CN111595559B - 一种非连续镜面望远镜的一阶波前误差测量*** - Google Patents

一种非连续镜面望远镜的一阶波前误差测量*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种非连续镜面望远镜的一阶波前误差测量***，包括掩模、电控旋转滤光轮、偏振光栅、衍射元件、微位移促动器、第一透镜、空间滤波器、第二透镜、像素移位偏振测量装置和数据采集处理计算机，数据采集处理计算机分别与电控旋转滤光轮、微位移促动器和像素移位偏振测量装置连接；像素移位偏振测量装置包括顺次设置的光电探测器阵列、微偏振器阵列和透镜阵列；像素移位偏振测量装置将采集的光强信号发送至数据采集处理计算机，数据采集处理计算机处理后得到两块非连续镜面之间的一阶波前误差。本发明利用滤光轮自动更换滤光片实现多波长测量，可同时实现对拼接子镜或稀疏子镜阵列间的一阶波前误差大测量范围和高测量精度的动态测量。

Description

一种非连续镜面望远镜的一阶波前误差测量***
技术领域
本发明涉及光学检测技术领域，特别是涉及一种非连续镜面望远镜的一阶波前误差测量***。
背景技术
随着现代天文技术的飞速发展，天文学家将观测的范围延伸到了宇宙的更深处，观测的目标也越来越暗弱，接近目前已有的望远镜的分辨率极限。为了提高观测的分辨率和对比度，需要制造更加有力的可见/红外天文望远镜，这就需要更大口径的望远镜。然而，受到镜坯制造、光学加工，结构设计，运输装调、技术风险、研制成本等一系列现实因素的制约，单块主镜望远镜口径的研制能力目前在8m级，这就与天文观测需要更大口径的望远镜的诉求产生矛盾。为了解决这一矛盾，人们提出了拼接镜面技术和稀疏孔径技术，这两种技术都是用非连续镜面产生跟单镜相同或相近的光学性能。
在拼接镜技术中拼接子镜的形状各式各样，典型的有六边形和扇形，基于六边形拼接子镜的望远镜有凯克望远镜(Keck I、II)、三十米望远镜(TMT)、欧洲甚大望远镜(E-ELT)、南非大望远镜(SALT)、霍比-埃伯利望远镜(HET)、詹姆斯韦伯望远镜(JWST)、大天区面积多目标光纤光谱望远镜(LAMOST)等。基于扇形拼接子镜的望远镜有京都大学3.8m新技术望远镜“Seimei”等。稀疏孔径望远镜的代表有巨型麦哲伦望远镜(GMT)等。通过子镜拼接和稀疏孔径技术解决了可见/红外望远镜镜面不能一直增大的难题，但是随之而来的又会引入新的问题，那就是拼接镜面和稀疏孔径的共焦共相的问题。
为了达到跟同口径单一镜面相同或接近的光学性能需要拼接子镜或稀疏子镜之间保持共焦、共相。共焦是使拼接子镜或稀疏子镜在焦面上的像点堆叠在一起形成一个最小的小亮斑，而共相则需要拼接子镜或稀疏子镜镜面之间的相位一致，在像面产生锐利的光斑，达到或接近与同口径单一镜面相同或接近的光学性能。
拼接子镜或稀疏子镜通过共焦共相技术校准之后子镜反射面相位保持一致，通过主动光学技术实现共焦共相保持。主动光学技术通过位于拼接子镜边缘的位移传感器实时监测拼接子镜之间的空间相对位姿，然后由主动光学控制***计算出位于每块子镜下方的位移促动器的补偿量，通过位移补偿将拼接子镜或稀疏子镜重新调整到共焦、共相状态，直到下一次进行共焦、共相光学测量校准。
拼接子镜或稀疏子镜的共焦检测通过Shack-Hartmann波前检测技术实现，Shack-Hartmann波前检测技术对波前倾斜比较敏感，可以准确测量倾斜波前误差，配合主动光学技术容易实现共焦调整。经过共焦调整之后，拼接子镜或稀疏子镜之间会有一定的piston误差和残余极小的tip/tilt误差。传统Shack-Hartmann波前检测技术对piston误差不敏感，无法测量。piston误差的测量方法主要有色散条纹技术、波前曲率技术、金字塔传感器技术、相位差和相位恢复技术、Shack-Hartmann窄带、宽带技术等。piston误差和tip/tilt误差统称为一阶波前误差。
