感器子孔徑數(shù)增多和采樣頻率增加之間 的技術(shù)難題，其應(yīng)用重點(diǎn)在于甚大口徑天文望遠(yuǎn)鏡自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中。另外，在采樣 頻率較高時(shí)，至少兩套較小耙面CCD探測(cè)器較單個(gè)大靶面CCD探測(cè)器件成本低。因此， 即使技術(shù)發(fā)展到能夠利用單個(gè)CCD探測(cè)器完成探測(cè)，采用本發(fā)明方案仍可以降低系統(tǒng)開 發(fā)成本或者進(jìn)一步擴(kuò)展探測(cè)能方。本發(fā)明完全可以用于靜態(tài)像差測(cè)量中，應(yīng)用已有技術(shù)， 顯著提高空間分辨率。
分析表明，分束鏡各反射面角度誤差和系統(tǒng)調(diào)整誤差主要帶來波前傾斜誤差，可以利 用標(biāo)定進(jìn)行消除；各個(gè)探測(cè)器繞光軸旋轉(zhuǎn)不同角度帶來的誤差可以通過循環(huán)步驟進(jìn)行消 除；不同CCD探測(cè)器讀出噪聲誤差的影響可以通過閾值處理技術(shù)進(jìn)行消除。因此本發(fā)明 不引入額外的探測(cè)誤差，也不增加系統(tǒng)裝調(diào)復(fù)雜度。
權(quán)利要求
1、一種自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的夏克-哈特曼波前傳感器，適用于甚大口徑天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)；包括縮束系統(tǒng)、陣列透鏡，其特征在于還引入了分束系統(tǒng)、至少兩套耦合物鏡、至少兩套CCD探測(cè)器和一套信號(hào)同步采集系統(tǒng)；波前信息首先經(jīng)過縮束系統(tǒng)，然后由陣列透鏡將波前劃分為子波前陣列，再利用分束系統(tǒng)對(duì)子波前陣列進(jìn)行空間分割，子波前被分割為至少兩個(gè)子區(qū)域后，每個(gè)子區(qū)域的波前信息由一套耦合物鏡和一套CCD探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)，所有子區(qū)域CCD探測(cè)器并行工作，信號(hào)同步采集系統(tǒng)對(duì)所有CCD探測(cè)器信號(hào)進(jìn)行同步采集和處理，所得斜率進(jìn)行組合后復(fù)原得到完整的波前相位分布。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的夏克-哈特曼波前傳感器，其 特征在于分束系統(tǒng)由至少兩個(gè)反射面組成，或者為等效的光學(xué)系統(tǒng)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的夏克-哈特曼波前傳感器，其特征在于分束系統(tǒng)對(duì)波前子區(qū)域的劃分?jǐn)?shù)量可以為大于1的任何整數(shù)，需要根據(jù)子 孔徑分布情況和CCD探測(cè)器的性能進(jìn)行確定。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的夏克-哈特曼波前傳感器，其 特征在于所述的CCD探測(cè)器，也可以為ICCD探測(cè)器，或二者的組合，不同子區(qū)域 的CCD探測(cè)器在保證有相同采樣頻率的前提下可以有不同的性能。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的夏克-哈特曼波前傳感器，其 特征在于其陣列透鏡可以為模具熱印技術(shù)、二元光學(xué)等可能技術(shù)加工的波前分割陣列透鏡。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的夏克-哈特曼波前傳感器，其 特征在于所述的夏克-哈特曼波前傳感器也可用于靜態(tài)像差測(cè)量，顯著提高探測(cè)空間分辨率卻不增加系統(tǒng)復(fù)雜度。
全文摘要
一種自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的夏克-哈特曼波前傳感器，適用于甚大口徑天文望遠(yuǎn)鏡；包括縮束系統(tǒng)、陣列透鏡，其特征在于還引入了分束系統(tǒng)、至少兩套耦合物鏡、至少兩套CCD探測(cè)器和一套信號(hào)同步采集系統(tǒng)；波前信息在經(jīng)陣列透鏡劃分為子波前陣列后由分束系統(tǒng)在空間上將子波前陣列分割成為至少兩個(gè)子區(qū)域，每個(gè)子區(qū)域用一套耦合物鏡和一套CCD探測(cè)器進(jìn)行斜率探測(cè)，各子區(qū)域波前信息由信號(hào)同步采集系統(tǒng)采集和處理，所得斜率進(jìn)行組合后復(fù)原得到完整的波前相位分布；通過至少兩套探測(cè)器并行的工作方式，降低了對(duì)CCD探測(cè)器件的性能要求，有效地克服探測(cè)子孔徑過多對(duì)CCD探測(cè)器提出的不可逾越的技術(shù)難題；對(duì)分束系統(tǒng)加工和裝調(diào)中不易克服的傾斜誤差和光程整體誤差不敏感，不增加傳感器系統(tǒng)復(fù)雜度。
文檔編號(hào)G02B17/00GK101344640SQ20081011956
公開日2009年1月14日 申請(qǐng)日期2008年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月3日
發(fā)明者姜文漢, 昂 張, 張雨東, 饒長(zhǎng)輝 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所