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CN116699826A - 一种变光瞳的大视场望远镜变形镜面型控制方法 - Google Patents

一种变光瞳的大视场望远镜变形镜面型控制方法 Download PDF

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CN116699826A
CN116699826A CN202310676381.4A CN202310676381A CN116699826A CN 116699826 A CN116699826 A CN 116699826A CN 202310676381 A CN202310676381 A CN 202310676381A CN 116699826 A CN116699826 A CN 116699826A
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CN
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matrix
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CN202310676381.4A
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李敏
张昂
张俊波
周虹
鲜浩
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Institute of Optics and Electronics of CAS
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Institute of Optics and Electronics of CAS
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Abstract

本发明是一种变光瞳的大视场望远镜变形镜面型控制方法，包括：(1)根据变形镜促动器排布，确定促动器排布矩阵M；(2)测量系统中变形镜对应的轴上视场光学传递函数矩阵W；(3)根据视场坐标Φ调用该视场的光瞳形态矩阵PΦ；(4)筛选该视场下变形镜的有效促动器MΦ＝M×PΦ；(5)根据有效促动器计算变形镜在该视场的有效传递函数WΦ＝W×MΦ；(6)根据输入的变形镜面型ΨΦ计算各个促动器的电压值，生成控制电压向量(7)对边缘促动器进行限压，计算最终控制电压向量V'Φ＝VΦ×F；(8)输出电压向量并加载至变形镜，完成变形镜的闭环控制。

