一种基于涡旋光类零位干涉的大口径光学天线共相误差检测系统及其工作方法

1.本发明涉及一种基于涡旋光类零位干涉的大口径光学天线共相误差检测系统及其工作方法，属于精密测量的光学精密测试技术领域。


背景技术：

2.随着科学技术的不断发展，大口径光学天线被广泛应用于环境监测、天文观测、军事侦察等诸多重要领域，在国家安全、空间碎片探测及宇宙天体研究等领域展现出越来越重要的作用。根据光学成像系统理论，在观测波长固定的情况下，光学系统空间角分辨率与光学天线的口径成反比，光学成像系统入瞳直径越大，则其角分辨率越小，集光本领越大，分辨能力越高，越接近衍射极限。增大光学天线的主镜口径是提高观测分辨率和集光能力的有效手段，因此，世界各国相继投入大量精力研究开发大口径光学天线。主镜口径的不断增大给光学天线的加工、检测、集成装调、运输等技术带来巨大的挑战。
3.采用若干个子镜面拼接合成主镜代替单一型主镜的方案可以有效解决大型望远镜口径限制问题。通过把整个镜面分割成多个小镜面,既能降低成本,又能降低镜面加工、运输装调的难度。拼接镜面通过调整各子镜的位姿状态，形成一个虚拟的、连续的单一型主镜光学面形，在提高集光能力与分辨本领的同时，减小了望远镜的造价与质量。
4.拼接型主镜的关键技术之一在于子镜间的共相位问题，因其特有的拼接结构，每块子镜不可避免的会产生倾斜误差和子镜之间的轴向(平移)误差，导致子镜之间不能达到光学上的共焦共相，各子镜的相位就无法保证一致，拼接共相误差就给主镜引入了波前像差，使得成像质量退化。拼接型主镜子镜之间的倾斜误差和轴向误差统称为共相误差。只有在实现所有子镜的严格共相，才能真正发挥其大口径的最大光学性能。
5.近年来，拼接镜高精度共相检测问题已经成为研究的热点，为了解决检测共相误差问题，各国科研人员做了大量的研究，并提出了很多有效的检测方法。然而，传统的共相误差检测存在各式的问题，并且对两个以上拼接子镜的检测过程通常繁琐复杂，单种共相检测方法难以实现大量程、高精度的检测，多种共相检测相结合的方法虽能达到大量程、高精度的检测，但其不仅会使仪器结构更复杂，还会导致过程繁琐异常，难以达到高效率的检测。实现大量程、高精度、高效率、检测过程简便的光学共相检测是一项极具挑战性的课题。


技术实现要素：

6.针对目前大口径光学天线领域的共相检测的重大需求和技术瓶颈问题，本发明提供一种基于涡旋光类零位干涉的大口径光学天线共相误差检测系统及其工作方法，具有大量程、高精度、高效率、检测过程简便的优点，为大口径光学天线的在线检测与装调测试提供一种新的研究思路及技术途径。
7.本发明采用以下技术方案：
8.一种基于涡旋光类零位干涉的大口径光学天线共相误差检测系统，包括激光器、
扩束器、分束器a、分束器b、分束器c、分束器d、1/4波片、螺旋相位板、透镜组、拼接镜、反射镜和ccd相机；
9.激光器发出的线偏振平面波先经过扩束器，然后经分束器a分为参考光和测试光，参考光经1/4波片变为圆偏振光，然后经过螺旋相位板后生产涡旋光束，接着涡旋光束入射到分束器c上，并由分束器c反射至反射镜上后经过分束器c上原路返回并入射至分束器d上；
10.测试光经过分束器b透射、透镜组聚焦后变为球面波，并入射至拼接镜上，通过调节拼接镜的前后距离，当球面波曲率半径刚好与拼接镜曲率半径相等时，此时拼接镜表面反射的光束再次穿过透镜组后变为平面波，该平面波携带有拼接镜的共相误差信息，测试光即平面波经分束器d进入ccd相机，与参考光即涡旋光束在ccd相机发生类零位干涉，采用四步相移法得到携带有共相误差的螺旋波前相位，最终通过解调螺旋波前相位实现共相误差的精确解析。
