色散瑞利干涉共相检测技术与多光谱CCD相机共相检测技术研究

To solve the measurement of piston error between separated sub-mirrors of sparse aperture interferometric telescope, the propose makes efforts to study the dispersed Rayleigh interferometric co-phasing measurement method and the multispectral CCD camera co-phasing measurement method. The dispersed Rayleigh interferometric co-phasing measurement method will be modified which will works even in the case of small piston error. The new co-phasing measurement method based on a multispectral CCD camera is first proposed in which no wave-front sensor is used. The new method can acquire piston error by analyzing the monochromatic interference patterns of several different wavelengths collected simultaneously by the multispectral CCD camera. The two co-phasing measurement methods will be tested in the optical interferometer experiment platforms, and the relative phase extracting algorithms will be studied or improved. In order to measure piston error between separated sub-mirrors, we will try to apply these two co-phasing measurement methods to the Fizeau sparse aperture interferometric telescope. The piston error will be corrected after being measured. Finally, the corrected piston error less than one-tenth of one wavelength will be achieved.

为解决稀疏孔径干涉望远镜分离子镜共相误差检测问题，本项目着力于色散瑞利干涉共相检测方法和多光谱CCD相机共相检测方法的研究。改进色散瑞利干涉共相检测方法，解决该方法难以测量小于半波长平移误差的难题。首次提出多光谱CCD相机共相检测方法，该方法无需波前传感器，只需对多光谱CCD相机同时采集到的若干不同波长单色光的干涉条纹信息进行数据处理即可得到待测的共相误差。搭建光干涉实验平台对色散瑞利干涉共相检测及多光谱CCD相机共相检测这两种方法进行实验验证，并完善相关数据处理算法。尝试将这两种方法应用到斐索型共副镜稀疏孔径干涉望远镜上，对分离子镜间共相误差进行检测，并对共相误差进行控制校正，实现共相误差优于十分之一个波长。

斐索光干涉望远镜基于像面干涉原理，不需要大行程的延迟线检测与光程差补偿，基线短、结构紧凑，可瞬时直接成像，适用于宽视场、运动目标观测。为了获得接近衍射极限的分辨率，需保证斐索光干涉望远镜中的各子束在其焦面上精确共相。对于地基光干涉望远镜，重力形变、风速、温度等因素都会导致子镜位置发生变化，目前通常采用电学边缘传感器检测各子镜位置，但仍需先采用光学检测方法对子镜间的共相零位位置进行标定。为解决现有共相检测方法存在的2π模糊性、动态范围受限问题，论证了两个子孔径在单色光条件下其远场干涉条纹峰值偏移量与其相位平移误差之间的近似线性关系，提出了基于光栅色散干涉条纹的共相检测方法，仿真结果表明该方法可以实现相位平移误差直接检测，50微米范围内平移误差的检测精度优于20纳米。提出了色散干涉图像峰值比值为评价函数的共相零位标定方法，以两个子镜为研究对象，对该共相零位标定方法进行了仿真验证，并完成了实验验证。实验结果表明，该方法不受2π模糊性问题影响，可在几百微米共相误差范围内以10纳米左右精度对共相零位进行标定。在此基础上，课题组经过近三年的努力，已经初步成功研制了一套由7 块子镜组成的等效口径为500纳米的斐索光干涉实验样机装置。2015年完成了其中4 块子镜的粗、精共相检测，获得了宽带白光（中心波长600纳米，带宽100纳米）条件下清晰的远场干涉图像。2016年实现了全部7块子镜的粗、精共相检测与共相控制，共相精度优于30纳米，同时获得了宽带白光（中心波长600纳米，带宽100纳米）条件下清晰的远场干涉图像，该图像FWHM值与其理论仿真结果误差在5%左右。本课题的研究成果为斐索光干涉望远镜实时共相检测与实时闭环共相稳定控制技术的进一步研究，以及地基大口径斐索光干涉望远镜、月基和长基线干涉阵列望远镜的研制提供了技术参考。