相位差和相位恢复技术都需要大量的迭代运算、且易受到大气扰动的影响，只适用于无大气扰动的空间望远镜，相位测量范围小，为±λ/2。曲率传感技术通过使用焦平面前后与焦平面等距的共轭面上的光强分布重建波前和相位测量，但是本质上是改进的相位差技术，因此同样相位测量范围小，无法同时获得高的空间分辨率和相位分辨率。色散条纹传感器利用复色光的夫琅禾费双孔衍射色散，piston误差对不同波长的衍射光斑能量极大值位移进行调制，色散元件如棱栅的色散作用使衍射图沿着色散方向散布，通过对条纹处理计算出piston误差。Shack-Hartmann宽带法测量范围大但是精度较低，Shack-Hartmann窄带法测量精度较高但是测量范围小，为±λ/2。以上技术均难以同时实现大测量范围、高测量精度。
现有的拼接镜共焦、共相检测技术中，Tip/tilt误差的测量主要是Shack-Hartmann波前测量技术，Shack-Hartmann波前测量技术的技术原理是通过微透镜阵列在像面上求质心运算计算波前斜率，由于微透镜阵列的安装误差和测量噪声等因素的影响会导致残余极小的tip/tilt误差无法测量。
发明内容
基于此，有必要针对现有的拼接镜共焦、共相检测技术无法实现对一阶波前误差中piston误差的大测量范围、高精度测量以及对tip/tilt误差无法准确测量的问题，提供一种非连续镜面望远镜的一阶波前误差测量***，可以实现一阶波前误差的大范围测量和高精度测量。
为解决上述问题，本发明采取以下技术方案：
一种非连续镜面望远镜的一阶波前误差测量***，该***包括掩模、电控旋转滤光轮、偏振光栅、衍射元件、微位移促动器、第一透镜、空间滤波器、第二透镜、像素移位偏振测量装置和数据采集处理计算机；
所述掩模、所述电控旋转滤光轮、所述偏振光栅、所述衍射元件、所述第一透镜、所述空间滤波器、所述第二透镜和所述像素移位偏振测量装置依次共轴设置，所述微位移促动器设置在所述衍射元件上，所述数据采集处理计算机分别与所述电控旋转滤光轮、所述微位移促动器和所述像素移位偏振测量装置连接；
非连续镜面望远镜的光学***的出射光入射至一阶波前误差测量***的像面的共轭面，位于所述共轭面上的所述掩模对不同子镜区域的反射光线进行等圆域采样，经过所述掩模采样后的两束光穿过所述电控旋转滤光轮上的滤光片变成单色光，两束单色光穿过所述偏振光栅，所述偏振光栅根据单色光的偏振状态进行选择性分光，形成+1级衍射光和-1级衍射光，+1级衍射光为左旋圆偏振光，-1级衍射光为右旋圆偏振光，所述衍射元件在所述数据采集处理计算机的控制下移动至+1级衍射光和-1级衍射光的重叠区域并对+1级衍射光和-1级衍射光合束，合束后的光依次经过所述第一透镜、所述空间滤波器和所述第二透镜后形成准直光束，所述准直光束进入所述像素移位偏振测量装置；
所述像素移位偏振测量装置包括顺次设置的光电探测器阵列、微偏振器阵列和透镜阵列，所述微偏振器阵列包括若干个偏振器单元，每一个所述偏振器单元分别与所述光电探测器阵列的一个像素单元和所述透镜阵列中的一个透镜单元对应，所述偏振器单元包括四个偏振角不同的线栅偏振片；
所述像素移位偏振测量装置利用所述光电探测器阵列采集四个所述线栅偏振片分类像素记录的光强信号，并将光强信号发送至所述数据采集处理计算机，所述数据采集处理计算机根据光强信号处理得到四幅相移干涉图，通过对四幅相移干涉图进行相位解缠处理得到两块非连续镜面之间的一阶波前误差。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)相比于基于单色光的一阶波前误差测量技术，本发明利用滤光轮自动更换滤光片实现多波长测量，有效解决了基于单色光的一阶波前误差测量技术无法解决的2π模糊的技术难题，可获得更大的测量范围；
