一种大口径拼接望远镜的次镜装调方法

技术领域

本发明涉及大口径拼接光学望远镜系统的集成装调领域，具体涉及一种大口径拼接望远镜的次镜装调方法，基于远场成像光斑的像质评价函数采用优化算法实现拼接望远镜中的次镜位置装调。该方法适用于大口径拼接望远镜系统的集成调试。

背景技术

随着自适应光学、主动光学技术的发展，同时为了探测更遥远、更暗弱的目标，大口径望远镜成为未来发展的必然趋势。由于通光口径超过2米的整块镜面受到加工难度、加工周期和成本、检测方法、以及航天器对光学系统重量及体积的限制等因素的制约，难以满足使用需求，拼接镜面应运而生。目前国内外已有很多拼接镜面的成功应用案例，地基大口径拼接望远镜如国外的凯克望远镜(Keck I，Keck II)、甚大望远镜(Very LargeTelescope,VLT)、欧洲极大望远镜(European Extremely Large Telescope,E-ELT)等，天基大口径拼接光学望远镜如詹姆斯韦伯空间望远镜(James Webb Space Telescope,JWST)以及规划中的先进大口径空间望远镜(Advanced Technology Large-Aperture SpaceTelescope,ATLAST)、大型紫外/光学/红外勘测望远镜(Large Ultraviolet/Optical/Infrared Surveyor,LUVOIR)等。国内大口径拼接望远镜技术也迅速发展，最具有代表性的是郭守敬望远镜(Large Sky Area Multi-object Fiber Spectroscopic Telescope,LAMOST)。对于大口径拼接望远镜，尤其是天基系统，在振动、温度、空间环境等因素的影响下，光学镜面的位置会发生变化，降低系统的像质。为了达到预期的成像分辨率，需要对光学系统进行装调。大口径拼接望远镜的集成装调成为重要的、亟需解决的研究课题。目前，大口径拼接望远镜的装调，尤其是次镜装调，主要采用波前探测法、相位差法(PhaseDiversity,PD)、相位复原法(Phase Retrieval,PR)或激光干涉测量法等，需要在光学系统中加入测量元件，增加了系统的复杂性，且波前探测与重构增加了算法的复杂度。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种大口径拼接望远镜的次镜装调方法。该方法利用优化算法，直接以光学系统成像光斑的像质评价函数为指标，对控制变量进行优化，不需要在系统中加入新的光学元件，不需要测量波前，不需要进行波前重构，以最简洁的系统、最简单的算法实现次镜的闭环、高精度装调。此外，该方法为大口径拼接望远镜的整体系统装调提供了技术路线，以满足望远镜高分辨率的成像需求。本发明的显著特点是测量和校正系统简洁，算法简单，具有普适性，适用于同轴光学系统和离轴光学系统，也适用于天基大口径拼接系统和地基大口径拼接系统。

本发明采用的技术方案为：

一种大口径拼接望远镜的次镜装调方法包括以下步骤：

步骤(1)、根据拼接子镜远场成像光斑开展次镜初始寻焦；

步骤(2)、对拼接子镜进行粗调，获得各个子镜的远场光斑并编号；

步骤(3)、根据拼接子镜的成像光斑进行次镜位置粗调，判断粗调结果是否满足拼接镜共相调节的条件，若满足，则进入步骤(4)，否则重复步骤(2)到步骤(3)；

步骤(4)、拼接主镜共相调节；

步骤(5)、根据共相后远场成像光斑进行次镜位置精调，判断精调结果是否满足系统的最终像质要求，若满足则装调结束，否则重复步骤(4)到步骤(5)。

其中，所述的步骤(1)次镜初始寻焦采用相位差法、相位复原法、基于光斑像质评价函数的优化算法、步进法或波前探测法，对次镜沿光轴方向的偏心误差进行校正，以补偿离焦像差。

其中，所述的步骤(2)对拼接子镜进行粗调采用相位差法、相位复原法、基于光斑像质评价函数的优化算法、干涉法或夏克哈特曼波前探测法，对各个拼接子镜的倾斜误差、离焦误差和平移误差(piston)进行初始装调，实现拼接镜面的编号，在远场探测器上获得各个子镜的完全分离的成像光斑。

