拼接式空间光学望远镜主镜在轨实时检测方法、系统

1.本发明涉及超大口径空间望远镜中拼接式主镜检测技术领域，尤其涉及一种拼接式空间光学望远镜主镜在轨实时检测方法、系统。


背景技术：

2.为了观测到更加遥远、亮度更低的目标，望远镜的口径需要不断增大。目前，超大口径天文望远镜大多为图1所示的使用拼接主镜的反射式系统。入射光线6照射至拼接主镜1后发生反射，经第一次镜2再次反射后通过位于主镜中心的第一光瞳3，再经过光学元件4的调制后被焦平面传感器5所接收，完成对目标的成像过程。拼接主镜的结构如图2所示，使用多个口径较小的第一子镜11进行拼接，中心通光区域为第二光瞳12。使用拼接方法可以得到口径更大的望远镜主镜，该类型主镜避开了大口径单镜制造、加工、运输、发射成本和难度较高的问题。
3.空间望远镜在遭受力、热等外界扰动时，主镜形状会发生改变。为了保证成像质量，需对主镜面形进行检测。现有空间望远镜在轨检测方法如图1所示，在焦平面传感器5处放置夏克-哈特曼传感器，通过传感器接收到的光斑形状结合各类算法以计算拼接主镜1的面形。
4.现有空间望远镜在轨检测方法如图1所示，在焦平面传感器5处放置夏克-哈特曼传感器，通过传感器接收到的光斑形状来计算拼接主镜1的面形。该方法计算得出的结果不仅包含了拼接主镜1的面形变化，也涵盖了第一次镜2、光学元件4及部分杂散光带来的影响，因此其计算结果存在一定误差。另一方面，夏克-哈特曼检测法覆盖范围较小，通过对大量特征点遍历计算后才能解算出主镜面形，无法一次性对主镜进行全口径检测，计算时间较长，在外界扰动较为频繁、主镜面形变化速度较快的情况下难以保证检测结果的时效性。