11.优选的，所述反射镜设置于通过压电驱动的pzt位移平台上，用于相移。
12.一种上述基于涡旋光类零位干涉的大口径光学天线共相误差检测系统的工作方法，包括以下步骤：
13.(1)激光器发出的线偏振平面波先经过扩束器，然后经分束器a分为参考光和测试光；
14.(2)参考光经1/4波片变为圆偏振光，然后经过螺旋相位板后生产涡旋光束，接着涡旋光束入射到分束器c上，并由分束器c反射至反射镜上引入相移后经过分束器c上原路返回并入射至分束器d上；
15.(3)测试光经过分束器b透射、透镜组聚焦后变为球面波，并入射至拼接镜上，通过调节拼接镜的前后距离，当球面波曲率半径刚好与拼接镜曲率半径相等时，此时拼接镜表面反射的光束再次穿过透镜组后变为平面波，该平面波携带有拼接镜的共相误差信息；
16.(4)测试光即平面波与参考光即涡旋光束在ccd相机发生类零位干涉；
17.(5)采用四步相移法得到携带有共相误差的螺旋波前相位；
18.(6)解调螺旋波前相位获得拼接子镜误差信息，通过波前位错线的夹角和弯曲度分别得到平移误差和倾斜误差，实现共相误差的精确解析。
19.优选的，拼接镜包括中心参考镜和拼接子镜，步骤(6)之后，将平移误差和倾斜误差信息作为反馈引导促动器来实时调节拼接子镜，直至双波长测量下的拼接子镜的螺旋波前位错线都与中心参考镜共线，此处共相误差得到校正。
20.优选的，光学零位干涉测试是一种相对测量方法，已经广泛应用在光学元件的高精度检测中，其中零位干涉指的是参考波前与测试波前在干涉区域内任意一点处的相位差为零或都等于某一常数。涡旋光是一种特殊的光场，具有螺旋形波前相位(正螺旋面)，该波前的显著特点是在径向是等相位的，因此涡旋光与平面波在每一个径向上是零位干涉，在整个干涉区域上为类零位干涉。在校正时先选择一对中心参考镜和拼接子镜进行校正，对于多组中心参考镜和拼接子镜分别进行校正。
21.沿z方向传播的拓扑荷为l的涡旋光束的电场表达式为：
22.23.沿z方向传播的平面波的电场表达式为：
24.e
p
＝e
p
·
exp(ikz)
ꢀꢀꢀ
(2)
25.沿z方向传播的携带有拼接镜共相误差的平面波电场表达式为：
26.e
error
＝e
p
·
exp{i[k(z+δz)
·
cosδ]}
ꢀꢀꢀ
(3)
[0027]
其中，i为虚部，为涡旋光携带的相位，k＝2π/λ、z表示z方向上的传输距离；
[0028]
取ev＝e
p
＝e0,ccd相机上捕获的涡旋光与平面波类零位干涉光强为：
[0029][0030]
其中，δz是中心参考镜和拼接子镜之间的平移误差，δ是中心参考镜和拼接子镜之间的倾斜误差。
[0031]
优选的，在被测镜未被加载时采集一幅参考图像，其光强表达式为：
[0032]
i0＝a+bcosα
ꢀꢀꢀ
(5)
[0033]
式中，a为背景光强，b为调制度，α为未知的随机相位；
[0034]
对被测镜加载，通过pzt位移平台引入四步相移，步长为相移量分别为0，π，得到如下四幅光强图：
[0035][0036]
为了求得相位差β,将变形后的4幅光强图分别与参考图像相减，得到4幅相减图像：
[0037][0038]
式中，是高频相，被视为高频噪声，一般通过均值滤波或低通频域滤波滤除；将滤波后的光强进行平方处理，得：
[0039][0040]
根据公式(8)得到相位差的正切表达式为：
[0041][0042]
螺旋波前相位为：