Description

一种变光瞳的大视场望远镜变形镜面型控制方法
技术领域
本发明涉及望远镜系统的像差校正领域，具体涉及一种变光瞳的大视场望远镜变形镜面型控制方法。该方法适用于大视场望远镜光学系统的高精度变形镜面型控制。
背景技术
为了探测更远、更暗的目标，要求望远镜口径和视场不断增大，分辨率不断提高。为了同时兼顾大视场、大口径、高分辨率，通常需要采用变形镜对像差进行校正。但对于大视场望远镜，尤其是同轴系统，中心存在遮拦，此外，其他光学元件及机械结构也将对系统产生遮拦，从而导致不同视场对应的光瞳形态不同。如果采用传统的基于变形镜轴上视场传递函数来计算轴外视场变形镜电压值时，由于有效促动器不匹配，会导致像差校正效果差，无法满足高分辨率的需求。目前，变形镜多用于小视场系统，因此对于大视场光学系统中怎样精确计算变形镜的控制电压研究还较少，常用的方法是在系统中测量变形镜在不同视场下的传递函数，但这种方法增加了校正过程的复杂度。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种变光瞳的大视场望远镜变形镜面型控制方法。该方法只需要测量系统轴上视场的传递函数，对于轴外视场，通过光瞳函数计算其有效传函，并通过限压的方式平滑波面。该方法不需要测量变形镜在轴上及多个轴外视场的光学传递函数，简化了校正过程，可以有效地提高轴外视场像差的校正效率和精度。本发明的显著特点是校正过程简单，方法简便易行，适用范围广，不仅适用于反射系统，也适用于折反射系统；不仅适用于同轴系统，也适用于离轴系统；不仅适用于地基望远镜，也适用于天基望远镜；不仅适用于望远镜系统，也适用于其他包含变形镜的自适应光学系统。
本发明采用的技术方案为：一种变光瞳的大视场望远镜变形镜面型控制方法，包括以下步骤：
步骤(1)、确定变形镜促动器的排布矩阵M；
步骤(2)、测量变形镜轴上视场的传递函数矩阵W；
步骤(3)、根据视场Φ调用该视场对应的光瞳形态矩阵PΦ；
步骤(4)、筛选该视场变形镜的有效促动器MΦ＝M×PΦ；
步骤(5)、根据有效促动器生成该视场的变形镜传递函数WΦ＝W×MΦ；
步骤(6)、根据输入的变形镜面型ΨΦ计算各个促动器电压
步骤(7)、对边缘促动器进行限压V'Φ＝VΦ×F；
步骤(8)、输出电压向量V'Φ，并加载至变形镜。
进一步地，所述步骤(1)中，确定变形镜促动器的排布矩阵M，既可以根据变形镜设计方案来确定各个促动器的排布，生成排布矩阵M，也可以通过自准直干涉测量的方法实测促动器排布，根据各个促动器影响函数的质心位置生成排布矩阵M。
进一步地，所述步骤(2)中，测量变形镜轴上视场的传递函数矩阵W，既可以采用自准直干涉法进行测量，也可以采用Shack-Hartmann探测器进行测量。
进一步地，所述步骤(3)中，视场对应的光瞳形态矩阵PΦ可以从光学设计软件中通过设置不同的视场获得，也可以直接根据光线追际的方式计算。
进一步地，所述步骤(4)中，筛选变形镜的有效促动器，是通过光瞳形态矩阵PΦ与变形镜促动器的排布均值相乘获得，在通光口径范围内的促动器为有效促动器，置1，通光口径范围外的促动器为无效促动器，置0。
进一步地，所述步骤(5)中，根据有效促动器生成该视场的变形镜传递函数，是通过光瞳函数选取了有效促动器，再通过有效促动器矩阵MΦ与各个促动器的影响函数相乘，使得在通光区域内的促动器影响函数有效，而通光区域外的促动器影响函数置零，设置为无效。
进一步地，所述步骤(6)中，根据输入的变形镜面型ΨΦ计算各个促动器电压 其中为促动器影响函数的伪逆。
进一步地，所述步骤(7)中，对边缘促动器进行限压V'Φ＝VΦ×F，其中F为限压因子，对于传统的促动器垂直于镜面的变形镜，可以根据促动器在通光口径的占比来确定；对于促动器平行于镜面的变形镜，需要根据相邻促动器影响函数的交联系数进行确定。
进一步地，所述步骤(8)中，输出电压向量V'Φ，并加载至变形镜，使变形镜产生特定的面型以补偿像差。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明只需要测量轴上视场光学传递函数，不需要测量轴外视场的光学传递函数，可以有效地降低算法复杂性，简化校正过程，提高校正效率。
(2)该方法可以实现大口径、大视场望远镜系统变形镜轴上及轴外视场像差的高精度校正；
(3)该方法适用范围广，适用于所有包含变形镜的光学系统，不仅适用于反射系统，也适用于折反射系统；不仅适用于同轴系统，也适用于离轴系统；不仅适用于地基望远镜，也适用于天基望远镜，不仅适用于望远镜系统，也适用于其他包含变形镜的自适应光学系统。
综上所述，本发明解决了变光瞳的大视场望远镜变形镜轴上及轴外视场高精度的面型控制问题，为实现望远镜系统的高分辨率成像提供了技术支撑。
