一种自适应光学系统中的夏克-哈特曼波前传感器技术方案

一种自适应光学系统中的夏克－哈特曼波前传感器，适用于甚大口径天文望远镜；包括缩束系统、阵列透镜，其特征在于：还引入了分束系统、至少两套耦合物镜、至少两套ＣＣＤ探测器和一套信号同步采集系统；波前信息在经阵列透镜划分为子波前阵列后由分束系统在空间上将子波前阵列分割成为至少两个子区域，每个子区域用一套耦合物镜和一套ＣＣＤ探测器进行斜率探测，各子区域波前信息由信号同步采集系统采集和处理，所得斜率进行组合后复原得到完整的波前相位分布；通过至少两套探测器并行的工作方式，降低了对ＣＣＤ探测器件的性能要求，有效地克服探测子孔径过多对ＣＣＤ探测器提出的不可逾越的技术难题；对分束系统加工和装调中不易克服的倾斜误差和光程整体误差不敏感，不增加传感器系统复杂度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种夏克-哈特曼波前传感器，特别涉及一种应用于甚大口径天文望远 镜自适应光学系统中的夏克-哈特曼波前传感器。
技术介绍
自适应光学技术于二十世纪五十年代提出，随后得到了迅速发展。由最初的军事应用 阶段，并逐步发展到天文观测应用领域。由于自适应光学系统有效地校正了大气湍流的影 响，世界上几乎所有的大口径天文望远镜都配备了自适应光学系统。由于自适应光学技术的成功应用，使得大口径天文望远镜的潜力得到充分发挥。目前， 世界上运行中的最大口径天文望远镜为10m级。天文学家们并不满足于此，各国天文学界 开展了大量针对口径为20m以上的甚大口径天文望远镜(Extremely Large Telescope, ELT) 的研究工作(参见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)。在中国，苏定强等人进 行了大量30m级望远镜的研究工作，并提出了30m级望远镜(Chinese Future Giant Telescope, CFGT)的设计方案(参见苏定强等， 一个巨型望远镜方案天文学报，Vol.45 No.l， Feb,2004)。自适应光学系统将成为甚大口径天文望远镜不可或缺的组成部分，也对自适应光学技 术提出了新的挑战。天文望远镜中自适应光学系统子孔径数与口径平方成正比，也就是说， 若1.2111望远镜自适应光学系统子孔径数为81个，则30m望远镜自适应光学系统所需子孔径 数约为40000个。若以每个子孔径4x4个探测像素的最低要求进行计算，其CCD探测器耙面 像素数不低于800x800。要求如此多像素的CCD探测器在采样频率不低于1000Hz的情况下 对动态像差进行测量，具有不可逾越的技术难度。因此应用于甚大口径天文望远镜自适应 光学系统中的夏克-哈特曼波前传感器需要解决的关键问题是要求CCD探测器像素数大量 增加和采样频率居高不下之间的矛盾。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服甚大口径天文望远镜自适应光学系统波前探测器对CCD器件的苛刻'要求，首次在动态像差测量夏克-哈特曼波前传感器中引入了分 束系统、至少两套耦合物镜、至少两套CCD探测器和一套信号同步采集系统，依赖于 相对较低探测性能的CCD探测器，有效地克服了探测子孔径过多对CCD探测器提出 的不可逾越的技术难题。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是 一种自适应光学系统中的夏克-哈特 曼波前传感器，适用于甚大口径天文望远镜系统；包括缩束系统、阵列透镜，其特征在于还引入了分束系统、至少两套耦合物镜、至少两套CCD探测器和一套信号同步 采集系统；波前信息首先经过縮束系统，然后由阵列透镜将波前划分为子波前阵列，再利用分束系统对子波前阵列进行空间分割，子波前被分割为至少两个子区域后，每个子区域的波前信息由一套耦合物镜和一套CCD探测器进行探测，所有子区域CCD 探测器并行工作，信号同步采集系统对所有CCD探测器信号进行同步采集和处理，所 得斜率进行组合后复原得到完整的波前相位分布。所述分束系统由至少两个反射面组成，或者为等效的光学系统。所述分束系统对波前子区域的划分数量可以为大于1的任何整数，需要根据子孔 径分布情况和CCD探测器的性能进行确定。所述的CCD探测器，也可以为ICCD探测器，或二者的组合，不同子区域的CCD 探测器在保证有相同采样频率的前提下可以有不同的性能。