光学研究新进展：通过波长调谐产生的数字色散条纹实现分段镜系统的活塞误差检测-电子发烧友网

摘要

色散条纹传感器（DFS）是一种用来检测多块镜片之间对齐误差的工具。友思特可调谐滤光器（波长选择器）可以通过波长调谐生成数字色散条纹（DDF）进行相位调整，它取代数字DFS的滤光器，实现数字色散使系统更加灵活。通过我们的产品，可实现更加便捷高效的活塞误差检测，相比传统方法，这种新方案对硬件要求更低，能同时检测所有镜片的误差，而且抗干扰能力更强。凸显了友思特波长选择器 FWS-Poly 在光学研究领域的全新视角。

传统的色散条纹传感器DFS

分段孔径是构建下一代大口径望远镜以获得极高分辨率和出色聚光能力的一个有前途的选择。分段孔径的相位对齐问题随之而来，几十年来一直备受关注。通常，需要一个粗检测步骤，将大规模活塞误差控制在精细检测算法的捕获范围内，该范围大约为亚微米级。粗检测和精细检测的结合可以有效对齐分段孔径望远镜系统，使其能够在接近预期分辨率的状态下运行。

20世纪90年代开发出了一种有效的传感器，即DFS，其中微透镜与专门的色散元件配合产生活塞调制的色散条纹图案。活塞误差信息可以通过非线性最小二乘法拟合，通过二维（2D）色散条纹分析方法或频率峰值定位法来提取。在传统的DFS中，专门的色散元件需要具有很强且合适的色散能力，同时产生条纹拥挤的风险要小，这在设计上存在很大困难。此外，在传统的DFS检测中，需要进行光谱校准，以消除活塞调制色散条纹图案中未知点状恒星的不需要的光谱特征，这使得通过DFS进行活塞误差检测的过程变得复杂。

数字色散条纹（DDF）传感器

来自中国科学院自适应光学重点实验室、中国科学院光电技术研究所和中科大的研究人员描述了一种替代的粗相位算法，称为数字色散条纹（DDF）传感器，与主动活塞扫描方法形成对比。在提出的方法中，通过调节穿过传感器的光的波长来实现检测，而主动活塞扫描方法需要参考镜的活塞运动。对于每次调节的波长，我们记录所有分段间区域的远场光斑阵列。对于每个分段间区域，从光斑阵列中裁剪出相应的远场光斑，然后进行累加。将所有调谐波长的一维（1D）强度分布进行堆叠，从而得到一个DDF，该DDF可以使用一维模板进行分析以估计活塞误差。

图1展示了传统DFS和研究人员所提出的DFS的布局比较，其中以双六边形孔径作为分段镜的示例。对于传统的DFS，准直的宽带光通过具有固定滤波特性的滤光器，然后由物理色散元件进行色散，最后聚焦到探测器上。然而，对于数字DFS，关键的色散元件被去除，一个可调谐滤光器取代了具有固定滤光特性的滤光器。在数字DFS中，通过连续改变可调谐滤光器的中心波长和一系列堆叠算法，可以实现与色散元件产生的物理色散效果类似的功能。

为便于说明且不失一般性，我们假设重新成像缩小后的分段光瞳投影到带有矩形孔的选择光阑上，如图1所示。结果，活塞调制的波前由两个矩形组成的组合光阑进行采样，每个矩形在间隙方向上的长度为 X，在基线方向上的高度为 Y。此外，这两个矩形的中心距表示为 G。图1a物理色散效果可以通过连续调节图1（b）中可调谐滤光器的滤光特性，再结合一系列数字DFS的算法来替代实现，而不是依赖特定的色散元件。

图1. (a) 传统 DFS 和 (b) 数字 DFS 的布局比较

友思特可调谐滤光器生成DDF模拟结果

以友思特商用可调谐滤光器（波长选择器） FWS-Poly-IR为例来描述生成DDF的方法。它的特点是中心波长的扫描和带宽的控制可以通过配套软件进行定制。其光学参数如表1所示。

表1. 友思特FWS全自动波长选择器光学参数

在研究人员的示例中，起始波长和结束波长分别设置为 750nm 和 850nm。此外，半峰全宽（FWHM）设置为 5nm，扫描中心波长的步长固定为0.2nm。如表2所示。

表2. 数字DFS的关键参数

不同活塞误差下的DDF模拟结果如图2所示。可以明显直观地观察到，随着活塞误差绝对值的增加，条纹的斜率也增加，DDF的近似空间周期减小，这实际上与传统DFS的情况相同。此外，条纹的方向是活塞误差符号的明显指示。在图2所示的DDF示例中，正活塞误差的DDF从左到右呈现上升趋势。对于相对较小的活塞误差，建议对活塞中的一个分段镜进行已知幅度的主动驱动，以使条纹方向明显，这有利于确定活塞误差的符号。另外，对于 60μm 的活塞误差，DDF中的条纹看起来模糊，这是当活塞误差极大时，每次单波长调谐的相干性较低的直接结果。

图2. 不同活塞误差的 DDF

应该强调的是，研究人员基于友思特波长选择器生成DDF的方法非常灵活，因为数字色散能力可以通过软件手动设置参数来定义调谐和滤波特性进行调整，而物理色散能力必须通过更换另一个合适的色散元件来改变。此外，与主动扫描方法相比，主动扫描方法需要对每对相邻镜进行主动扫描，而本文提出的方法能够同时检测不同方向上所有相邻分段对的活塞误差，尽管这两种方法利用的是相同的物理原理。

友思特 FWS-Poly-IR 可调谐滤波器在DDF传感器中实现数字色散效果：传统DFS依赖物理色散元件实现色散效果，而数字DFS通过友思特波长选择器（即 FWS-Poly-IR 可调谐滤光器）连续改变中心波长来模拟物理色散效果。它能按实验需求，以 0.2nm 的步长在 555-900nm 的光谱范围内精确调谐中心波长，其波长精度可达 ±0.5nm，半峰全宽 3-16nm，中心波长的最小步长为 0.2nm。通过不同波长下远场光斑阵列的采集和后续处理，实现数字色散，进而生成DDF。这种方式摆脱了对难以制造的物理色散元件的依赖，使系统更具灵活性。

总结与展望

总之，本文介绍了一种通过波长调谐生成DDF进行相位调整的新方法。该方法也适用于多镜望远镜。对当前调谐波长状态下采集的活塞调制远场光斑，沿垂直于孔径基线的方向进行累加。将所有一维累加强度分布按顺序组装成一个二维矩阵，生成DDF。通过互相关过程可以有效地提取活塞误差信息。所展示的示例表明它对强噪声具有强大的鲁棒性。与传统DFS相比，它具有优势，例如不需要难以制造的定制色散元件阵列，也不需要考虑不同方向条纹之间的拥挤问题，这使得它在相位调整算法家族中脱颖而出。在未来的研究中，应该进一步分析研究DDF在噪声条件下的详细性能，并且在完成试验台搭建后将进行实验验证。

参考文献：Y.F. Zhang, H. Xian. Piston Sensing for a Segmented Mirror System Via a Digital Dispersed Fringe Generated by Wavelength Tuning. Optics Letters,(2020).

Viewsitec

友思特FWS-Poly-IR 可调谐滤波器