(2)望远镜在跟踪目标时俯仰轴和方位轴转动会造成非连续镜面***的振动和共焦共相测量***的振动，而且受到作用在望远镜结构上的时序变化风压扰动等因素的影响也会造成测量***的振动，这对于精密测量来说极其不利，现有技术从原理上均无法避免结构振动所造成的影响。特别是基于Shack-Hartmann测试的相关技术需要微透镜在像面的共轭面上的采样圆精确横跨拼接镜的边缝，否则会造成远场衍射图样的变化引入测量误差。金字塔波前传感技术的关键元件四棱锥的制造精度要求极其苛刻，且测试时对于切割波前的四棱锥的锥尖位置要求也比较严苛。基于微透镜元件和四棱锥传感器的拼接镜共相误差探测技术在大规模拼接镜面***共相测量中的应用缺点越来越明显。本发明利用偏振光测量和像素移位技术，利用集成的透镜阵列、微偏振器阵列和高分辨率的光电探测器阵列，可同时获得四幅相移干涉图，通过数据采集处理计算机解算可获得瞬态测量波前，该方法可有效抑制环境振动带来的不利影响；
(3)本发明采样位置在拼接子镜或稀疏子镜的像面共轭面上对应区域，无需使采样子孔径精确横跨在拼接镜的拼缝上，减小了测试***安装允差，更易安装调试和维护。
(4)本发明测试对象对非连续镜面的组成形式无特殊要求，待测目标可以是六边形或扇形等拼接子镜形式的拼接镜面或者是稀疏孔径镜面；
(5)相比于目前的最先进的测量技术，本发明所使用的器件形状尺寸较小，空间利用率更高，节约宝贵的望远镜成像端空间；
(6)本发明所使用的核心元件尺寸较小，易做成集成检测***；
(7)与目前现有其他技术普遍只能同时测量两个相邻的拼接子镜或稀疏子镜间的piston、tip、tilt误差相比，本发明可同时测量多个拼接子镜或稀疏子镜阵列间的piston、tip、tilt误差，大大提高了测量效率；
(8)本发明所使用的核心元件均为成熟的商品元件，互换性好，易更换和维护；
(9)本发明可同时实现对拼接子镜或稀疏子镜阵列间的piston、tip、tilt误差大测量范围和高测量精度的动态测量，这是目前其他测量技术所不具备的。
附图说明
图1为本发明一个实施例中非连续镜面望远镜的一阶波前误差测量***的结构示意图；
图2为电控旋转滤光轮的结构示意图；
图3为像素移位偏振测量装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明所提供的非连续镜面望远镜的一阶波前误差(piston_tip_tilt)测量***，针对现有技术中无法对拼接子镜或稀疏子镜间的piston误差实现大测量范围、高测量精度的缺点，利用多色光测量技术和像素移位技术分别抑制单色光测量技术中的2π模糊的影响实现大的测量范围和实现高精度的干涉测量波前并以此实现高的测量精度，且该方法弥补了传统Shack-Hartmann技术中对及其微小的tip/tilt误差无法检测，产生残余tip/tilt误差的测量盲区，本发明可作为利用Shack-Hartmann技术进行tip/tilt误差测量的补充技术。本发明适用于非连续镜面可见/红外望远镜领域中，扇形、六边形等拼接子镜形式的拼接镜面和稀疏孔径等非连续镜面的一阶波前误差测量。下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
图1为本发明一个实施例中非连续镜面望远镜的一阶波前误差测量***的结构示意图。如图1所示，本发明提供一种非连续镜面望远镜的一阶波前误差测量***，该***包括掩模2、电控旋转滤光轮3、偏振光栅4、衍射元件5、微位移促动器6、第一透镜7、空间滤波器8、第二透镜9、像素移位偏振测量装置10和数据采集处理计算机11，掩模2、电控旋转滤光轮3、偏振光栅4、衍射元件5、第一透镜7、空间滤波器8、第二透镜9和像素移位偏振测量装置10依次共轴设置，微位移促动器6设置在衍射元件5上，例如设置在衍射元件5的背面，用以调整衍射元件5在光轴上的位置，数据采集处理计算机11分别与电控旋转滤光轮3、微位移促动器6和像素移位偏振测量装置10连接。