技术实现要素：

5.本发明为解决上述问题，提供一种拼接式空间光学望远镜主镜在轨实时检测方法、系统。
6.第一方面，本发明实施例中提供一种拼接式空间光学望远镜主镜在轨实时检测方法，包括：将检测组件放置于待检测拼接主镜的曲率中心区域，所述检测组件包括干涉仪和计算全息补偿器，所述计算全息补偿器用于将所述干涉仪发出的球面波调制为与理想主镜面形相匹配的波形，作为参考波对所述待检测拼接主镜进行干涉测量；所述干涉仪发出的光线经过所述计算全息补偿器后照射到所述待检测拼接主镜，经过所述待检测拼接主镜的镜面反射后沿原光路返回至所述干涉仪，得到所述理想主镜面形与实际面形的全口径干涉图，所述全口径干涉图用于反映所述待检测拼接主镜的实际面形与所述理想主镜面形的偏差，基于所述全口径干涉图完成对所述待检测拼接主镜的全口径面形检测。
7.第二方面，本发明实施例中一种拼接式空间光学望远镜主镜在轨实时检测系统，包括干涉仪、计算全息补偿器、待检测拼接主镜，所述干涉仪和所述计算全息补偿器构成检测组件，所述检测组件放置在所述待检测拼接主镜的曲率中心区域；所述干涉仪发出的光线经过所述计算全息补偿器后照射到所述待检测拼接主镜，经过所述待检测拼接主镜的镜面反射后沿原光路返回至所述干涉仪，得到所述理想主镜面形与实际面形的全口径干涉图，所述全口径干涉图用于反映所述待检测拼接主镜的实际面形与所述理想主镜面形的偏差，基于所述全口径干涉图完成对所述待检测拼接主镜的全口径面形检测。
8.作为一种可选的方案，还包括第一调整机构、第二调整机构以及第三调整机构；所述干涉仪安装在所述第一调整机构上，所述第一调整机构用于调整所述干涉仪的位置；所述计算全息补偿器安装在所述第二调整机构上，所述第二调整机构用于调整所述计算全息补偿器的位置；所述待检测拼接主镜安装在所述第三调整机构上，所述第三调整机构用于调整所述待检测拼接主镜的位置。
9.作为一种可选的方案，所述待检测拼接主镜使用多个子镜进行拼接，光瞳设置在所述待检测拼接主镜的中心通光区域。
10.作为一种可选的方案，所述干涉仪采用相移干涉仪。
11.与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：本发明实施例中提供的拼接式空间光学望远镜主镜在轨实时检测方法、系统，干涉仪和所述计算全息补偿器构成检测组件，所述检测组件放置在所述待检测拼接主镜的曲率中心区域，所述干涉仪发出的光线经过所述计算全息补偿器后照射到所述待检测拼接主镜，经过所述待检测拼接主镜的镜面反射后沿原光路返回至所述干涉仪，得到所述理想主镜面形与实际面形的全口径干涉图，所述全口径干涉图用于反映所述待检测拼接主镜的实际面形与所述理想主镜面形的偏差，基于所述全口径干涉图完成对所述待检测拼接主镜的全口径面形检测。针对待检测拼接主镜进行检测，排除了次镜和光路中其他元件及杂散光的干扰，有着较高的检测精度。该方法使用技术较为成熟的干涉仪，使得该类型望远镜在轨工作过程中，受到力、热等外界扰动时，能够快速对主镜面形进行全口径检测，缩短对主镜面形进行矫正的时间，更有利于大口径望远镜在复杂宇宙环境下的应用。
附图说明
12.图1是现有技术中使用拼接主镜的反射式系统的结构示意图；图2是现有技术中反射式系统中拼接主镜的结构示意图；图3是根据本发明实施例提供的一种拼接式空间光学望远镜主镜在轨实时检测方法的流程示意图；图4是根据本发明实施例提供的一种拼接式空间光学望远镜主镜在轨实时检测系统的结构示意图；图5是根据本发明实施例提供的一种拼接式空间光学望远镜主镜在轨实时检测系统中待检测拼接主镜的结构示意图。
13.附图标记：拼接主镜1、第一次镜2、第一光瞳3、光学元件4、焦平面传感器5、入射光线6、第一子镜11、第二光瞳12、检测组件40、干涉仪41、计算全息补偿器42、第二次镜43、待检测拼接主镜44、子镜441、光瞳442、光线45。
具体实施方式
14.在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
15.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
16.结合图3所示，本发明实施例中提供一种拼接式空间光学望远镜主镜在轨实时检测方法，包括：s101、将检测组件放置于所述待检测拼接主镜的曲率中心区域，所述检测组件包括干涉仪和计算全息补偿，所述计算全息补偿器用于将所述干涉仪发出的球面波调制为与理想主镜面形相匹配的波形，作为参考波对所述待检测拼接主镜进行干涉测量。
17.计算全息补偿器的原理是基于全息术利用光的干涉和衍射原理，将物体发出的特定波前以干涉条纹的形式记录下来，并在一定条件下使其再现记录时的波前。计算全息方法通过物光传播的数字化模型计算得到目标物体被光波照射后的光场分布。利用该方法设计出的计算全息补偿器可将干涉仪发出的球面波调制为与理想主镜面形相匹配的波形，作为参考波对待检测拼接主镜进行干涉测量。
18.s102、所述干涉仪发出的光线经过所述计算全息补偿器后照射到所述待检测拼接主镜，经过所述待检测拼接主镜的镜面反射后沿原光路返回至所述干涉仪，得到所述理想主镜面形与实际面形的全口径干涉图，所述全口径干涉图用于反映所述待检测拼接主镜的实际面形与所述理想主镜面形的偏差，基于所述全口径干涉图完成对所述待检测拼接主镜的全口径面形检测。
19.检测组件位于待检测拼接主镜的曲率中心区域。反射镜曲率中心处发出的光经镜面反射后沿原光路返回。因此，干涉仪发出的光线计算全息补偿器后照射到待检测拼接主镜上，经待检测拼接主镜反射后沿原光路返回至干涉仪中，快速得到主镜理想面形与实际面形的全口径干涉图。该全口径干涉图可反映主镜实际面形与理想面形的偏差，完成对主镜的全口径面形检测。
20.本发明实施例中提供的拼接式空间光学望远镜主镜在轨实时检测方法，针对待检测拼接主镜进行检测，排除了次镜和光路中其他元件及杂散光的干扰，有着较高的检测精度。该方法使用技术较为成熟的干涉仪，使得该类型望远镜在轨工作过程中，受到力、热等外界扰动时，能够快速对主镜面形进行全口径检测，缩短对主镜面形进行矫正的时间，更有利于大口径望远镜在复杂宇宙环境下的应用。
21.结合图4所示，相应地，本发明实施例中一种拼接式空间光学望远镜主镜在轨实时检测系统，包括干涉仪41、计算全息补偿器42、待检测拼接主镜44，所述干涉仪41和所述计
算全息补偿器42构成检测组件40，所述检测组件40放置在所述待检测拼接主镜44的曲率中心区域；所述干涉仪41发出的光线45经过所述计算全息补偿器42后照射到所述待检测拼接主镜44，经过所述待检测拼接主镜44的镜面反射后沿原光路返回至所述干涉仪41，得到所述理想主镜面形与实际面形的全口径干涉图，所述全口径干涉图用于反映所述待检测拼接主镜44的实际面形与所述理想主镜面形的偏差，基于所述全口径干涉图完成对所述待检测拼接主镜44的全口径面形检测。
22.在一些实施例中，为了便于调整各部件的位置关系，本系统还包括第一调整机构（图中未示出）、第二调整机构（图中未示出）以及第三调整机构（图中未示出）；所述干涉仪41安装在所述第一调整机构上，所述第一调整机构用于调整所述干涉仪41的位置；所述计算全息补偿器42安装在所述第二调整机构上，所述第二调整机构用于调整所述计算全息补偿器42的位置；所述待检测拼接主镜44安装在所述第三调整机构上，所述第三调整机构用于调整所述待检测拼接主镜44的位置。
23.在一些实施例中，拼接式空间光学望远镜主镜在轨实时检测系统还具有第二次镜43，本领域普通技术人员可以灵活选择，对此不做限定。
24.结合图5所示，在一些实施例中，所述待检测拼接主镜44使用多个子镜441进行拼接，子镜441选择小口径的六边形结构，方便进行拼接，光瞳442设置在所述待检测拼接主镜44的中心通光区域。
25.在一些实施例中，所述干涉仪41采用相移干涉仪，本领域普通技术人员可以灵活选择，对此不做限定。
26.本发明实施例中提供的拼接式空间光学望远镜主镜在轨实时检测系统，包括干涉仪41、计算全息补偿器42、待检测拼接主镜44，所述干涉仪41和所述计算全息补偿器42构成检测组件40，所述检测组件40放置在所述待检测拼接主镜44的曲率中心区域，所述干涉仪41发出的光线45经过所述计算全息补偿器42后照射到所述待检测拼接主镜44，经过所述待检测拼接主镜44的镜面反射后沿原光路返回至所述干涉仪41，得到所述理想主镜面形与实际面形的全口径干涉图，所述全口径干涉图用于反映所述待检测拼接主镜44的实际面形与所述理想主镜面形的偏差，基于所述全口径干涉图完成对所述待检测拼接主镜44的全口径面形检测。针对待检测拼接主镜44进行检测，排除了第二次镜43和光路中其他元件及杂散光的干扰，有着较高的检测精度。该方法使用技术较为成熟的干涉仪41，使得该类型望远镜在轨工作过程中，受到力、热等外界扰动时，能够快速对主镜面形进行全口径检测，缩短对主镜面形进行矫正的时间，更有利于大口径望远镜在复杂宇宙环境下的应用。
27.应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
28.上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

