摘要

色散條紋傳感器（DFS）是一種用來檢測多塊鏡片之間對齊誤差的工具。友思特可調(diào)諧濾光器（波長選擇器）可以通過波長調(diào)諧生成數(shù)字色散條紋（DDF）進(jìn)行相位調(diào)整，它取代數(shù)字DFS的濾光器，實現(xiàn)數(shù)字色散使系統(tǒng)更加靈活。通過我們的產(chǎn)品，可實現(xiàn)更加便捷高效的活塞誤差檢測，相比傳統(tǒng)方法，這種新方案對硬件要求更低，能同時檢測所有鏡片的誤差，而且抗干擾能力更強(qiáng)。凸顯了友思特波長選擇器 FWS-Poly 在光學(xué)研究領(lǐng)域的全新視角。

傳統(tǒng)的色散條紋傳感器DFS

分段孔徑是構(gòu)建下一代大口徑望遠(yuǎn)鏡以獲得極高分辨率和出色聚光能力的一個有前途的選擇。分段孔徑的相位對齊問題隨之而來，幾十年來一直備受關(guān)注。通常，需要一個粗檢測步驟，將大規(guī)?；钊`差控制在精細(xì)檢測算法的捕獲范圍內(nèi)，該范圍大約為亞微米級。粗檢測和精細(xì)檢測的結(jié)合可以有效對齊分段孔徑望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，使其能夠在接近預(yù)期分辨率的狀態(tài)下運行。

20世紀(jì)90年代開發(fā)出了一種有效的傳感器，即DFS，其中微透鏡與專門的色散元件配合產(chǎn)生活塞調(diào)制的色散條紋圖案?；钊`差信息可以通過非線性最小二乘法擬合，通過二維（2D）色散條紋分析方法或頻率峰值定位法來提取。在傳統(tǒng)的DFS中，專門的色散元件需要具有很強(qiáng)且合適的色散能力，同時產(chǎn)生條紋擁擠的風(fēng)險要小，這在設(shè)計上存在很大困難。此外，在傳統(tǒng)的DFS檢測中，需要進(jìn)行光譜校準(zhǔn)，以消除活塞調(diào)制色散條紋圖案中未知點狀恒星的不需要的光譜特征，這使得通過DFS進(jìn)行活塞誤差檢測的過程變得復(fù)雜。

數(shù)字色散條紋（DDF）傳感器

來自中國科學(xué)院自適應(yīng)光學(xué)重點實驗室、中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所和中科大的研究人員描述了一種替代的粗相位算法，稱為數(shù)字色散條紋（DDF）傳感器，與主動活塞掃描方法形成對比。在提出的方法中，通過調(diào)節(jié)穿過傳感器的光的波長來實現(xiàn)檢測，而主動活塞掃描方法需要參考鏡的活塞運動。對于每次調(diào)節(jié)的波長，我們記錄所有分段間區(qū)域的遠(yuǎn)場光斑陣列。對于每個分段間區(qū)域，從光斑陣列中裁剪出相應(yīng)的遠(yuǎn)場光斑，然后進(jìn)行累加。將所有調(diào)諧波長的一維（1D）強(qiáng)度分布進(jìn)行堆疊，從而得到一個DDF，該DDF可以使用一維模板進(jìn)行分析以估計活塞誤差。

圖1展示了傳統(tǒng)DFS和研究人員所提出的DFS的布局比較，其中以雙六邊形孔徑作為分段鏡的示例。對于傳統(tǒng)的DFS，準(zhǔn)直的寬帶光通過具有固定濾波特性的濾光器，然后由物理色散元件進(jìn)行色散，最后聚焦到探測器上。然而，對于數(shù)字DFS，關(guān)鍵的色散元件被去除，一個可調(diào)諧濾光器取代了具有固定濾光特性的濾光器。在數(shù)字DFS中，通過連續(xù)改變可調(diào)諧濾光器的中心波長和一系列堆疊算法，可以實現(xiàn)與色散元件產(chǎn)生的物理色散效果類似的功能。

為便于說明且不失一般性，我們假設(shè)重新成像縮小后的分段光瞳投影到帶有矩形孔的選擇光闌上，如圖1所示。結(jié)果，活塞調(diào)制的波前由兩個矩形組成的組合光闌進(jìn)行采樣，每個矩形在間隙方向上的長度為 X，在基線方向上的高度為 Y。此外，這兩個矩形的中心距表示為 G。圖1a物理色散效果可以通過連續(xù)調(diào)節(jié)圖1（b）中可調(diào)諧濾光器的濾光特性，再結(jié)合一系列數(shù)字DFS的算法來替代實現(xiàn)，而不是依賴特定的色散元件。

圖1. (a) 傳統(tǒng) DFS 和 (b) 數(shù)字 DFS 的布局比較

友思特可調(diào)諧濾光器生成DDF模擬結(jié)果

以友思特商用可調(diào)諧濾光器（波長選擇器） FWS-Poly-IR為例來描述生成DDF的方法。它的特點是中心波長的掃描和帶寬的控制可以通過配套軟件進(jìn)行定制。其光學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1. 友思特FWS全自動波長選擇器光學(xué)參數(shù)

