一種高分辨力成像望遠鏡中非共光路像差測量與補償裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明針對望遠鏡系統(tǒng)中由于系統(tǒng)靜態(tài)高階像差存在，降低了遠場成像分辨力的 情況，提出了一種高分辨力成像望遠鏡中非共光路像差測量與補償裝置，在測量光路和遠 場成像光路非共光路的條件下，在遠場成像光路中加入高階像差測量與補償模塊，減小系 統(tǒng)靜態(tài)像差對遠場成像的影響，提高系統(tǒng)遠場成像的分辨力。
【背景技術】
[0002] 在高分辨力成像望遠鏡中，由于系統(tǒng)中存在的各種誤差，例如大氣端流誤差，光學 誤差，加工誤差，對準誤差等，使得望遠鏡系統(tǒng)的成像分辨力受到限制，為了提高系統(tǒng)的成 像分辨力，自適應光學系統(tǒng)廣泛得到應用。自適應光學系統(tǒng)為部分校正系統(tǒng)，可以用來對光 學系統(tǒng)中的波前像差進行實時探測和校正，采用波前傳感器測量波前像差，探測到的像差 通過波前復原算法和控制算法來對波前校正器的驅動器進行調整，以達到像差補償的目 的，使得波面殘差達到最小。自適應光學最早應用于天文觀測方面，經過不斷的發(fā)展，在人 眼眼底成像、激光光束凈化和自由空間光通信等方面有了廣泛的應用。
[0003] 高分辨力成像望遠鏡測量和補償望遠鏡的各種誤差時，自適應光學系統(tǒng)由于存在 著大行程和高空間頻率的矛盾，也有著一定的局限性，所以系統(tǒng)中剩余殘差依舊對遠場成 像分辨力有著影響。此部分像差一般情況下為高階像差，對高階像差的校正，中國科學院光 電技術研究所的胡詩杰等人發(fā)明了"雙波前校正器自適應光學系統(tǒng)"（申請?zhí)?200510011422.X)，即用一個大行程、低空間分辨率的波前校正器來對低階像差進行校正， 用一個小行程、高空間分辨率的波前校正器來對高階像差進行校正。此發(fā)明雖然可以對高 階像差進行校正，對遠場成像分辨力的提升有限。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術問題：當望遠鏡系統(tǒng)中存在較大的靜態(tài)高階像差，系統(tǒng)對像 差測量和補償能力不足，導致遠場成像分辨力的降低，因此采用一種高分辨力成像望遠鏡 中非共光路像差測量與補償裝置來測量和補償望遠鏡系統(tǒng)中的靜態(tài)高階像差，提升遠場成 像分辨力。
[0005] 本發(fā)明解決上述技術問題的方案:提出一種高分辨力成像望遠鏡中非共光路像差 測量與補償裝置，包括:望遠鏡系統(tǒng)（1)、引導鏡(2)、快速傾斜鏡(3)、低階波前校正器(4)、 分光鏡(5)、低階波前傳感器(6)、遠場成像相機(9)和基準光源（11);其特征在于:在遠場成 像光路中加入由高階波前校正器(7)、分光鏡(8)和高階波前傳感器（10)組成的高階像差補 償模塊（15)，用來測量和補償望遠鏡系統(tǒng)（1)在不同俯仰角和不同方位情況下的高階靜態(tài) 像差，提升遠場成像分辨力;從目標發(fā)出的光入射到望遠鏡系統(tǒng)（1)，經過引導鏡(2)進入自 適應光學系統(tǒng)（14)中經快速傾斜鏡(3)、低階波前校正器(4)，再通過分光鏡(5)分成兩束， 一束進入低階波前傳感器(6)，然后通過反饋控制快速傾斜鏡(3)和低階波前校正器(4);另 外一束經過高階像差補償模塊（15)中的高階波前校正器(7)、分光鏡(8)再次分束，一部分 進入高階波前傳感器(10)用于高階像差的測量，另一部分進入遠場成像相機(9)，高階像差 補償模塊（15)中，高階波前傳感器(10)測量到信號反饋控制高階波前校正器(7);在進行測 量和補償過程之前，為保證高階像差補償模塊(15)和遠場成像相機(9)測量數據一致，對高 階像差補償模塊（15)進行室內標定，將望遠鏡系統(tǒng)（1)替換為基準光源（11);遠場成像相機 (9)和高階波前傳感器（10)同步采集，保證時間統(tǒng)一性，由高階波前傳感器(10)采集的圖像 數據計算遠場圖像數據和遠場成像相機(9)采集的遠場圖像數據一致。
[0006] 所述的一種高分辨力成像望遠鏡中非共光路像差測量與補償裝置，其特征在于： 所述的高階像差補償模塊(15)在測量和補償望遠鏡系統(tǒng)（1)在不同俯仰角和不同方位情況 高階靜態(tài)像差是指望遠鏡系統(tǒng)（1)在實際工作中繞望遠鏡系統(tǒng)（1)的方位軸（13)和俯仰軸 (12)運動，運動過程中望遠鏡系統(tǒng)（1)和自適應光學系統(tǒng)（14)的相對位置關系始終在發(fā)生 變化，導致所有光學鏡面累加的高階像差也隨著望遠鏡系統(tǒng)（1)在不同方位和俯仰情況下 不一致，需要建立高階像差隨不同方位角和俯仰角的查表關系，望遠鏡系統(tǒng)（1)在方位角0° ~360°范圍內、俯仰角在10°~90°范圍內，每間隔10°要對恒星進行測量，對各種情況下的 望遠鏡系統(tǒng)（1)靜態(tài)像差的測量時，需對恒星進行一般大于10秒鐘時間的曝光或者多幀（多 幀累積時間也要求大于十秒鐘）平均測量已克服大氣湍流誤差的影響，而得到望遠鏡系統(tǒng) (1)和自適應光學系統(tǒng)（14)組合的準靜態(tài)高階像差與望遠鏡系統(tǒng)（1)的方位角和俯仰角的 一一對應的查表關系。