技术特征：
1.一种拼接式空间光学望远镜主镜在轨实时检测方法，其特征在于，包括：将检测组件放置于待检测拼接主镜的曲率中心区域，所述检测组件包括干涉仪和计算全息补偿器，所述计算全息补偿器用于将所述干涉仪发出的球面波调制为与理想主镜面形相匹配的波形，作为参考波对所述待检测拼接主镜进行干涉测量；所述干涉仪发出的光线经过所述计算全息补偿器后照射到所述待检测拼接主镜，经过所述待检测拼接主镜的镜面反射后沿原光路返回至所述干涉仪，得到所述理想主镜面形与实际面形的全口径干涉图，所述全口径干涉图用于反映所述待检测拼接主镜的实际面形与所述理想主镜面形的偏差，基于所述全口径干涉图完成对所述待检测拼接主镜的全口径面形检测。2.一种拼接式空间光学望远镜主镜在轨实时检测系统，其特征在于，包括干涉仪、计算全息补偿器、待检测拼接主镜，所述干涉仪和所述计算全息补偿器构成检测组件，所述检测组件放置在所述待检测拼接主镜的曲率中心区域；所述干涉仪发出的光线经过所述计算全息补偿器后照射到所述待检测拼接主镜，经过所述待检测拼接主镜的镜面反射后沿原光路返回至所述干涉仪，得到所述理想主镜面形与实际面形的全口径干涉图，所述全口径干涉图用于反映所述待检测拼接主镜的实际面形与所述理想主镜面形的偏差，基于所述全口径干涉图完成对所述待检测拼接主镜的全口径面形检测。3.根据权利要求2所述的拼接式空间光学望远镜主镜在轨实时检测系统，其特征在于，还包括第一调整机构、第二调整机构以及第三调整机构；所述干涉仪安装在所述第一调整机构上，所述第一调整机构用于调整所述干涉仪的位置；所述计算全息补偿器安装在所述第二调整机构上，所述第二调整机构用于调整所述计算全息补偿器的位置；所述待检测拼接主镜安装在所述第三调整机构上，所述第三调整机构用于调整所述待检测拼接主镜的位置。4.根据权利要求2所述的拼接式空间光学望远镜主镜在轨实时检测系统，其特征在于，所述待检测拼接主镜使用多个子镜进行拼接，光瞳设置在所述待检测拼接主镜的中心通光区域。5.根据权利要求2所述的拼接式空间光学望远镜主镜在轨实时检测系统，其特征在于，所述干涉仪采用相移干涉仪。

技术总结
本发明涉及超大口径空间望远镜中拼接式主镜检测技术领域，具体涉及一种拼接式空间光学望远镜主镜在轨实时检测方法、系统，将检测组件放置于待检测拼接主镜的曲率中心区域，检测组件包括干涉仪和计算全息补偿器，计算全息补偿器用于将干涉仪发出的球面波调制为与理想主镜面形相匹配的波形，作为参考波对待检测拼接主镜进行干涉测量，干涉仪发出的光线经过计算全息补偿器后照射到待检测拼接主镜，经过待检测拼接主镜的镜面反射后沿原光路返回至干涉仪，得到理想主镜面形与实际面形的全口径干涉图，基于全口径干涉图完成全口径面形检测，抗干扰能力强，检测精度高，缩短主镜面形矫正时间，有利于大口径望远镜在复杂宇宙环境下的应用。的应用。的应用。


技术研发人员：郭疆 李奕博 张学军 薛栋林 杨利伟
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：2023.08.31
技术公布日：2023/10/6