附图说明
图1是本发明一种变光瞳的大视场望远镜变形镜面型控制方法流程图；
图2是第一实施实例不同视场下对应的波面、光瞳形态及有效促动器；
图3是第一实施实例基于变形镜轴上视场光学传递函数进行像差校正时，校正后各个视场的残余波像差RMS值分布；
图4是第一实施实例基于变形镜对应视场的光学传递函数进行像差校正时，校正后各个视场的残余波像差RMS值分布。
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。
如图1所示，一种变光瞳的大视场望远镜变形镜面型控制方法，包括以下步骤：
步骤(1)、确定变形镜促动器的排布矩阵M；
所述步骤(1)中，确定变形镜促动器的排布矩阵M，既可以根据变形镜设计方案来确定各个促动器的排布，生成排布矩阵M，也可以通过自准直干涉测量的方法实测促动器排布，根据各个促动器影响函数的质心位置生成排布矩阵M。
步骤(2)、测量变形镜轴上视场的传递函数矩阵W；
所述步骤(2)中，测量变形镜轴上视场的传递函数矩阵W，既可以采用自准直干涉法进行测量，也可以采用Shack-Hartmann探测器进行测量。
步骤(3)、根据视场Φ调用该视场对应的光瞳形态矩阵PΦ；
所述步骤(3)中，视场对应的光瞳形态矩阵PΦ可以从光学设计软件中通过设置不同的视场获得，也可以直接根据光线追际的方式计算。
步骤(4)、筛选该视场变形镜的有效促动器MΦ＝M×PΦ；
所述步骤(4)中，筛选变形镜的有效促动器，是通过光瞳形态矩阵PΦ与变形镜促动器的排布均值相乘获得，在通光口径范围内的促动器为有效促动器，置1，通光口径范围外的促动器为无效促动器，置0。
步骤(5)、根据有效促动器生成该视场的变形镜传递函数WΦ＝W×MΦ；
所述步骤(5)中，根据有效促动器生成该视场的变形镜传递函数，是通过光瞳函数选取了有效促动器，再通过有效促动器矩阵MΦ与各个促动器的影响函数相乘，使得在通光区域内的促动器影响函数有效，而通光区域外的促动器影响函数置零，设置为无效。
步骤(6)、根据输入的变形镜面型ΨΦ计算各个促动器电压
所述步骤(6)中，根据输入的变形镜面型ΨΦ计算各个促动器电压其中为促动器影响函数的伪逆。
步骤(7)、对边缘促动器进行限压V'Φ＝VΦ×F；
所述步骤(7)中，对边缘促动器进行限压V'Φ＝VΦ×F，其中F为限压因子，对于传统的促动器垂直于镜面的变形镜，可以根据促动器在通光口径的占比来确定；对于促动器平行于镜面的变形镜，需要根据相邻促动器影响函数的交联系数进行确定。
步骤(8)、输出电压向量V'Φ，并加载至变形镜。
所述步骤(8)中，输出电压向量V'Φ，并加载至变形镜，使变形镜产生特定的面型以补偿像差。
实例一：
采用通光口径4m，F#＝3的RC光学系统进行仿真分析，所选取的视场如表1所示。
表1选取的视场
序号 1 2 3 4 5 6 7
视场 (0°,-1.6°) (0°,-1.2°) (0°,-0.8°) (0°,0°) (0°,0.8°) (0°,1.2°) (0°,1.6°)
各个视场对应的光瞳及有效促动器如图2所示。
由图2可知，不同视场对应的光瞳形态不同，从而导致不同视场的有效促动器不同。给定三组面型误差，分别采用变形镜对像差进行校正。给定的三组面型误差其各阶zernike系数分布如表2所示。
表2三组面型误差对应的各阶zernike系数分布
面型误差分布 Z4/λ Z5/λ Z6/λ Z7/λ Z8/λ Z11/λ
1 1 1 -1 -1 1 1
2 0.3 -0.2 0.8 0.1 -0.6 -0.5
3 -0.1 0.4 -0.5 0.2 0.3 -0.2
当采用轴上视场变形镜传函计算不同视场像差校正的控制电压时，经校正后，各个视场的残余波像差如图3所示。
由图3可知，对于变光瞳的大视场光学系统，如果采用传统的方法，即根据变形镜轴上视场的光学传递函数进行像差校正时，只有轴上视场及附近很小的等晕区范围内，校正效果较好，校正后波面RMS值优于λ/10，对于轴外视场，由于促动器不匹配，导致校正效果较差，不能满足光学系统高分辨率成像的需求。因此，对于轴外视场必须对有效促动器进行筛选，计算与该视场匹配的光学传递函数。常规的方法通常是测量轴外视场变形镜的传递函数，而本研究中是通过不同视场的光瞳形态函数选取有效促动器，通过计算获得对应视场的传函，简化了校正过程，提高了校正效率。当采用对应视场的变形镜传函进行像差校正时，校正效果如图4所示。
由图4可知，对于变光瞳的大视场光学系统，当采用对应视场的变形镜光学传递函数计算控制电压进行像差校正时，可以达到较好的校正效果，校正后无论是轴上视场还是轴外视场波面RMS值均优于λ/20，可以满足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。