在研究人員的示例中，起始波長和結(jié)束波長分別設(shè)置為 750nm 和 850nm。此外，半峰全寬（FWHM）設(shè)置為 5nm，掃描中心波長的步長固定為0.2nm。如表2所示。

表2. 數(shù)字DFS的關(guān)鍵參數(shù)

不同活塞誤差下的DDF模擬結(jié)果如圖2所示。可以明顯直觀地觀察到，隨著活塞誤差絕對值的增加，條紋的斜率也增加，DDF的近似空間周期減小，這實際上與傳統(tǒng)DFS的情況相同。此外，條紋的方向是活塞誤差符號的明顯指示。在圖2所示的DDF示例中，正活塞誤差的DDF從左到右呈現(xiàn)上升趨勢。對于相對較小的活塞誤差，建議對活塞中的一個分段鏡進(jìn)行已知幅度的主動驅(qū)動，以使條紋方向明顯，這有利于確定活塞誤差的符號。另外，對于 60μm 的活塞誤差，DDF中的條紋看起來模糊，這是當(dāng)活塞誤差極大時，每次單波長調(diào)諧的相干性較低的直接結(jié)果。

圖2. 不同活塞誤差的 DDF

應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，研究人員基于友思特波長選擇器生成DDF的方法非常靈活，因為數(shù)字色散能力可以通過軟件手動設(shè)置參數(shù)來定義調(diào)諧和濾波特性進(jìn)行調(diào)整，而物理色散能力必須通過更換另一個合適的色散元件來改變。此外，與主動掃描方法相比，主動掃描方法需要對每對相鄰鏡進(jìn)行主動掃描，而本文提出的方法能夠同時檢測不同方向上所有相鄰分段對的活塞誤差，盡管這兩種方法利用的是相同的物理原理。

友思特 FWS-Poly-IR 可調(diào)諧濾波器在DDF傳感器中實現(xiàn)數(shù)字色散效果：傳統(tǒng)DFS依賴物理色散元件實現(xiàn)色散效果，而數(shù)字DFS通過友思特波長選擇器（即 FWS-Poly-IR 可調(diào)諧濾光器）連續(xù)改變中心波長來模擬物理色散效果。它能按實驗需求，以 0.2nm 的步長在 555-900nm 的光譜范圍內(nèi)精確調(diào)諧中心波長，其波長精度可達(dá) ±0.5nm，半峰全寬 3-16nm，中心波長的最小步長為 0.2nm。通過不同波長下遠(yuǎn)場光斑陣列的采集和后續(xù)處理，實現(xiàn)數(shù)字色散，進(jìn)而生成DDF。這種方式擺脫了對難以制造的物理色散元件的依賴，使系統(tǒng)更具靈活性。

總結(jié)與展望

總之，本文介紹了一種通過波長調(diào)諧生成DDF進(jìn)行相位調(diào)整的新方法。該方法也適用于多鏡望遠(yuǎn)鏡。對當(dāng)前調(diào)諧波長狀態(tài)下采集的活塞調(diào)制遠(yuǎn)場光斑，沿垂直于孔徑基線的方向進(jìn)行累加。將所有一維累加強(qiáng)度分布按順序組裝成一個二維矩陣，生成DDF。通過互相關(guān)過程可以有效地提取活塞誤差信息。所展示的示例表明它對強(qiáng)噪聲具有強(qiáng)大的魯棒性。與傳統(tǒng)DFS相比，它具有優(yōu)勢，例如不需要難以制造的定制色散元件陣列，也不需要考慮不同方向條紋之間的擁擠問題，這使得它在相位調(diào)整算法家族中脫穎而出。在未來的研究中，應(yīng)該進(jìn)一步分析研究DDF在噪聲條件下的詳細(xì)性能，并且在完成試驗臺搭建后將進(jìn)行實驗驗證。

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

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友思特FWS-Poly-IR 可調(diào)諧濾波器

FWS-Poly-IR

友思特全自動波長選擇器 FWS-Poly 是一種可調(diào)諧濾波器，基于TwinFilm?專利技術(shù)，通過 USB 通信提供對中心波長和帶寬的簡單軟件控制（掃描或設(shè)置），并在所有波長上均勻地調(diào)整帶寬。它可以與任何類型的準(zhǔn)直光源（超連續(xù)譜激光源或?qū)拵簦┮黄鹗褂茫瑸楣庾V學(xué)和光譜成像應(yīng)用產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的光源。

全自動波長選擇器 FWS-Poly 有兩種版本：Poly-RED 和 Poly-BLUE，具體取決于帶寬控制功能。FWS-Poly-IR 型號波長調(diào)節(jié)范圍為 775-1150nm，帶寬調(diào)節(jié)范圍 3-15nm。

審核編輯 黃宇