[发明专利]望远镜波前旋转角度的计算方法、装置及望远镜

说明书

本发明适用大型望远镜主动光学技术领域，提供了一种望远镜波前旋转角度的计算方法及装置、望远镜，该方法包括：采用波前检测系统标定望远镜的响应矩阵；从所述响应矩阵中计算并选取一阶本征模式、补充模式及其对应的模式力值；分别按照所述一阶本征模式、补充模式向所述望远镜施加主动支撑力，计算相应的波前像差变化；根据所述波前像差变化，采用随机并行梯度下降算法进行迭代运算，求解波前旋转角度。由于利用主动光学系统自身的波前探测系统和主镜面形校正系统，在不增加额外部件的条件下，实现了高精度波前旋转角度的计算。

技术领域

本发明属于大型望远镜主动光学技术领域，尤其涉及一种望远镜波前旋转角度的计算方法、装置及望远镜。

背景技术

主动光学系统在望远镜运行中维持主镜良好面形，保证后端成像质量，是大口径望远镜的重要组成部分。主动光学系统一般由波前检测系统、主动支撑系统、控制系统三部分组成。波前检测系统检测主镜面形误差；主动支撑系统在支撑主镜的同时对主镜施加主动校正力，改变主镜面形；控制系统将主镜面形误差转换为主镜校正力并传递到主动支撑系统，实现闭环控制。

波前检测系统为集成于主动光学系统的波前传感器，一般采用夏克-哈特曼波前传感器或曲率波前传感器。入射光线经过主镜镜面反射，主镜镜面的面形误差在反射光的波前上引入2倍的波前像差。通过检测波前像差，得到主镜面形误差。控制系统将主镜面形误差解算为主镜的主动校正力，并发送给主动支撑系统。主动支撑系统的多个规则排布于主镜背侧的力促动器将主动校正力准确稳定地施加于主镜，产生反向面形形变，校正主镜面形误差。

为了计算主镜面形误差对应的校正力，控制系统需要预先确定促动器力值与主镜面形形变之间的映射关系，即响应矩阵。响应矩阵为主镜和支撑系统自身结构特性，因此，在望远镜系统整体装调前，可以单独对主镜及支撑系统进行高精度的检测和响应矩阵标定，从而提高主动光学系统校正速度和精度。单独标定响应矩阵时，需要考虑响应矩阵标定系统和主动光学波前检测系统之间的差异。除了非共光路像差，波前旋转角度，即两个检测系统之间的偏差角度，主要影响主动光学校正效果。因此，需要一个完善的波前旋转角度标定及计算方法，来保证标定的响应矩阵正确应用于主动光学系统。

目前，没有完全针对波前旋转角度的标定和计算方法。在光学装调技术中添加靶标进行对准装调的方法可用于波前旋转角度的检测。然而，采用传统靶标方法，需要在望远镜主次镜之间光路添加额外基准，对于望远镜系统，尤其是采用紧凑设计的望远镜系统，额外添加靶标会明显增加系统设计和加工难度，也可能降低系统运行的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种望远镜波前旋转角度的计算方法、装置及望远镜，旨在解决现有技术中望远镜波前旋转角度检测较为复杂的技术问题。

第一方面，本发明提供了一种望远镜波前旋转角度的计算方法，包括：

采用波前检测系统标定望远镜的响应矩阵；

从所述响应矩阵中计算并选取一阶本征模式、补充模式及其对应的模式力值；

分别按照所述一阶本征模式、补充模式向所述望远镜施加主动支撑力，计算相应的波前像差变化；

根据所述波前像差变化，采用随机并行梯度下降算法进行迭代运算，求解波前旋转角度。

可选的，所述采用波前检测系统标定望远镜的响应矩阵的步骤包括：

检测未施加主动支撑力时的主镜镜面面形；

对所有主动支撑点施加单位主动支撑力，分别检测施加单位主动支撑力后的主镜镜面面形；

针对每一个主动支撑点，将施加单位主动支撑力后的主镜镜面面形与未施加主动支撑力时的主镜镜面面形进行差分运算，得到所述主动支撑点的响应函数；

将所有响应函数作为列向量形式进行组合，得到响应矩阵。