Claims (10)

1.一种变光瞳的大视场望远镜变形镜面型控制方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤(1)、确定变形镜促动器的排布矩阵M；
步骤(2)、测量变形镜轴上视场的传递函数矩阵W；
步骤(3)、根据视场Φ调用该视场对应的光瞳形态矩阵PΦ；
步骤(4)、筛选该视场变形镜的有效促动器MΦ＝M×PΦ；
步骤(5)、根据有效促动器生成该视场的变形镜传递函数WΦ＝W×MΦ；
步骤(6)、根据输入的变形镜面型ΨΦ计算各个促动器电压
步骤(7)、对边缘促动器进行限压V'Φ＝VΦ×F；
步骤(8)、输出电压向量V'Φ，并加载至变形镜。
2.根据权利要求1所述的一种变光瞳的大视场望远镜变形镜面型控制方法，其特征在于：该方法适用范围广，适用于所有包含变形镜的光学系统，不仅适用于反射系统，也适用于折反射系统；不仅适用于同轴系统，也适用于离轴系统；不仅适用于地基望远镜，也适用于天基望远镜；不仅适用于望远镜系统，也适用于其他包含变形镜的自适应光学系统。
3.根据权利要求1所述的一种变光瞳的大视场望远镜变形镜面型控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中，确定变形镜促动器的排布矩阵M，既可以根据变形镜设计方案来确定各个促动器的排布，生成排布矩阵M，也可以通过自准直干涉测量的方法实测促动器排布，根据各个促动器影响函数的质心位置生成排布矩阵M。
4.根据权利要求1所述的一种变光瞳的大视场望远镜变形镜面型控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中，测量变形镜轴上视场的传递函数矩阵W，既可以采用自准直干涉法进行测量，也可以采用Shack-Hartmann探测器进行测量。
5.根据权利要求1所述的一种变光瞳的大视场望远镜变形镜面型控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中，视场对应的光瞳形态矩阵PΦ可以从光学设计软件中通过设置不同的视场获得，也可以直接根据光线追际的方式计算。
6.根据权利要求1所述的一种变光瞳的大视场望远镜变形镜面型控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中，筛选变形镜的有效促动器，是通过光瞳形态矩阵PΦ与变形镜促动器的排布矩阵相乘获得，在通光口径范围内的促动器为有效促动器，置1，通光口径范围外的促动器为无效促动器，置0。
7.根据权利要求1所述的一种变光瞳的大视场望远镜变形镜面型控制方法，其特征在于：所述步骤(5)中，根据有效促动器生成该视场的变形镜传递函数，是通过光瞳函数选取了有效促动器，再通过有效促动器矩阵MΦ与各个促动器的影响函数相乘，使得在通光区域内的促动器影响函数有效，而通光区域外的促动器影响函数置零，设置为无效。
8.根据权利要求1所述的一种变光瞳的大视场望远镜变形镜面型控制方法，其特征在于：所述步骤(6)中，根据输入的变形镜面型ΨΦ计算各个促动器电压其中为促动器影响函数的伪逆。
9.根据权利要求1所述的一种变光瞳的大视场望远镜变形镜面型控制方法，其特征在于：所述步骤(7)中，对边缘促动器进行限压V'Φ＝VΦ×F，其中F为限压因子，对于传统的促动器垂直于镜面的变形镜，可以根据促动器在通光口径的占比来确定；对于促动器平行于镜面的变形镜，需要根据相邻促动器影响函数的交联系数进行确定。
10.根据权利要求1所述的一种变光瞳的大视场望远镜变形镜面型控制方法，其特征在于：所述步骤(8)中，输出电压向量V'Φ，并加载至变形镜，使变形镜产生特定的面型以补偿像差；该方法不需要测量各个视场对应的变形镜传递函数，只需要测量轴上视场的光学传递函数，轴外视场的变形镜传函通过光瞳函数计算，并通过限压来平滑波面，简化了校正过程，且可以实现对轴上和轴外视场像差的高精度校正。
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