[0043][0044]
优选的，当花瓣状干涉图中心参考镜与拼接子镜产生明显的位错且干涉图在径向存在弯曲，位错是平移误差带来的，弯曲是倾斜误差带来的，即同时存在平移误差和倾斜误差，弯曲度的大小与倾斜度成正相关，由相机采集四幅相移干涉图，通过四步相移法求解得到带有波前位错和弯曲的螺旋波前相位，如公式(10)所示和图5，提取中心参考镜和拼接子镜上的螺旋波前位错线构建函数：
[0045]
f(x)＝ax3+bx2+cx+d
ꢀꢀꢀ
(11)
[0046]
建立坐标系，从中心参考镜和拼接子镜上的螺旋波前位错线上提取若干数据点，计算得到公式(11)中常数a、b、c和d的值，或者，采用曲线拟合螺旋波前位错线，拟合所得曲线即为公式(11)；
[0047]
利用最小二乘法计算从螺旋波前位错线上提取数据点(xi，yi)(i＝1，2，3，
…
，m)(可按照一定的间隔提取，将总的曲线长度均分为m+1段，在分割点提取数据点的坐标，对于斜率变化大的地方可以多提取数据点)到构建的直线函数距离的均方根f(x)作为弯曲度评价函数，其中直线函数为：
[0048]
g(x)＝ax+b
ꢀꢀꢀ
(12)
[0049]
弯曲度评价函数为：
[0050][0051]
当函数f(x)取得最小值时得到的直线函数g(x)作为倾斜校正的基准，对弯曲度进行调节,f(x)作为计算弯曲度评价函数值，用来定量倾斜误差的大小，将弯曲度评价函数值反馈给促动器对拼接镜进行倾斜校正，f(x)的值越大，表示弯曲度越大，当f(x)
min
趋于0时，认为倾斜误差得到校正。
[0052]
优选的，根据公式(10)得到螺旋波前相位后，通过计算拼接子镜位错线与中心参考镜位错线之间的夹角δθ来定量平移误差δz的大小，δθ可根据所采集的图像获得，如图4中的θ1、θ2、θ3：
[0053][0054]
将夹角数值反馈给促动器对拼接镜进行平移校正，当夹角数值下降到趋于0时，认为平移误差得到校正。
[0055]
优选的，本发明采用了涡旋光与平面波干涉的基本原理，通过四步相移法求解得到携带有共相误差信息的螺旋波前相位，提取螺旋波前的波前位错线，其中中心参考镜的波前位错线与拼接子镜的螺旋波前位错线的夹角与平移误差成正比；螺旋波前位错线的弯曲度与倾斜误差成正相关，在实验操作中，先校正倾斜误差，直至螺旋波前位错线的弯曲度趋于零，然后校正平移误差，直至中心参考镜的波前位错线与拼接子镜的螺旋波前位错线的夹角都趋于零，可认为大口径光学天线共相误差得到校正。该套检测方案简便易行，具有高精度、快速测量的特点，同时，共相误差的表现形式很直观，通过肉眼就能辨别，对高精度
大口径光学天线共相误差的探测具有重要价值。
[0056]
本发明将拼接镜中的中心子镜作为参考镜，然后通过计算机处理得到携带有拼接子镜共相误差的螺旋波前位错线，建立螺旋波前位错线的转角和弯曲度分别与共相误差中平移误差和倾斜误差之间的数学关系，接着以该理论模型作为指导，设计拼接子镜共相误差高精度检测的光路结构，搭建涡旋光与平面波的四步相移干涉光路。
[0057]
本发明未详尽之处，均可参见现有技术。
[0058]
本发明的有益效果为：
[0059]
1)本发明从涡旋光与平面波类零位干涉的角度出发，为大检测范围、高检测精度、高检测效率共相误差检测提供一种新的研究思路与技术途径，为拼接型光学天线的设计与装调提供一种新型可靠的保障体系。
[0060]
