一种应用于拼接望远镜的光电检测系统及其快速共相调节方法技术方案

一种应用于拼接望远镜的光电检测系统，包括准直透镜、小拼接镜、4f系统、分光镜、滤光片、拼接镜MASK、夏克哈特曼波前探测器、成像系统和控制系统。利用该光电检测系统，通过夏克哈特曼波前探测器获得相邻拼接子镜间远场光斑信息，并利用双波长检测方法快速计算相邻子镜间的平移(piston)误差；通过控制系统快速调节小拼接镜piston误差，从而达到快速共相调节的piston误差目的；该系统通过调节小拼接镜而不是调节拼接镜本身来达到快速调节拼接镜系统piston误差的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于拼接望远镜的光电检测系统及其快速共相调节方法
本专利技术涉及光电检测系统，具体涉及一种用于拼接镜的光电检测系统和快速共相调节方法。
技术介绍
望远镜分辨率与大气湍流、望远镜口径和观测光波长大小等因素有关。若忽略大气湍流等因素的影响，且观测光波长大小一定时，为了探测到更加遥远、更加暗的天体，望远镜的口径就需不断增加。目前制作大口径望远镜有三种设计方案：薄主镜、蜂窝镜和拼接镜。但由于制造技术、加工成本、风险因素等方面的原因，单块口径的光学望远镜不能无限增大。目前单块光学望远镜主镜口径极限为8.4m。若要制造更大口径的光学望远镜，就需采用拼接镜技术。但是使用拼接镜技术也会带来许多新的挑战，其中最重要的就是各子镜间的平移误差(piston)的检测问题。只有当拼接镜共相时，才能达到与相同口径的单镜面主镜系统相当的成像质量。为了使拼接式望远镜得到良好的像质，系统的piston误差需要控制在100nm.目前，在运行的10米级拼接望远镜(美国夏威夷keck望远镜和西班牙GTC望远镜)以及即将建成的30米拼接望远镜(美国TMT望远镜)和39米拼接望远镜(欧洲南方天文台E-ELT望远镜)都是通过调节拼接望远镜主镜的piston误差来达到共相调节的目的。但由于单块拼接子镜的口径都在1米以上，其动量以及共振频率低，使得调节共相调节的速度低。使得拼接望远镜不能实现快速共相的目的，从而不能实现快速观测物体的目的。现有技术参考文件：(1)授权公告号为CN101694414B的专利技术专利；(2)公开号为CN101276056A的专利技术专利申请；(3)李斌.拼接镜共相检测技术研究[D].北京.中国科学院研究生院.2017。
技术实现思路
针对拼接镜系统共相调节速度慢的问题，本专利技术的目的在于提供一种应用于拼接镜快速共相调节的光电检测系统。该光电检测系统利用在拼接望远镜主镜共轭面放置一小拼接镜，通过利用双波长检测方法达到快速检测拼接镜piston误差的目的，通过快速调节小拼接镜piston误差，达到了快速调节望远镜系统中piston误差的目的。本专利技术解决问题的技术方案是：一种应用于拼接望远镜的光电检测系统，包括准直透镜、小拼接镜、4f系统、第一分光棱镜、拼接镜MASK、第二分光棱镜、第一窄带滤光片、第一夏克哈特曼波前探测器、第二窄带滤光片、第二夏克哈特曼波前探测器、第三分光棱镜、第三夏克哈特曼波前探测器、成像系统、压电陶瓷促动器和控制系统；小拼接镜设置于拼接望远镜的共轭面上，拼接望远镜与小拼接镜之间设置准直透镜，其中小拼接镜的子镜块数与拼接望远镜的子镜块数相同；准直透镜用于将拼接望远镜接受的光变为平行光后射到小拼接镜上，小拼接镜用于将从准直