一种高分辨力成像望远镜中非共光路像差测量与补偿装置及方法

摘要

一种高分辨力成像望远镜中非共光路像差测量与补偿装置，该装置主要包括望远镜系统，引导镜，快速倾斜镜，低阶波前校正器，分光镜，低阶波前传感器，高阶波前校正器，远场成像相机，高阶波前传感器等，在远场成像光路中加入由高阶波前校正器、分光镜和高阶波前传感器组成的高阶像差补偿模块来测量和补偿望远镜系统在不同俯仰角和不同方位情况下远场成像光路中的高阶静态像差，提升远场成像分辨力。

说明书

技术领域

本发明针对望远镜系统中由于系统静态高阶像差存在，降低了远场成像分辨力的情况， 提出了一种高分辨力成像望远镜中非共光路像差测量与补偿装置，在测量光路和远场成像光 路非共光路的条件下，在远场成像光路中加入高阶像差测量与补偿模块，减小系统静态像差 对远场成像的影响，提高系统远场成像的分辨力。

背景技术

在高分辨力成像望远镜中，由于系统中存在的各种误差，例如大气湍流误差，光学误差， 加工误差，对准误差等，使得望远镜系统的成像分辨力受到限制，为了提高系统的成像分辨 力，自适应光学系统广泛得到应用。自适应光学系统为部分校正系统，可以用来对光学系统 中的波前像差进行实时探测和校正，采用波前传感器测量波前像差，探测到的像差通过波前 复原算法和控制算法来对波前校正器的驱动器进行调整，以达到像差补偿的目的，使得波面 残差达到最小。自适应光学最早应用于天文观测方面，经过不断的发展，在人眼眼底成像、 激光光束净化和自由空间光通信等方面有了广泛的应用。

高分辨力成像望远镜测量和补偿望远镜的各种误差时，自适应光学系统由于存在着大行 程和高空间频率的矛盾，也有着一定的局限性，所以系统中剩余残差依旧对远场成像分辨力 有着影响。此部分像差一般情况下为高阶像差，对高阶像差的校正，中国科学院光电技术研 究所的胡诗杰等人发明了“双波前校正器自适应光学系统”(申请号200510011422.X)，即用 一个大行程、低空间分辨率的波前校正器来对低阶像差进行校正，用一个小行程、高空间分 辨率的波前校正器来对高阶像差进行校正。此发明虽然可以对高阶像差进行校正，对远场成 像分辨力的提升有限。

发明内容

本发明要解决的技术问题：当望远镜系统中存在较大的静态高阶像差，系统对像差测量 和补偿能力不足，导致远场成像分辨力的降低，因此采用一种高分辨力成像望远镜中非共光 路像差测量与补偿装置来测量和补偿望远镜系统中的静态高阶像差，提升远场成像分辨力。

本发明解决上述技术问题的方案：提出一种高分辨力成像望远镜中非共光路像差测量与 补偿装置，包括：望远镜系统(1)、引导镜(2)、快速倾斜镜(3)、低阶波前校正器(4)、 分光镜(5)、低阶波前传感器(6)、远场成像相机(9)和基准光源(11)；其特征在于：在 远场成像光路中加入由高阶波前校正器(7)、分光镜(8)和高阶波前传感器(10)组成的 高阶像差补偿模块(15)，用来测量和补偿望远镜系统(1)在不同俯仰角和不同方位情况下 的高阶静态像差，提升远场成像分辨力；从目标发出的光入射到望远镜系统(1)，经过引导 镜(2)进入自适应光学系统(14)中经快速倾斜镜(3)、低阶波前校正器(4)，再通过分 光镜(5)分成两束，一束进入低阶波前传感器(6)，然后通过反馈控制快速倾斜镜(3)和 低阶波前校正器(4)；另外一束经过高阶像差补偿模块(15)中的高阶波前校正器(7)、分 光镜(8)再次分束，一部分进入高阶波前传感器(10)用于高阶像差的测量，另一部分进 入远场成像相机(9)，高阶像差补偿模块(15)中，高阶波前传感器(10)测量到信号反馈 控制高阶波前校正器(7)；在进行测量和补偿过程之前，为保证高阶像差补偿模块(15)和 远场成像相机(9)测量数据一致，对高阶像差补偿模块(15)进行室内标定，将望远镜系 统(1)替换为基准光源(11)；远场成像相机(9)和高阶波前传感器(10)同步采集，保 证时间统一性，由高阶波前传感器(10)采集的图像数据计算远场图像数据和远场成像相机 (9)采集的远场图像数据一致。