2)本发明以中央螺旋波前位错线(即中心参考镜的螺旋波前位错线)为参考基准线，与所有拼接子镜上的螺旋波前位错线进行对比，并提取所有拼接子镜的共相误差信息，方法简便，检测效率高，可实时得到拼接子镜之间的平移误差和倾斜误差，无须单独进行共相定标来记录子镜之间的初始相对误差，螺旋波前位错线一直存在，没有传统共相检测方法中出现暗条纹可能存在难以对比或信息难以确定的情况，干涉信息即螺旋波前位错线清晰锐利且易于提取，利用提取的螺旋波前位错线角度与弯曲度来反演相邻子镜的共相误差，可以避免引入额外的传感器件。
[0061]
3)本发明能够直观地对平移误差和倾斜误差进行观察，通过肉眼就能辨别，两种误差通过花瓣状干涉图中的夹角和弯曲度来表示。
附图说明
[0062]
图1为本发明的系统示意图；
[0063]
图2为本发明的共相误差提取算法流程图；
[0064]
图3为拼接子镜共相误差求解原理图，其中(a)为从俯视角度观察的拼接镜面形；
[0065]
(b)为平移误差存在时拼接子镜与中心参考镜上螺旋波前位错线的形状；
[0066]
(c)为从三维视图观察拼接镜子镜之间的平移误差；
[0067]
(d)为倾斜误差存在时拼接子镜与中心参考镜上螺旋波前位错线的形状；
[0068]
图4为涡旋光与平面波类零位干涉平移误差检测流程图；
[0069]
图5为涡旋光与平面波类零位干涉倾斜误差检测流程图；
[0070]
图中，1-激光器，2-扩束器，3-分束器a，4-分束器b，5-分束器c，6-分束器d，7-1/4波片，8-螺旋相位板，9-透镜组，10-拼接镜，11-反射镜，12-pzt位移平台，13-ccd相机。
具体实施方式：
[0071]
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
[0072]
实施例1：
[0073]
一种基于涡旋光类零位干涉的大口径光学天线共相误差检测系统，如图1所示，包括激光器1、扩束器2、分束器a 3、分束器b 4、分束器c 5、分束器d 6、1/4波片7、螺旋相位板8、透镜组9、拼接镜10、反射镜11和ccd相机13；
[0074]
激光器1发出的线偏振平面波先经过扩束器2，然后经分束器a 3分为参考光和测试光，参考光经1/4波片7变为圆偏振光，然后经过螺旋相位板8后生产涡旋光束，接着涡旋光束入射到分束器c 5上，并由分束器5c反射至反射镜11上后经过分束器c 5上原路返回并入射至分束器d 6上；
[0075]
测试光经过分束器b 4透射、透镜组9聚焦后变为球面波，并入射至拼接镜10上，通过调节拼接镜的前后距离，当球面波曲率半径刚好与拼接镜曲率半径相等时，此时拼接镜10表面反射的光束再次穿过透镜组9后变为平面波，该平面波携带有拼接镜的共相误差信息，测试光即平面波经分束器d 6进入ccd相机13，与参考光即涡旋光束在ccd相机13发生类零位干涉，采用四步相移法得到携带有共相误差的螺旋波前相位，最终通过解调螺旋波前相位实现共相误差的精确解析。
[0076]
反射镜11设置于通过压电驱动的pzt位移平台12上，用于相移。
[0077]
实施例2：
[0078]
一种基于涡旋光类零位干涉的大口径光学天线共相误差检测系统的工作方法，如图2-5所示，包括以下步骤：
[0079]
(1)激光器1发出的线偏振平面波先经过扩束器2，然后经分束器a分为参考光和测试光；
[0080]
(2)参考光经1/4波片7变为圆偏振光，然后经过螺旋相位板8后生产涡旋光束，接着涡旋光束入射到分束器c 5上，并由分束器c 5反射至反射镜11上引入相移后经过分束器c 5上原路返回并入射至分束器d 6上；
[0081]