所述阵列透镜可以为模具热印技术、二元光学等可能技术加工的波前分割阵列透镜。所述的夏克-哈特曼波前传感器也可用于静态像差测量，显著提高探测空间分辨率 却不增加系统复杂度。本专利技术的原理是本专利技术利用分束系统对经过阵列透镜之后的波前进行空间划分，利用至少两个CCD探测器进行并行探测，单个CCD探测器只探测其中的一部分区域， 所有CCD探测器信号都由信号同步采集系统进行采集和处理，保证了波前相位探测的 可靠性。这样一来，在保证CCD探测器工作频率的情况下，大幅度降低对探测靶面大 小的要求。比如将波面划分为4个子区域，对单个CCD探测器探测靶面像素数的要求 则由800x800降低为400x400，相应的CCD探测器技术难度得到有效降低，也相当于 将己有的CCD探测能力扩充了 4倍。因此，本专利技术可以克服CCD探测器性能的限制， 利用现有或者可以预见的技术发展适用于甚大口径天文望远镜的自适应光学系统。 本专利技术在引入分束系统、至少两套耦合物镜和至少两套CCD探测器的同时会引入 倾斜误差，在系统装调阶段可以将其消除。另外，由于系统中采用了至少两套CCD探 测器，各个探测器可能由于调整误差绕各自光轴旋转，由此将带来探测误差。消除此类旋转引起的误差需要采用如下循环步骤① 利用平行光作为光源，并采集所有子区域光斑图像，以此斜率作为标定中心。② 光路中(阵列透镜之前)加入一定量斜率(只沿X或Y方向)，并采集所有子区域 光斑图像，计算光斑质心位置。按照计算结果旋转CCD探测器，以消除Y或者X方 向的斜率分量。③ 重复以上步骤，直到干扰斜率项完全消除。反复进行以上三个步骤，可以消除绕光轴旋转引起的误差，不增加系统的复杂度 和探测误差。另外，即使在CCD探测器技术得到发展，单个CCD器件就可以满足甚大口径天 文望远镜自适应光学系统的探测要求时，本专利技术可以用来降低系统的成本。并且，利 用本专利技术原理，可以进一步扩展波前探测能力。本专利技术还可以用于静态像差测量，进 一步提高其空间分辨率。本专利技术与现有技术相比有如下优点(1) 本专利技术采用分束系统，将探测波前进行空间划分，采用相对较低性能的CCD 探测器实现甚大口径天文望远镜自适应光学系统的波前探测，成功克服了 CCD探测器 技术瓶颈对系统开发的限制；(2) 本专利技术提出的空间划分的思想，在CCD技术得到发展后仍然可以用来降低系 统研制成本和进一步扩展波前探测能力；(3) 本专利技术可以用于静态像差的探测，有效提高其空间分辨率；(4) 本专利技术在解决技术瓶颈的同时，不增加系统的复杂度，不引入新的探测误差。 附图说明图1为应用于甚大口径天文望远镜自适应光学系统中的夏克-哈特曼波前传感器系 统框图2为本专利技术中分束系统的原理框图3为本专利技术中分束镜示意图，左图所示分束镜可以将探测波前分割成为4个子区域， 右图所示分束镜可以将探测波前分割成为2个子区域，并需要与不同数量的平面反射镜进 行配合构成分束系统。根据划分需求的不同，可以设计出不同的分束系统。多极分束系统 可以串联工作；图4为本专利技术中子孔径分割示意图；其中四方形子孔径排布可以分为2,4等不同数量子区域；三角形排布则可以分为3个子区域进行探测；图5为CCD探测器绕光轴误差示意图； 具体实施例方式下面结^"附图及具体实施方式详细介绍本专利技术。本实施例的一种应用于甚大口径天文望远镜自适应光学系统中的夏克-哈特曼波 前传感器如本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自适应光学系统中的夏克－哈特曼波前传感器，适用于甚大口径天文望远镜系统；包括缩束系统、阵列透镜，其特征在于：还引入了分束系统、至少两套耦合物镜、至少两套ＣＣＤ探测器和一套信号同步采集系统；波前信息首先经过缩束系统，然后由阵列透镜将波前划分为子波前阵列，再利用分束系统对子波前阵列进行空间分割，子波前被分割为至少两个子区域后，每个子区域的波前信息由一套耦合物镜和一套ＣＣＤ探测器进行探测，所有子区域ＣＣＤ探测器并行工作，信号同步采集系统对所有ＣＣＤ探测器信号进行同步采集和处理，所得斜率进行组合后复原得到完整的波前相位分布。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张昂，饶长辉，张雨东，姜文汉，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]