所述的一种高分辨力成像望远镜中非共光路像差测量与补偿装置，其特征在于：所述的 高阶像差补偿模块(15)在测量和补偿望远镜系统(1)在不同俯仰角和不同方位情况高阶 静态像差是指望远镜系统(1)在实际工作中绕望远镜系统(1)的方位轴(13)和俯仰轴(12) 运动，运动过程中望远镜系统(1)和自适应光学系统(14)的相对位置关系始终在发生变 化，导致所有光学镜面累加的高阶像差也随着望远镜系统(1)在不同方位和俯仰情况下不 一致，需要建立高阶像差随不同方位角和俯仰角的查表关系，望远镜系统(1)在方位角 0°～360°范围内、俯仰角在10°～90°范围内，每间隔10°要对恒星进行测量，对各种情况下的 望远镜系统(1)静态像差的测量时，需对恒星进行一般大于10秒钟时间的曝光或者多帧(多 帧累积时间也要求大于十秒钟)平均测量已克服大气湍流误差的影响，而得到望远镜系统(1) 和自适应光学系统(14)组合的准静态高阶像差与望远镜系统(1)的方位角和俯仰角的一 一对应的查表关系。

所述的一种高分辨力成像望远镜中非共光路像差测量与补偿装置，其特征在于：所述波 前传感器可以是夏克-哈特曼波前传感器，也可以是曲率波前传感器，还可以是四棱锥波前 传感器。

所述的一种高分辨力成像望远镜中非共光路像差测量与补偿装置，其特征在于：所述波 前校正器包括压电陶瓷变形镜，Bimorph变形镜，液晶变形镜，MEMS变形镜。

所述的一种高分辨力成像望远镜中非共光路像差测量与补偿方法，其特征在于实现步骤 如下：

第一步，首先，进行室内标定，在进行测量和补偿过程之前，为保证高阶像差补偿模块 和远场成像相机(9)测量数据一致，对高阶像差补偿模块(15)进行室内标定，将望远镜 系统(1)替换为基准光源(11)，远场成像相机(9)和高阶波前传感器(10)同步采集， 保证时间统一性，由高阶波前波前传感器(10)采集的图像数据计算远场图像数据，和远场 成像相机(9)采集的远场图像数据一致；

第二步，将基准光源(11)替换为望远镜系统(1)，从目标发出的光入射到望远镜系统 (1)，经过引导镜(2)进入自适应光学系统，然后经过快速倾斜镜(3)，低阶波前校正器 (4)，通过分光镜(5)分成两束，一束进入低阶波前传感器(6)，然后通过反馈控制快速 倾斜镜(3)和低阶波前校正器(4)；另外一束经过高阶像差补偿模块进入远场成像相机(9)， 高阶像差补偿模块中，高阶波前传感器(10)测量到信号反馈控制高阶波前校正器(7)；

第三步，固定望远镜系统(1)俯仰角不变，在望远镜系统(1)绕方位轴(13)在0°～360° 范围内，每间隔10°获取一颗恒星光线进入望远镜系统(1)中，由高阶像差补偿模块(15) 测量系统静态像差并补偿，高阶波前传感器(10)记录不同方位时望远镜系统(1)静态像 差，由于对星测量会存在动态误差扰动，采用多帧平均的方法将动态误差扰动化为准静态误 差一起进行测量和补偿；

第四步，固定望远镜系统(1)方位角不变，在望远镜系统(1)绕俯仰轴(12)在10°～90° 范围内，每间隔10°获取一颗恒星光线进入望远镜系统(1)中，由高阶像差补偿模块(15) 测量系统静态像差并补偿，高阶波前传感器(10)记录不同俯仰角时望远镜系统(1)的静 态像差，同样采用多帧平均的方法化为准静态误差一起进行测量和补偿。