其中，所述的步骤(3)次镜位置粗调分两步实现，首先为初始位置装调，然后为整体装调，初始装调过程如下：

步骤3.1根据拼接子镜个数，在远场探测器上采集各个拼接子镜轴上视场的成像光斑，并计算光斑的像质评价函数；

步骤3.2以次镜沿光轴方向的偏心误差dz作为控制变量u，利用优化算法对控制变量u进行更新；

步骤3.3再次采集各个拼接子镜轴上视场的远场光斑，并计算像质评价函数；

步骤3.4判断是否满足终止条件，若满足，则进入下一步骤，即整体装调，否则重复步骤3.1到步骤3.4。

在初始位置装调完成后进行第二步即整体装调，装调过程如下：

步骤3.5根据拼接子镜个数，在远场探测器上采集各个拼接子镜轴上和多个轴外视场的成像光斑，并计算像质评价函数；

步骤3.6以次镜沿x、y、z轴的偏心误差(dx,dy,dz)和倾斜误差(tx,ty)作为控制变量u，利用优化算法对控制变量u进行更新；

步骤3.7再次采集各个拼接子镜轴上及轴外视场的远场光斑，并计算像质评价函数；

步骤3.8判断是否满足终止条件，若不满足，则重复步骤3.5到步骤3.8，若满足，则判断是否满足拼接镜的共相调节条件，若满足，则进行步骤(4)拼接主镜共相调节，否则重复步骤(2)到步骤(3)。

其中，所述的步骤(3)中，次镜位置粗调时，各个子镜的光斑是分离的，次镜的初始位置装调是以各个子镜轴上视场成像光斑像清晰度函数的均值作为像质评价函数，计算公式如下：

n为拼接子镜的个数，J为像质评价函数，J

次镜位置粗调的第二步骤整体装调是以各个拼接子镜在各个视场成像光斑像清晰度函数的加权平均值作为像质评价函数，计算公式如下：

m表示视场的编号，轴上视场对应的编号为0，J

其中，所述的步骤(4)中，拼接主镜共相调节条件设置光斑的像质评价函数为阈值或者设置光学系统的波像差为阈值。拼接主镜共相调节分两步实现，分别为粗共相和精共相。拼接主镜共相调节采用四棱锥波前传感器法、色散条纹法、迈克尔逊干涉法、相位差法、相位复原法、夏克哈特曼波前探测法、宽窄带法、朗奇光栅法或基于结构光反射法，通过对拼接子镜的平移误差(piston)进行检测和校正，使各个拼接子镜的成像在焦面处叠加为一个光斑。

其中，所述的步骤(5)中，次镜位置精调分两步实现，首先为初始位置装调，然后为整体装调。由于拼接子镜已完成共焦共相调节，各个子镜的光斑聚集叠加，在焦面探测器上仅看到一个成像光斑。次镜位置精调的第一步骤初始位置装调过程如下：

步骤5.1在远场探测器上采集光学系统轴上视场的成像光斑，并计算光斑的像质评价函数；

步骤5.2以次镜沿光轴方向的偏心误差dz作为控制变量u，利用优化算法对控制变量u进行更新；

步骤5.3再次采集光学系统轴上视场的远场光斑，并计算像质评价函数；

步骤5.4判断是否满足终止条件，若满足，则进入次镜位置精调的第二步，即整体装调，否则重复步骤5.1到步骤5.4。

次镜位置精调时，在初始位置装调完成后进行第二步即整体装调，装调过程如下：

步骤5.5在远场探测器上采集光学系统轴上和多个轴外视场的成像光斑，并计算像质评价函数；

步骤5.6以次镜沿x、y、z轴的偏心误差(dx,dy,dz)和倾斜误差(tx,ty)作为控制变量u，利用优化算法对控制变量u进行更新；

步骤5.7再次采集光学系统轴上及轴外视场的远场光斑，并计算像质评价函数；

步骤5.8判断是否满足终止条件，若不满足，则重复步骤5.5到步骤5.8，若满足，则判断是否满足光学系统的最终像质要求，若满足，则装调过程结束，否则重复步骤(4)到(5)。

其中，次镜位置精调的第一步骤初始位置装调是以光学系统轴上视场成像光斑的像清晰度函数作为像质评价函数。次镜位置精调的第二步骤整体装调是以各个视场成像光斑像清晰度函数的加权平均值作为像质评价函数，计算公式如下：

其中，J

其中，所述的步骤(1)到步骤(5)中，采用的优化算法包括遗传算法、模拟退火法、爬山法、随机并行梯度下降算法或人工神经网络算法。

其中，所述的步骤(3)和步骤(5)中，终止条件设置为光学系统像质评价函数的阈值，或设置为优化算法的最大迭代次数。

其中，所述的步骤(1)到步骤(5)中，光斑的像清晰度函数包括环围能量、斯特列尔比、光斑均方根半径，定义公式分别如下：

环围能量：S

斯特列尔比：

光斑均方根半径：

其中，R表示光斑半径尺寸，I(x，y)表示探测器坐标(x，y)处的实测光强，I(x

其中，所述的步骤(5)中，最终的像质要求可以是光斑的像质评价函数，或者波像差。

本发明的有益效果在于：

(1)通过优化算法，直接以光学系统成像光斑的像质评价函数为指标，对控制变量进行优化。该方法不需要在系统中加入新的光学元件，不需要测量波前与重构，以最简洁的系统、最简单的算法实现次镜的闭环、高精度装调，可以简化系统，降低算法的复杂度；