非连续镜面望远镜在进行共焦、共相检测时首先观测一颗亮星，来自亮星的星光入射到望远镜非连续镜面主镜反射镜面1上，反射光线依次经过望远镜的光学***中的各光学元件后到达本发明的一阶波前误差测量***的像面的共轭面上。本发明所提出的非连续镜面望远镜的一阶波前误差测量***适用于拼接镜面望远镜或稀疏孔径望远镜。
非连续镜面望远镜的光学***的出射光入射至一阶波前误差测量***的像面的共轭面，位于共轭面上的掩模2对不同子镜区域的反射光线进行等圆域采样，由于采用位于像面共轭面上的掩模2在非连续镜面内采样的技术，拓展了采样要求，减小了元件对准的误差要求。经过掩模2采样后的两束光穿过电控旋转滤光轮3上的长波滤光片变成单色光，两束单色光穿过偏振光栅4，偏振光栅4根据单色光的偏振状态进行选择性分光，形成+1级衍射光和-1级衍射光，+1级衍射光为左旋圆偏振光，-1级衍射光为右旋圆偏振光。偏振光栅4可以基于入射光的偏振状态实现选择性分光，衍射角度取决于光栅线数，通过控制入射光的偏振态，偏振光栅能够调控正负一阶之间的能量分布，当入射光束偏振状态不同时，偏振光栅4具有不同的衍射特性。当入射光为非偏振光或者线偏振光时，偏振光栅4有正负一级衍射光，+1级衍射光为左旋圆偏振光，-1级衍射光为右旋圆偏振光。来自两块拼接镜I和拼接镜II的反射非偏振光通过电控旋转滤光轮3后入射到偏振光栅4上，偏振光栅4将两束非偏振光分别分为+1级衍射光和-1级衍射光，+1级衍射光为左旋圆偏振光，1级衍射光为右旋圆偏振光。如图2所示为电控旋转滤光轮3的结构示意图，电控旋转滤光轮3上安装有与偏振光栅4工作波长范围匹配的不同波长的滤光片，可选地，本实施例中的偏振光栅4的波长范围为450～650nm。图2仅以电控旋转滤光轮3包括四个圆周均布且波长范围不同的滤光片为例进行说明，图中箭头方向代表电控旋转滤光轮的转动方向，四个滤光片的波长范围与偏振光栅4的工作波长范围相匹配，在实际测量过程中，电控旋转滤光轮3上安装的滤光片的数量以及滤光片的波长可根据实际需要进行选择，在此不做限定。
拼接镜I的-1级衍射光(右旋圆偏振光)和拼接镜II的+1级衍射光(左旋圆偏振光)在合适的位置发生重叠，衍射元件5上装配有微位移促动器6，以实现衍射元件5沿着光轴方向的移动，从而保证衍射元件5始终位于-1级衍射光和+1级衍射光的重叠区域内，衍射元件5在数据采集处理计算机11的控制下移动至+1级衍射光和-1级衍射光的重叠区域并对+1级衍射光和-1级衍射光合束，合束后的光经过第一透镜7后产生汇聚光，汇聚光经过空间滤波器8后到达第二透镜9，第二透镜9将发散光变成准直光束，准直光束进入像素移位偏振测量装置10。第一透镜7、空间滤波器8、第二透镜9组成光束调整及滤波装置，该光束调整及滤波装置用于对经过衍射元件5合束后的光进行光束大小调整和滤波，以保证最终的测量精度。
如图3所示，像素移位偏振测量装置10包括顺次设置的光电探测器阵列10-1、微偏振器阵列10-2和透镜阵列10-3，微偏振器阵列10-2包括若干个偏振器单元，每一个偏振器单元分别与光电探测器阵列10-1的一个像素单元和透镜阵列10-3中的一个透镜单元对应，偏振器单元包括四个偏振角不同的线栅偏振片。具体地，图3(a)为像素移位偏振测量装置10的侧视图，光电探测器阵列10-1、微偏振器阵列10-2和透镜阵列10-3从底层至顶层顺次设置；图3(b)为微偏振器阵列10-2的俯视图，微偏振器阵列10-2包括若干个偏振器单元，并且每一个偏振器单元分别与光电探测器阵列10-1中的一个像素单元和透镜阵列10-3中的一个透镜单元对应；图3(c)为偏振单元的示意图，每一个偏振单元则包括四个偏振角不同的线栅偏振片，可选地，四个线栅偏振片的偏振角分别为0°、45°、90°和135°，图3(c)仅以四个线栅偏振片按照逆时针方向从右下角开始偏振角依次为0°、45°、90°、135°的方式分布为例对偏振单元进行说明，本发明对四个线栅偏振片的分布方式不做限定。