(3)测试光经过分束器b 4透射、透镜组9聚焦后变为球面波，并入射至拼接镜10上，通过调节拼接镜10的前后距离，当球面波曲率半径刚好与拼接镜曲率半径相等时，此时拼接镜表面反射的光束再次穿过透镜组后变为平面波，该平面波携带有拼接镜的共相误差信息；
[0082]
(4)测试光即平面波与参考光即涡旋光束在ccd相机发生类零位干涉；
[0083]
(5)采用四步相移法得到携带有共相误差的螺旋波前相位；
[0084]
(6)解调螺旋波前相位获得拼接子镜误差信息，通过波前位错线的夹角和弯曲度分别得到平移误差和倾斜误差，实现共相误差的精确解析。
[0085]
步骤(6)之后，将平移误差和倾斜误差信息作为反馈引导促动器来实时调节拼接子镜，直至双波长测量下的拼接子镜的螺旋波前位错线都与中心参考镜共线，此处共相误差得到校正。
[0086]
实施例3：
[0087]
一种基于涡旋光类零位干涉的大口径光学天线共相误差检测系统的工作方法，如实施例2所述，不同的是，在校正时先选择一对中心参考镜和拼接子镜进行校正，对于多组中心参考镜和拼接子镜分别进行校正。
[0088]
沿z方向传播的拓扑荷为l的涡旋光束的电场表达式为：
[0089][0090]
沿z方向传播的平面波的电场表达式为：
[0091]ep
＝e
p
·
exp(ikz)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0092]
沿z方向传播的携带有拼接镜共相误差的平面波电场表达式为：
[0093]eerror
＝e
p
·
exp{i[k(z+δz)
·
cosδ]}
ꢀꢀꢀ
(3)
[0094]
其中，i为虚部，为涡旋光携带的相位，k＝2π/λ、z表示z方向上的传输距离；
[0095]
取ev＝e
p
＝e0,ccd相机上捕获的涡旋光与平面波类零位干涉光强为：
[0096][0097]
其中，δz是中心参考镜和拼接子镜之间的平移误差，δ是中心参考镜和拼接子镜之间的倾斜误差。
[0098]
实施例4：
[0099]
一种基于涡旋光类零位干涉的大口径光学天线共相误差检测系统的工作方法，如实施例3所述，不同的是，从干涉图来看，花瓣状干涉图中心参考镜与边缘的拼接子镜产生明显的位错和/或弯曲，通过四步相移法求解复原可得到带有波前位错的螺旋波前相位以及带有波前弯曲的螺旋波前相位，如图3(b)、3(d)；
[0100]
在被测镜未被加载时采集一幅参考图像，其光强表达式为：
[0101]
i0＝a+bcosα
ꢀꢀꢀ
(5)
[0102]
式中，a为背景光强，b为调制度，α为未知的随机相位；
[0103]
对被测镜加载，通过pzt位移平台引入四步相移，步长为相移量分别为0，π，得到如下四幅光强图：
[0104][0105]
为了求得相位差β,将变形后的4幅光强图分别与参考图像相减，得到4幅相减图像：
[0106][0107]
式中，是高频相，被视为高频噪声，一般通过均值滤波或低通频域滤波滤除；将滤波后的光强进行平方处理，得：
[0108]
[0109]
根据公式(8)得到相位差的正切表达式为：
[0110][0111]
螺旋波前相位为：
[0112][0113]
当花瓣状干涉图中心参考镜与拼接子镜产生明显的位错且干涉图在径向存在弯曲，位错是平移误差带来的，弯曲是倾斜误差带来的，即同时存在平移误差和倾斜误差，弯曲度的大小与倾斜度成正相关，由相机采集四幅相移干涉图，通过四步相移法求解得到带有波前位错和弯曲的螺旋波前相位，如公式(10)、图3(d)及图5所示，提取中心参考镜和拼接子镜上的螺旋波前位错线构建函数：