(2)该方法为实现大口径拼接望远镜的整体系统装调提供了技术路线，以满足望远镜高分辨率的成像需求；

(3)该方法具有普适性，适用于同轴系统和离轴系统，适用于天基大口径拼接望远镜和地基大口径拼接望远镜。

综上所述，本发明解决了大口径拼接望远镜的装调问题，尤其是次镜装调，为保证大口径拼接望远镜的成像质量提供了技术支撑。

附图说明

图1是一种大口径拼接望远镜的次镜装调方法的流程图；

图2是第一实施实例次镜整体装调时选取的视场分布；

图3是第一实施实例次镜位置粗调结果比较；

图4是第一实施实例次镜位置精调结果比较。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容。通过以下实施实例，本领域技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

实例一：

采用由12块拼接子镜组成的通光口径为4米的望远镜系统进行方法验证。拼接子镜粗调后，在远场探测器上采集各个拼接子镜的分离的成像光斑，开展次镜位置粗调。设置12块拼接子镜的piston误差为土0.1mm的随机数，倾斜误差为土2’的随机数，次镜的位置误差如表1所示。

表1

其中，dx，dy，dz表示次镜沿x，y，z轴的偏心误差，tx和ty为次镜绕x和y轴的倾斜误差，由于z轴为光轴，次镜绕z轴的倾斜误差对光学系统像质无影响，通常不考虑。

如图1所示，本发明所述的一种大口径拼接望远镜的次镜装调方法包括以下步骤：

步骤(1)、根据拼接子镜远场成像光斑开展次镜初始寻焦。在实例一中，采用了基于光斑像质评价的优化算法对次镜沿光轴方向的偏心误差进行校正，以补偿离焦像差，其中，优化算法采用了随机并行梯度下降算法。

步骤(2)、对拼接子镜进行粗调，获得各个子镜的远场光斑并编号。在实例一中，采用了相位复原算法对拼接子镜位置进行粗调。

步骤(3)、根据拼接子镜的成像光斑进行次镜位置粗调，判断粗调结果是否满足拼接镜共相调节的条件，若满足，则进入步骤(4)，否则重复步骤(2)到步骤(3)。次镜位置粗调分两步实现，首先为初始位置装调，然后为整体装调。初始装调过程如下：

步骤3.1根据拼接子镜个数，在远场探测器上采集各个拼接子镜轴上视场的成像光斑，并计算光斑的像质评价函数。在该步骤中，各个子镜的光斑是分离的，次镜的初始位置装调是以各个子镜轴上视场成像光斑像清晰度函数的均值作为像质评价函数，计算公式如下：

n为拼接子镜的个数，J为像质评价函数，J

光斑均方根半径：

其中，R表示光斑半径尺寸，I(x，y)表示探测器坐标(x，y)处的实测光强，I(x

步骤3.2以次镜沿光轴方向的偏心误差dz作为控制变量u，利用优化算法对控制变量u进行更新。在实例一中，优化算法采用随机并行梯度下降算法。

步骤3.3再次采集各个拼接子镜轴上视场的远场光斑，并计算像质评价函数。

步骤3.4判断是否满足终止条件，若满足，则进入下一步骤，即整体装调，否则重复步骤3.1到步骤3.4。在实例一中，终止条件设置为优化算法的最大迭代次数300次。

在初始位置装调完成后进行第二步即整体装调，装调过程如下：

步骤3.5根据拼接子镜个数，在远场探测器上采集各个拼接子镜轴上和多个轴外视场的成像光斑，并计算像质评价函数。在实例一中，共选取五个视场，包括轴上视场(0°,0°)和轴外视场(0°,1°)、(0°,-1°)、(1°,0°)、(-1°,0°)，选取的视场分布如图2所示。以各个拼接子镜在各个视场成像光斑均方根半径的加权平均值作为像质评价函数，计算公式如下：

m表示视场的编号，取值为m＝[0,1,2,3,4]，J

步骤3.6以次镜沿x、y、z轴的偏心误差(dx,dy,dz)和倾斜误差(tx,ty)作为控制变量u，利用优化算法对控制变量u进行更新。在实例一中，优化算法采用随机并行梯度下降算法。