透镜出来的平行光反射到4f系统；小拼接镜和第一分光棱镜之间设置4f系统，第一分光棱镜分光的两个方向分别设置第二分光棱镜和第三分光棱镜；第一分光棱镜和第二分光棱镜之间设置有拼接镜MASK；第二分光棱镜分光的两个方向分别设置第一夏克哈特曼波前探测器和第二夏克哈特曼波前探测器；第一夏克哈特曼波前探测器和第二夏克哈特曼波前探测器之间设置有第一滤光片；第三分光棱镜分光的两个方向分别设置第三夏克哈特曼波前探测器和成像系统；压电陶瓷促动器与小拼接镜相连接，用于驱动小拼接镜移动；控制系统分别连接第一夏克哈特曼波前探测器、第二夏克哈特曼波前探测器、第三夏克哈特曼波前探测器、成像系统和压电陶瓷促动器。小拼接镜的每个子镜均有三个支撑点，三个支撑点上均设置压电陶瓷促动器且分布在同一圆上，在每个支撑点中心对称位置放置一电容传感器；控制系统通过电容传感器的值闭环控制压电陶瓷促动器的变形量，进而控制小拼接镜的移动。实现快速共相调节的方法如下：拼接望远镜接受光波，由于拼接子镜间存在倾斜和piston误差，使得接受的光波非连续，经过准直透镜准直为平行光后，再经过小拼接镜反射，其中小拼接镜放置于拼接望远镜主镜共轭面上，依次经过4f系统和第一分光棱镜，一部分光经过MASK遮掩部分光后，再经过第二分光棱镜分光，之后分别经过第一窄带滤光片和第二窄带滤光片滤光，分别进入第一夏克哈特曼波前探测器内和第二夏克哈特曼波前探测器内；其余光进入第三分光棱镜，一部分进入第三夏克哈特曼波前探测器内，另一部分进入成像系统内；进入第一夏克哈特曼波前探测器内和第二夏克哈特曼波前探测器的光束在CCD上分别呈现在某特定窄带光下两拼接子镜间远场光斑，利用双波检测方法计算出相邻子镜间piston误差，最后通过控制系统控制小拼接镜后压电陶瓷促动器，达到快速调节拼接镜系统piston误差的目的；另一部分进入第三夏克哈特曼波前探测器的光束，在CCD上形成一系列的衍射光斑，并通过控制系统将该衍射光斑偏离标定位置的方位和距离，计算拼接子镜的倾斜误差，并通过控制系统控制小拼接镜后压电陶瓷促动器以调节拼接镜倾斜误差。成像系统内包括自适应系统、观测系统等，自适应系统用以校正大气湍流对光波质量的影响，观测系统用以观测天体信息。本专利技术与现有技术相比有以下优点：1)采用双波长的方法检测piston误差，达到了快速检测piston误差的目的。2)在拼接镜望远镜光路系统中拼接主镜共轭面放置与拼接镜子镜一一对应的小拼接镜，通过调节该小拼接镜piston误差，来达到调节拼接望远镜系统中的piston误差的目的。该小拼接子镜的口径在几十毫米级，因此其惯性小和共振频率大，可以达到快速共相调节的目的。附图说明图1为本专利技术的光电检测系统的装置组成及原理示意图。图2为第三夏克哈特曼波前传感器中微透镜阵列示意图。图3为MASK分布示意图。图4为小拼接镜压电陶瓷促动器分布示意图。图5为控制系统原理示意图。在图中，拼接望远镜(1)、准直透镜(2)、小拼接镜(3)、4f系统(4)、第一分光棱镜(5)、拼接镜MASK(6)、第二分光棱镜(7)、第一滤光片(8)、第一夏克哈特曼波前探测器(9)、第二滤光片(10)、第二夏克哈特曼波前探测器(11)、第二分光棱镜(12)、第三夏克哈特曼波前探测器(13)、成像系统(14)、控制系统(15)。