[0007] 所述的一種高分辨力成像望遠鏡中非共光路像差測量與補償裝置，其特征在于： 所述波前傳感器可以是夏克-哈特曼波前傳感器，也可以是曲率波前傳感器，還可以是四棱 錐波前傳感器。
[0008] 所述的一種高分辨力成像望遠鏡中非共光路像差測量與補償裝置，其特征在于： 所述波前校正器包括壓電陶瓷變形鏡，Bimorph變形鏡，液晶變形鏡，MEMS變形鏡。
[0009] 所述的一種高分辨力成像望遠鏡中非共光路像差測量與補償方法，其特征在于實 現步驟如下：
[001 0]第一步，首先，進行室內標定，在進行測量和補償過程之前，為保證高階像差補償 模塊和遠場成像相機(9)測量數據一致，對高階像差補償模塊（15)進行室內標定，將望遠鏡 系統(tǒng)（1)替換為基準光源（11)，遠場成像相機(9)和高階波前傳感器（10)同步采集，保證時 間統(tǒng)一性，由高階波前波前傳感器（10)采集的圖像數據計算遠場圖像數據，和遠場成像相 機(9)采集的遠場圖像數據一致；
[0011] 第二步，將基準光源（11)替換為望遠鏡系統(tǒng)（1)，從目標發(fā)出的光入射到望遠鏡系 統(tǒng)（1)，經過引導鏡（2)進入自適應光學系統(tǒng)，然后經過快速傾斜鏡（3)，低階波前校正器 (4)，通過分光鏡(5)分成兩束，一束進入低階波前傳感器(6)，然后通過反饋控制快速傾斜 鏡(3)和低階波前校正器(4);另外一束經過高階像差補償模塊進入遠場成像相機(9)，高階 像差補償模塊中，高階波前傳感器(10)測量到信號反饋控制高階波前校正器(7);
[0012] 第三步，固定望遠鏡系統(tǒng)（1)俯仰角不變，在望遠鏡系統(tǒng)（1)繞方位軸（13)在0°~ 360°范圍內，每間隔10°獲取一顆恒星光線進入望遠鏡系統(tǒng)（1)中，由高階像差補償模塊 (15)測量系統(tǒng)靜態(tài)像差并補償，高階波前傳感器（10)記錄不同方位時望遠鏡系統(tǒng)（1)靜態(tài) 像差，由于對星測量會存在動態(tài)誤差擾動，采用多幀平均的方法將動態(tài)誤差擾動化為準靜 態(tài)誤差一起進行測量和補償；
[0013] 第四步，固定望遠鏡系統(tǒng)（1)方位角不變，在望遠鏡系統(tǒng)（1)繞俯仰軸（12)在10°~ 90°范圍內，每間隔10°獲取一顆恒星光線進入望遠鏡系統(tǒng)（1)中，由高階像差補償模塊(15) 測量系統(tǒng)靜態(tài)像差并補償，高階波前傳感器（10)記錄不同俯仰角時望遠鏡系統(tǒng)（1)的靜態(tài) 像差，同樣采用多幀平均的方法化為準靜態(tài)誤差一起進行測量和補償。
[0014] 所述的一種高分辨力成像望遠鏡中非共光路像差測量與補償方法，其特征在于所 述方法的第三步和第四步測量和記錄過程是，利用高階波前傳感器(10)獲取恒星光斑的陣 列信息，利用Zernike模式復原算法實現波面誤差的復原，并在高階波前傳感器(10)中建立 與望遠鏡系統(tǒng)（1)不同的方位角和俯仰角直接相關的高階像差索引矩陣。
[0015] 本發(fā)明與現有技術相比有如下優(yōu)點:傳統(tǒng)自適應光學系統(tǒng)測量和補償波面像差過 程中，系統(tǒng)中的靜態(tài)高階像差和測量到的低階像差，系統(tǒng)動態(tài)像差一起被測量和補償，但是 由于自適應光學系統(tǒng)校正能力有限，導致像差整體的測量和補償能力降低，減小了系統(tǒng)遠 場成像分辨力。本發(fā)明對望遠鏡系統(tǒng)和自適應光學系統(tǒng)的組合高階靜態(tài)像差進行測量，并 建立起與望遠鏡系統(tǒng)方位角、俯仰角相關的高階像差索引矩陣，在實際工作中根據望遠鏡 的實際方位和俯仰，快速查表索引矩陣直接將對應的高階像差在成像光路中進行補償，消 除系統(tǒng)靜態(tài)高階像差對遠場成像的影響，提升系統(tǒng)遠場成像分辨力。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明一種高分辨力成像望遠鏡中非共光路像差測量與補償裝置原理圖；
[0017] 圖2高階像差索引矩陣。
【具體實施方式】
[0018] 下面結合附圖進一步說明本發(fā)明。
[0019] 如圖1所示的一種高分辨力成像望遠鏡中非共光路像差測量與補償裝置，包括:望 遠鏡系統(tǒng)1、望遠鏡方位軸13、望遠鏡俯仰軸12、自適應光學系統(tǒng)14、引導鏡2、快速傾斜鏡