步骤3.7再次采集各个拼接子镜轴上及轴外视场的远场光斑，并计算像质评价函数。

步骤3.8判断是否满足终止条件，若不满足，则重复步骤3.5到步骤3.8，若满足，则判断是否满足拼接镜的共相调节条件，若满足，则进行步骤(4)拼接主镜共相调节，否则重复步骤(2)到步骤(3)。在实例一中，终止条件设置为优化算法的最大迭代次数300次，拼接镜的共相调节条件设置为光斑的像质评价函数。

步骤(4)、拼接主镜共相调节。在实例一中采用色散条纹法对拼接主镜进行共相调节，通过对拼接子镜的平移误差(piston)进行检测和校正，使各个拼接子镜的成像在焦面处叠加为一个光斑。

步骤(5)、根据共相后远场成像光斑进行次镜位置精调，判断精调结果是否满足系统的最终像质要求，若满足则装调结束，否则重复步骤(4)到步骤(5)。次镜位置精调分两步实现，首先为初始位置装调，然后为整体装调。由于拼接子镜已完成共焦共相调节，各个子镜的光斑聚集叠加，在焦面探测器上仅看到一个成像光斑。次镜位置精调的第一步骤初始位置装调过程如下：

步骤5.1在远场探测器上采集光学系统轴上视场的成像光斑，并计算光斑的像质评价函数。在实例一中，像质评价函数采用光斑的均方根半径。

步骤5.2以次镜沿光轴方向的偏心误差dz作为控制变量u，利用优化算法对控制变量u进行更新。在实例一中，优化算法采用随机并行梯度下降算法。

步骤5.3再次采集光学系统轴上视场的远场光斑，并计算像质评价函数。

步骤5.4判断是否满足终止条件，若满足，则进入次镜位置精调的第二步，即整体装调，否则重复步骤5.1到步骤5.4。在实例一中，终止条件设置为优化算法的最大迭代次数200次。

次镜位置精调时，在初始位置装调完成后进行第二步即整体装调，装调过程如下：

步骤5.5在远场探测器上采集光学系统轴上和多个轴外视场的成像光斑，并计算像质评价函数。在实例一中，共选取五个视场，包括轴上视场(0°,0°)和轴外视场(0°,1°)、(0°,-1°)、(1°,0°)、(-1°,0°)，选取的视场分布如图2所示。以各个视场成像光斑像清晰度函数的加权平均值作为像质评价函数，计算公式如下：

其中，J

步骤5.6以次镜沿x、y、z轴的偏心误差(dx,dy,dz)和倾斜误差(tx,ty)作为控制变量u，利用优化算法对控制变量u进行更新；

步骤5.7再次采集光学系统轴上及轴外视场的远场光斑，并计算像质评价函数；

步骤5.8判断是否满足终止条件，若不满足，则重复步骤5.5到步骤5.8，若满足，则判断是否满足光学系统的最终像质要求，若满足，则装调过程结束，否则重复步骤(4)到(5)。在实例一中，终止条件设置为优化算法的最大迭代次数200次，光学系统的最终像质要求设置为光斑的像质评价函数。

次镜位置粗调校正结果如图3所示。图3比较了当光学系统中只存在拼接子镜位置误差时、存在拼接子镜位置误差和次镜位置误差时、次镜位置粗调后各个拼接子镜在轴上视场(0°,0°)和轴外视场(0°,1°)的成像质量，以及根据每个子镜在各个视场成像光斑像质评价函数的均值得到的整体校正结果。由图3可知，经次镜位置粗调后，校正结果与只存在拼接子镜位置误差时一致，说明该方法可以准确地对拼接光学系统中的次镜位置进行装调。在满足共相条件后，对拼接子镜的共相误差进行粗调和精调，使各个拼接子镜的成像光斑叠加在一起，且清晰成像。由于对主镜各拼接子镜位置进行了调整，改变了主次镜的相对位置关系，为保证光学系统的高分辨率成像，还需要对次镜位置进行精调。

在精调过程中，以各个视场光斑均方根半径的加权平均值作为指标进行次镜位置装调，结果如图4所示。图中统计了设计状态(即不存在主镜拼接误差及次镜位置误差时)和次镜位置精调后拼接子镜在各个视场成像光斑像质评价函数的均值以及共相后光学系统的整体像质。由结果可知，经次镜位置精调后，各个拼接子镜的成像质量与设计状态相符，且光学系统的整体像质也与设计状态相符，说明光学系统装调效果较好，可以满足系统高分辨率成像的使用需求。

本发明未详细阐述的部分属于本领域的公知技术。

以上所述仅为本发明的一个实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。