仍参照图3(a)，0°偏振光入射至偏振角为0°的线栅偏振片后，进入光电探测器阵列10-1对应的像素单元，而0°偏振光入射至偏振角为90°的线栅偏振片后，被反射而无法进入光电探测器阵列10-1，因此合束的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过透镜阵列10-3和微偏振器阵列10-2后入射至光电探测器阵列10-1，该阵列的二维点阵孔对应探测器像素点位。每个线栅偏振片可以有不同单位像素的旋转量，选择两参考臂的不同相位差，也可以形成单位像素的不同相移，通过这种方式，四帧高分辨率瞬态干涉图可以通过沿着0°、45°、90°和135°的检偏器旋转方向分类像素而记录下来，即像素移位偏振测量装置10利用光电探测器阵列10-1采集四个线栅偏振片分类像素记录的光强信号(即干涉条纹)，并将光强信号发送至数据采集处理计算机11，然后数据采集处理计算机11将偏振角分别为0°、45°、90°和135°的线栅偏振片分类像素记录的光强信号通过处理得到四幅相移干涉图，通过对四幅相移干涉图进行相位解缠处理可以获得两块非连续镜面之间高精度的一阶波前误差，即得到高精度的piston、tip、tilt信息，两块非连续镜面可以为两块相邻的镜面，也可以为两块不相邻的镜面。结合如图3所示的电控旋转滤光轮3的多个滤光片可以产生的不同波长的光线，数据采集处理计算机11控制电控旋转滤光轮3转动，切换滤光片，从而实现多色光的切换，实现多色光的一阶波前误差测量，能够有效避免现有的单色光piston误差检测中普遍存在的2π模糊效应的影响，大大提高piston误差的测量范围。
本发明提出的一种非连续镜面望远镜的一阶波前误差测量***利用偏振光干涉测量的原理，利用像素移位偏振测量装置同时产生4幅干涉图，实现高精度瞬态波前测量，避免了震动的影响，利用四幅相位差为45°的偏振光干涉图计算出波前，精度远高于Shack-Hartamnn波前测量技术，本发明可以作为Shack-Hartmann波前测量技术测量盲区的及其有效的补充，非常适用于经过Shack-Hartmann波前测量共焦初步调整后的残余部分拼接镜子镜或稀疏子镜间tip/tilt误差的测量；同时，本发明利用电控旋转滤光轮实现多色光的切换，实现多色光测量，能够有效避免现有的单色光piston误差检测中普遍存在的2π模糊效应的影响，大大提高piston误差的测量范围。
为进一步提高一阶波前误差的测量效率和测量精度，数据采集处理计算机11首先控制电控旋转滤光轮3旋转到波长较长的滤光片，然后像素移位偏振测量装置利用光电探测器阵列10-1采集四个线栅偏振片分类像素记录的光强信号，并将光强信号发送至数据采集处理计算机11，数据采集处理计算机11根据光强信号处理得到四幅相移干涉图，通过对四幅相移干涉图进行相位解缠处理得到两块非连续镜面之间的初步的一阶波前误差，然后数据采集处理计算机根据初步的一阶波前误差确定对应的预设误差范围，该预设误差范围为根据非连续镜面望远镜的类型、滤光片的波长、偏振光栅的波长等参数得到的一阶波前误差经验值，然后数据采集处理计算机11根据预设误差范围控制电控旋转滤光轮3转动，将当前的长波滤光片替换为预设误差范围对应的短波滤光片，像素移位偏振测量装置10重新采集光强信号并将重新采集的光强信号发送至数据采集处理计算机11，数据采集处理计算机11根据光强信号处理得到四幅相移干涉图，通过对四幅相移干涉图进行相位解缠处理得到两块非连续镜面之间高精度的一阶波前误差。