[0114]
f(x)＝ax3+bx2+cx+d
ꢀꢀꢀ
(11)
[0115]
建立坐标系，从中心参考镜和拼接子镜上的螺旋波前位错线上提取若干数据点，计算得到公式(11)中常数a、b、c和d的值；
[0116]
利用最小二乘法计算从螺旋波前位错线上提取数据点(xi，yi)(i＝1，2，3，
…
，m)，比如可在螺旋波前位错线上将总曲线长度均分为101段，分割点为100个点，即m＝100，在分割点提取数据点的坐标构建弯曲评价函数)到构建的直线函数距离的均方根f(x)作为弯曲度评价函数，其中直线函数为：
[0117]
g(x)＝ax+b
ꢀꢀꢀ
(12)
[0118]
弯曲度评价函数为：
[0119][0120]
当函数f(x)取得最小值时得到的直线函数g(x)作为倾斜校正的基准，对弯曲度进行调节,f(x)作为计算弯曲度评价函数值，用来定量倾斜误差的大小，将弯曲度评价函数值反馈给促动器对拼接镜进行倾斜校正，f(x)的值越大，表示弯曲度越大，当f(x)
min
趋于0时，认为倾斜误差得到校正。
[0121]
f(x)的求解的具体过程优选为：
[0122]
a、提取m个数据点(xi,yi)；
[0123]
b、利用点到直线的距离公式分别算出m个数据点到直线ax+b之间的距离(结果里包含a、b这两个未知量)；
[0124]
c、写出距离的均方根公式f(x)；
[0125]
d、对a、b求偏导使得f’(x)等于0，在f(x)取得最小值时，此时a、b的值即为公式(12)里的值。
[0126]
实施例5：
[0127]
一种基于涡旋光类零位干涉的大口径光学天线共相误差检测系统的工作方法，如实施例4所述，不同的是，根据公式(10)得到螺旋波前相位后，通过计算拼接子镜位错线与中心参考镜位错线之间的夹角δθ来定量平移误差δz的大小，δθ可根据所采集的图像获得，如图3(b)、图4中的θ1、θ2、θ3：
[0128]
[0129]
将夹角数值反馈给促动器对拼接镜进行平移校正，当夹角数值下降到趋于0时，认为平移误差得到校正。
[0130]
本发明采用了涡旋光与平面波干涉的基本原理，通过四步相移法求解得到携带有共相误差信息的螺旋波前相位，提取螺旋波前的波前位错线，其中中心参考镜的波前位错线与拼接子镜的螺旋波前位错线的夹角与平移误差成正比；螺旋波前位错线的弯曲度与倾斜误差成正相关，在实验操作中，先校正倾斜误差，直至螺旋波前位错线的弯曲度趋于零，然后校正平移误差，直至中心参考镜的波前位错线与拼接子镜的螺旋波前位错线的夹角都趋于零，可认为大口径光学天线共相误差得到校正。该套检测方案简便易行，具有高精度、快速测量的特点，同时，共相误差的表现形式很直观，通过肉眼就能辨别，对高精度大口径光学天线共相误差的探测具有重要价值。
[0131]
图3是拼接子镜共相误差的求解原理，该方法以中心参考镜的螺旋波前位错线为参考基准线，与所有拼接子镜上的螺旋波前位错线进行对比，并提取所有拼接子镜共相误差信息，方法简便，检测效率高，可实时得到子镜之间的倾斜误差和平移误差，无须单独进行共相定标来记录子镜之间的初始相对误差，螺旋波前位错线一直存在，没有传统共相检测方法中出现暗条纹可能存在难以对比或信息难以确定的情况，干涉信息即螺旋波前位错线清晰锐利且易于提取，利用提取的螺旋波前位错线角度与弯曲度来反演相邻子镜的共相误差，可以避免引入额外的传感器件。该系统不仅具有大量程高精度，最重要的是满足未来拼接镜多子镜高效率的共相检测需求。