具体实施方式如图1所示，一种应用于拼接望远镜的光电检测系统，包括：准直透镜2、小拼接镜3、4f系统4、第一分光棱镜5、拼接镜MASK6、第二分光棱镜7、第一滤光片8、第一夏克哈特曼波前探测器9、第二滤光片10、第二夏克哈特曼波前探测器11、第二分光棱镜12、第三夏克哈特曼波前探测器13、成像系统14和控制系统15。其中，小拼接镜3放置于拼接望远镜主镜共轭面上。在本实施方式中，拼接望远镜1包含四块子镜，所以小拼接镜3也包含四块子镜。如图2所示，哈特曼微透镜阵列被分为四部分，每一区域对应一块拼接子镜，光在进入微透镜阵列后，在高帧频CCD靶面上形成衍射光斑；采用质心算法计算每块区域光斑中心位置(x,y)，与标定位置(0，0)比较，分别计算出波前相位倾斜量和倾斜方向；其中，为波前相位倾斜量，单位为nm，其中α为望远镜角放大率，f为微透镜焦距，D为主镜尺寸；θ为波前相位倾斜相位。控制系统15的数据处理机根据高帧频CCD采集到的数据，控制小拼接镜倾斜角度，实时补偿拼接镜倾斜误差。如图3所示，光束进入mask6后，光束被遮挡大部分，然后再照射在微阵列透镜上，其中微透镜阵列子透镜对应mask中圆本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于拼接望远镜的快速共相调节方法，其特征在于：在拼接望远镜的共轭面上设置小拼接镜，利用小拼接镜将拼接望远镜接受的光反射后进行检测，得到两相邻子镜间的远场光斑信息和衍射光斑信息；然后根据远场光斑信息和衍射光斑信息分别计算出两相邻子镜间piston误差和倾斜误差；最后根据piston误差和倾斜误差对小拼接镜进行调节，实现拼接望远镜与小拼接镜系统快速共相调节的目的。

【技术特征摘要】
1.一种应用于拼接望远镜的快速共相调节方法，其特征在于：在拼接望远镜的共轭面上设置小拼接镜，利用小拼接镜将拼接望远镜接受的光反射后进行检测，得到两相邻子镜间的远场光斑信息和衍射光斑信息；然后根据远场光斑信息和衍射光斑信息分别计算出两相邻子镜间piston误差和倾斜误差；最后根据piston误差和倾斜误差对小拼接镜进行调节，实现拼接望远镜与小拼接镜系统快速共相调节的目的。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：(1)利用准直透镜将拼接望远镜接受的光变为平行光射出；(2)在准直透镜后方设置小拼接镜，小拼接镜位于拼接望远镜的共轭面上，小拼接镜的子镜块数与拼接望远镜的子镜块数相同，利用小拼接镜将从准直透镜出来的平行光反射到4f系统；(3)利用第一分光棱镜将从4f系统射出来的光分为两部分，一部分光依次经过拼接镜MASK和第二分光棱镜后，分别进入第一夏克哈特曼波前探测器和第二夏克哈特曼波前探测器；另一部光经过第三分光棱镜后，分别进入第三夏克哈特曼波前探测器和成像系统内；(4)进入第一夏克哈特曼波前探测器和第二夏克哈特曼波前探测器的光束在CCD上分别呈现在某特定窄带光下两相邻拼接子镜间远场光斑，利用双波检测原理计算出两相邻子镜间piston误差，根据piston误差，利用控制系统控制压电陶瓷促动器对小拼接镜进行调节；进入第三夏克哈特曼波前探测器的光束在CCD上形成一系列的衍射光斑，并通过控制系统将该衍射光斑偏离标定位置的方位和距离，计算两相邻子镜的倾斜误差，根据倾斜误差，利用控制系统控制压电陶瓷促动器对小拼接镜进...

【专利技术属性】
技术研发人员：李斌，刘燕德，吴建，
申请(专利权)人：华东交通大学，
类型：发明
国别省市：江西,36