本实施方式通过先将电控旋转滤光轮3旋转到波长较长的滤光片，数据采集处理计算机11计算得到初步的一阶波前误差，再根据初步的一阶波前误差控制电控旋转滤光轮转动，将长波滤光片切换至短波滤光片，最终得到两块非连续镜面之间高精度的一阶波前误差，极大地提高了一阶波前误差测量的效率。当利用多色光测量技术剔除掉2π模糊效应后，将残余一个波长之内的piston误差，此时，转动电控旋转滤光轮由长波长滤光片切换至短波长滤光片，最后实现最短滤光波长测量下的干涉波前测量，实现高测量精度。仿真结果表明本发明所提出的非连续镜面望远镜的一阶波前误差测量***实用有效。
可选地，微位移促动器6为压电陶瓷(PZT)微位移促动器，具有微位移分辨率高、稳定性强以及能够承受一定拉力的特点。
可选地，光电探测器阵列10-1为CCD传感器或CMOS传感器。
可选地，像素移位偏振测量装置10可以采用Sony公司的IMX250MZR传感器实现。
本发明具有以下有益效果：
(1)相比于基于单色光的一阶波前误差测量技术，本发明利用滤光轮自动更换滤光片实现多波长测量，有效解决了基于单色光的一阶波前误差测量技术无法解决的2π模糊的技术难题，可获得更大的测量范围；
(2)望远镜在跟踪目标时俯仰轴和方位轴转动会造成非连续镜面***的振动和共焦共相测量***的振动，而且受到作用在望远镜结构上的时序变化风压扰动等因素的影响也会造成测量***的振动，这对于精密测量来说极其不利，现有技术从原理上均无法避免结构振动所造成的影响。特别是基于Shack-Hartmann测试的相关技术需要微透镜在像面的共轭面上的采样圆精确横跨拼接镜的边缝，否则会造成远场衍射图样的变化引入测量误差。金字塔波前传感技术的关键元件四棱锥的制造精度要求极其苛刻，且测试时对于切割波前的四棱锥的锥尖位置要求也比较严苛。基于微透镜元件和四棱锥传感器的拼接镜共相误差探测技术在大规模拼接镜面***共相测量中的应用缺点越来越明显。本发明利用偏振光测量和像素移位技术，利用集成的透镜阵列、微偏振器阵列和高分辨率的光电探测器阵列，可同时获得四幅相移干涉图，通过数据采集处理计算机解算可获得瞬态测量波前，该方法可有效抑制环境振动带来的不利影响；
(3)本发明采样位置在拼接子镜或稀疏子镜的像面共轭面上对应区域，无需使采样子孔径精确横跨在拼接镜的拼缝上，减小了测试***安装允差，更易安装调试和维护。
(4)本发明测试对象对非连续镜面的组成形式无特殊要求，待测目标可以是六边形或扇形等拼接子镜形式的拼接镜面或者是稀疏孔径镜面；
(5)相比于目前的最先进的测量技术，本发明所使用的器件形状尺寸较小，空间利用率更高，节约宝贵的望远镜成像端空间；
(6)本发明所使用的核心元件尺寸较小，易做成集成检测***；
(7)与目前现有其他技术普遍只能同时测量两个相邻的拼接子镜或稀疏子镜间的piston、tip、tilt误差相比，本发明可同时测量多个拼接子镜或稀疏子镜阵列间的piston、tip、tilt误差，大大提高了测量效率；
(8)本发明所使用的核心元件均为成熟的商品元件，互换性好，易更换和维护；
(9)本发明可同时实现对拼接子镜或稀疏子镜阵列间的piston、tip、tilt误差大测量范围和高测量精度的动态测量，这是目前其他测量技术所不具备的。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种非连续镜面望远镜的一阶波前误差测量***，其特征在于，包括掩模(2)、电控旋转滤光轮(3)、偏振光栅(4)、衍射元件(5)、微位移促动器(6)、第一透镜(7)、空间滤波器(8)、第二透镜(9)、像素移位偏振测量装置(10)和数据采集处理计算机(11)；