[0132]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于涡旋光类零位干涉的大口径光学天线共相误差检测系统，其特征在于，包括激光器、扩束器、分束器a、分束器b、分束器c、分束器d、1/4波片、螺旋相位板、透镜组、拼接镜、反射镜和ccd相机；激光器发出的线偏振平面波先经过扩束器，然后经分束器a分为参考光和测试光，参考光经1/4波片变为圆偏振光，然后经过螺旋相位板后生产涡旋光束，接着涡旋光束入射到分束器c上，并由分束器c反射至反射镜上后经过分束器c上原路返回并入射至分束器d上；测试光经过分束器b透射、透镜组聚焦后变为球面波，并入射至拼接镜上，通过调节拼接镜的前后距离，当球面波曲率半径刚好与拼接镜曲率半径相等时，此时拼接镜表面反射的光束再次穿过透镜组后变为平面波，该平面波携带有拼接镜的共相误差信息，测试光即平面波经分束器d进入ccd相机，与参考光即涡旋光束在ccd相机发生类零位干涉。2.根据权利要求1所述的基于涡旋光类零位干涉的大口径光学天线共相误差检测系统，其特征在于，所述反射镜设置于通过压电驱动的pzt位移平台上，用于相移。3.一种权利要求1所述的基于涡旋光类零位干涉的大口径光学天线共相误差检测系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)激光器发出的线偏振平面波先经过扩束器，然后经分束器a分为参考光和测试光；(2)参考光经1/4波片变为圆偏振光，然后经过螺旋相位板后生产涡旋光束，接着涡旋光束入射到分束器c上，并由分束器c反射至反射镜上引入相移后经过分束器c上原路返回并入射至分束器d上；(3)测试光经过分束器b透射、透镜组聚焦后变为球面波，并入射至拼接镜上，通过调节拼接镜的前后距离，当球面波曲率半径刚好与拼接镜曲率半径相等时，此时拼接镜表面反射的光束再次穿过透镜组后变为平面波，该平面波携带有拼接镜的共相误差信息；(4)测试光即平面波与参考光即涡旋光束在ccd相机发生类零位干涉；(5)采用四步相移法得到携带有共相误差的螺旋波前相位；(6)解调螺旋波前相位获得拼接子镜误差信息，通过波前位错线的夹角和弯曲度分别得到平移误差和倾斜误差，实现共相误差的精确解析。4.根据权利要求3所述的基于涡旋光类零位干涉的大口径光学天线共相误差检测系统的工作方法，其特征在于，拼接镜包括位于中央的中心参考镜和位于边缘的拼接子镜，步骤(6)之后，将平移误差和倾斜误差信息作为反馈引导促动器来实时调节拼接子镜，直至双波长测量下的拼接子镜的螺旋波前位错线都与中心参考镜共线，此处共相误差得到校正。5.根据权利要求4所述的基于涡旋光类零位干涉的大口径光学天线共相误差检测系统的工作方法，其特征在于，沿z方向传播的拓扑荷为l的涡旋光束的电场表达式为：沿z方向传播的平面波的电场表达式为：e
p
＝e
p
·
exp(ikz)
ꢀꢀꢀ
(2)沿z方向传播的携带有拼接镜共相误差的平面波电场表达式为：e
error
＝e
p
·
exp{i[k(z+δz)
·
cosδ]}
ꢀꢀꢀ
(3)其中，i为虚部，为涡旋光携带的相位，k＝2π/λ、z表示z方向上的传输距离；取e
v
＝e
p
＝e0,ccd相机上捕获的涡旋光与平面波类零位干涉光强为：
其中，δz是中心参考镜和拼接子镜之间的平移误差，δ是中心参考镜和拼接子镜之间的倾斜误差。6.根据权利要求5所述的基于涡旋光类零位干涉的大口径光学天线共相误差检测系统的工作方法，其特征在于，在被测镜未被加载时采集一幅参考图像，其光强表达式为：i0＝a+bcosα