所述的一种高分辨力成像望远镜中非共光路像差测量与补偿方法，其特征在于所述方法 的第三步和第四步测量和记录过程是，利用高阶波前传感器(10)获取恒星光斑的阵列信息， 利用Zernike模式复原算法实现波面误差的复原，并在高阶波前传感器(10)中建立与望远 镜系统(1)不同的方位角和俯仰角直接相关的高阶像差索引矩阵。

本发明与现有技术相比有如下优点：传统自适应光学系统测量和补偿波面像差过程中， 系统中的静态高阶像差和测量到的低阶像差，系统动态像差一起被测量和补偿，但是由于自 适应光学系统校正能力有限，导致像差整体的测量和补偿能力降低，减小了系统远场成像分 辨力。本发明对望远镜系统和自适应光学系统的组合高阶静态像差进行测量，并建立起与望 远镜系统方位角、俯仰角相关的高阶像差索引矩阵，在实际工作中根据望远镜的实际方位和 俯仰，快速查表索引矩阵直接将对应的高阶像差在成像光路中进行补偿，消除系统静态高阶 像差对远场成像的影响，提升系统远场成像分辨力。

附图说明

图1为本发明一种高分辨力成像望远镜中非共光路像差测量与补偿装置原理图；

图2高阶像差索引矩阵。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

如图1所示的一种高分辨力成像望远镜中非共光路像差测量与补偿装置，包括：望远镜 系统1、望远镜方位轴13、望远镜俯仰轴12、自适应光学系统14、引导镜2、快速倾斜镜3、 低阶波前校正器4、分光镜5、低阶波前传感器6、远场成像相机9和基准光源11、在远场 成像光路中加入由高阶波前校正器7、分光镜8和高阶波前传感器10组成的高阶像差补偿模 块15，用来测量和补偿望远镜系统1在不同俯仰角和不同方位情况下的高阶静态像差，提升 远场成像分辨力。

从目标发出的光入射到望远镜系统1，经过引导镜2进入自适应光学系统14中经快速倾 斜镜3、低阶波前校正器4，再通过分光镜5分成两束，一束进入低阶波前传感器6，然后通 过反馈控制快速倾斜镜3和低阶波前校正器4；另外一束经过高阶像差补偿模块15中的高阶 波前校正器7、分光镜8再次分束，一部分进入高阶波前传感器10用于高阶像差的测量，另 一部分进入远场成像相机9，高阶像差补偿模块15中，高阶波前传感器10测量到信号反馈 控制高阶波前校正器7；在进行测量和补偿过程之前，为保证高阶像差补偿模块15和远场成 像相机9测量数据一致，对高阶像差补偿模块15进行室内标定，将望远镜系统1替换为基 准光源11；远场成像相机9和高阶波前传感器10同步采集，保证时间统一性，由高阶波前 传感器10采集的图像数据计算远场图像数据和远场成像相机9采集的远场图像数据一致。

高阶像差补偿模块15在测量和补偿望远镜系统1在不同俯仰角和不同方位情况高阶静 态像差是指望远镜系统1在实际工作中绕望远镜系统1的方位轴13和俯仰轴12运动，运动 过程中望远镜系统1和自适应光学系统14的相对位置关系始终在发生变化，导致所有光学 镜面累加的高阶像差也随着望远镜系统1在不同方位和俯仰情况下不一致，需要建立高阶像 差随不同方位角和俯仰角的查表关系，望远镜系统1在方位角0°～360°范围内、俯仰角在 10°～90°范围内，每间隔10°要对恒星进行测量，对各种情况下的望远镜系统1静态像差的测 量时，需对恒星进行一般大于10秒钟时间的曝光或者多帧多帧累积时间也要求大于十秒钟 平均测量已克服大气湍流误差的影响，而得到望远镜系统1和自适应光学系统14组合的准 静态高阶像差与望远镜系统1的方位角和俯仰角的一一对应的索引矩阵。

索引矩阵格式如图2所示，矩阵中明确将256阶高阶像差Zernike系数与望远镜的方位 角和俯仰角进行一一对应，在系统工作时根据望远镜的实际方位角和俯仰角采用查表的方 式，提取高阶像差并控制成像光路中的高阶波前校正器进行准实时高阶像差的补偿，波前像 差由256阶Zernike像差线性叠加得到，波面计算公式由下式给出，式中各项的含义是波 前像差，a_j对应第j阶Zernike像差系数，Z_j第j阶Zernike像差：