所述掩模(2)、所述电控旋转滤光轮(3)、所述偏振光栅(4)、所述衍射元件(5)、所述第一透镜(7)、所述空间滤波器(8)、所述第二透镜(9)和所述像素移位偏振测量装置(10)依次共轴设置，所述微位移促动器(6)设置在所述衍射元件(5)上，所述数据采集处理计算机(11)分别与所述电控旋转滤光轮(3)、所述微位移促动器(6)和所述像素移位偏振测量装置(10)连接；
非连续镜面望远镜的光学***的出射光入射至一阶波前误差测量***的像面的共轭面，位于所述共轭面上的所述掩模(2)对不同子镜区域的反射光线进行等圆域采样，经过所述掩模(2)采样后的两束光穿过所述电控旋转滤光轮(3)上的滤光片变成单色光，两束单色光穿过所述偏振光栅(4)，所述偏振光栅(4)根据单色光的偏振状态进行选择性分光，形成+1级衍射光和-1级衍射光，+1级衍射光为左旋圆偏振光，-1级衍射光为右旋圆偏振光，所述衍射元件(5)在所述数据采集处理计算机(11)的控制下移动至+1级衍射光和-1级衍射光的重叠区域并对+1级衍射光和-1级衍射光合束，合束后的光依次经过所述第一透镜(7)、所述空间滤波器(8)和所述第二透镜(9)后形成准直光束，所述准直光束进入所述像素移位偏振测量装置(10)；
所述像素移位偏振测量装置(10)包括顺次设置的光电探测器阵列(10-1)、微偏振器阵列(10-2)和透镜阵列(10-3)，所述微偏振器阵列(10-2)包括若干个偏振器单元，每一个所述偏振器单元分别与所述光电探测器阵列(10-1)的一个像素单元和所述透镜阵列(10-3)中的一个透镜单元对应，所述偏振器单元包括四个偏振角不同的线栅偏振片；
所述像素移位偏振测量装置(10)利用所述光电探测器阵列(10-1)采集四个所述线栅偏振片分类像素记录的光强信号，并将光强信号发送至所述数据采集处理计算机(11)，所述数据采集处理计算机(11)根据光强信号处理得到四幅相移干涉图，通过对四幅相移干涉图进行相位解缠处理得到两块非连续镜面之间的一阶波前误差。
2.根据权利要求1所述的非连续镜面望远镜的一阶波前误差测量***，其特征在于，
四个所述线栅偏振片的偏振角分别为0°、45°、90°和135°。
3.根据权利要求1或2所述的非连续镜面望远镜的一阶波前误差测量***，其特征在于，
所述数据采集处理计算机(11)根据所述一阶波前误差确定对应的预设误差范围，并根据所述预设误差范围控制所述电控旋转滤光轮(3)转动，将当前的滤光片替换为所述预设误差范围对应的滤光片，所述像素移位偏振测量装置(10)重新采集光强信号并将重新采集的光强信号发送至所述数据采集处理计算机(11)，所述数据采集处理计算机(11)根据光强信号处理得到四幅相移干涉图，通过对四幅相移干涉图进行相位解缠处理得到两块非连续镜面之间的高精度一阶波前误差。
4.根据权利要求1或2所述的非连续镜面望远镜的一阶波前误差测量***，其特征在于，
所述非连续镜面望远镜为拼接镜面望远镜或者稀疏孔径望远镜。
5.根据权利要求1或2所述的非连续镜面望远镜的一阶波前误差测量***，其特征在于，
所述微位移促动器(6)为压电陶瓷微位移促动器。
6.根据权利要求1或2所述的非连续镜面望远镜的一阶波前误差测量***，其特征在于，
所述电控旋转滤光轮(3)包括四个圆周均布且波长范围不同的滤光片，四个所述滤光片的波长范围与所述偏振光栅(4)的工作波长范围相匹配。
7.根据权利要求1或2所述的非连续镜面望远镜的一阶波前误差测量***，其特征在于，
所述偏振光栅(4)的波长范围为450～650nm。
8.根据权利要求1或2所述的非连续镜面望远镜的一阶波前误差测量***，其特征在于，
所述光电探测器阵列(10-1)为CCD传感器或CMOS传感器。
9.根据权利要求1或2所述的非连续镜面望远镜的一阶波前误差测量***，其特征在于，
所述像素移位偏振测量装置(10)采用IMX250MZR传感器。
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