ꢀꢀꢀ
(5)式中，a为背景光强，b为调制度，α为未知的随机相位；对被测镜加载，通过pzt位移平台引入四步相移，步长为相移量分别为0，π，得到如下四幅光强图：为了求得相位差β,将变形后的4幅光强图分别与参考图像相减，得到4幅相减图像：式中，是高频相，被视为高频噪声，通过均值滤波或低通频域滤波滤除；将滤波后的光强进行平方处理，得：根据公式(8)得到相位差的正切表达式为：螺旋波前相位为：7.根据权利要求6所述的基于涡旋光类零位干涉的大口径光学天线共相误差检测系统的工作方法，其特征在于，当花瓣状干涉图中心参考镜与拼接子镜产生明显的位错且干涉图在径向存在弯曲，即同时存在平移误差和倾斜误差，弯曲度的大小与倾斜度成正相关，由相机采集四幅相移干涉图，通过四步相移法求解得到带有波前位错和弯曲的螺旋波前相
位，提取中心参考镜和拼接子镜上的螺旋波前位错线构建函数：f(x)＝ax3+bx2+cx+d
ꢀꢀꢀ
(11)建立坐标系，从中心参考镜和拼接子镜上的螺旋波前位错线上提取若干数据点，计算得到公式(11)中常数a、b、c和d的值，或者，采用曲线拟合螺旋波前位错线，拟合所得曲线即为公式(11)；利用最小二乘法计算从螺旋波前位错线上提取数据点(x
i
,y
i
)(i＝1,2,3,
…
,m)到构建的直线函数距离的均方根f(x)作为弯曲度评价函数，其中直线函数为：g(x)＝ax+b
ꢀꢀꢀ
(12)弯曲度评价函数为：当函数f(x)取得最小值时得到的直线函数g(x)作为倾斜校正的基准，对弯曲度进行调节,f(x)作为计算弯曲度评价函数值，用来定量倾斜误差的大小，将弯曲度评价函数值反馈给促动器对拼接镜进行倾斜校正，f(x)的值越大，表示弯曲度越大，当f(x)
min
趋于0时，认为倾斜误差得到校正。8.根据权利要求7所述的基于涡旋光类零位干涉的大口径光学天线共相误差检测系统的工作方法，其特征在于，根据公式(10)得到螺旋波前相位后，通过计算拼接子镜位错线与中心参考镜位错线之间的夹角δθ来定量平移误差δz的大小：将夹角数值反馈给促动器对拼接镜进行平移校正，当夹角数值下降到趋于0时，认为平移误差得到校正。9.根据权利要求8所述的基于涡旋光类零位干涉的大口径光学天线共相误差检测系统的工作方法，其特征在于，在实验操作中，先校正倾斜误差，直至螺旋波前位错线的弯曲度趋于零，然后校正平移误差，直至中心参考镜的波前位错线与拼接子镜的螺旋波前位错线的夹角都趋于零，大口径光学天线共相误差得到校正。

技术总结
本发明涉及一种基于涡旋光类零位干涉的大口径光学天线共相误差检测系统及其工作方法，属于精密测量的光学精密测试领域。本发明的平面波携带有拼接镜的共相误差信息，平面波与涡旋光束在CCD相机发生类零位干涉，采用四步相移法得到携带有共相误差的螺旋波前相位，解调螺旋波前相位获得拼接子镜误差信息，通过波前位错线的夹角和弯曲度分别得到平移误差和倾斜误差，实现共相误差的精确解析。本发明以中心参考镜的螺旋波前位错线为参考基准线，与所有拼接子镜上的螺旋波前位错线进行对比，并提取所有拼接子镜的共相误差信息，方法简便，检测效率高，可实时得到拼接子镜之间的平移误差和倾斜误差。移误差和倾斜误差。移误差和倾斜误差。


技术研发人员：杨忠明 高宏伟 杨丽丽 刘兆军
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2022.03.14
技术公布日：2023/9/23