大口径平行光管实时检焦系统

　　0 引 言

　　随着人类不断向太空深处探索，空间光学得到了长足的发展，各种大型空间望远镜、空间相机层出不穷，其口径也是越做越大，如：口径为2.4 m 的Hubble 望远镜、单个口径为8.4 m 的LBT 望远镜、口径6.5 m 的James 天基望远镜和总拼接口径为25 m 的GMT 地基望远镜等。因此，大口径检测系统在标定与检测的科研工作中应用越来越广泛，其核心设备是大口径的平行光管。可是随着平行光管的口径越来越大、焦距越来越长，调整与标定平行光管的过程也变得很繁琐，其像质也较难保证，并且容易受到周围环境的影响[1]。比如：温度、空气扰动、震动或抽真空后光管内外压强差等环境参数的变化引起的离焦问题，不但降低了大口径平行光管的像质，而且使平行光管出射光的发散度增大，进而影响了对于大口径光学设备标定与检测的精度。

　　目前应用比较广泛的检焦方法主要有：测距法、程序补偿法、图像处理法、光电自准直法[2-3]四种。

　　1) 测距法：主要是通过成像系统向成像目标发出激光或是超声波，利用接收器件接收反射波，最后按照一定的算法通过激光或是超声波往返的时间算出物距以及像距。该方法主要用于经纬仪等成像设备，虽然成本较低、可靠性好，但是需要增加雷达或测距机等相应装置[4]。

　　2) 程序补偿法：利用现有的实验室数据来训练人工神经网络等智能程序，程序经过大量数据的训练便可以找出离焦量与温度、气压、震动等参数的关系，在实际的应用中只要输入现场的几种环境参数，训练好的程序就会给出相应的离焦量。这种方法虽然简单，但是不能完全模拟现实环境的复杂程度，精度不够。

　　3) 图像处理法：是通过评价和处理离焦时系统所成的模糊图像，计算出系统当时的离焦量，这种方法虽然实时性较高，精度较好，但只适用于传输型空间相机或显微镜等成像系统[5-6]。

　　4) 光电自准直法：相比前几种方法，更适于在实验室中应用，而且此方法也正是现阶段实验室调校平行光管的主要方法。但是由于自准直法所用的大口径平面镜会占用整个光管的通光口径，所以平行光管一旦调整好，是无法在使用期间再次调整或检测离焦量的。而且由于被检设备的口径越做越大，调校时所用平面镜的口径也从原来的几百毫米增加到现在的几米甚至十几米，其重量也以百公斤计，所以每次移动平面镜都会对周围的环境参数造成严重的影响，因此无法立即开始检测或调试，这不但会拖慢整个科研项目进程而且还会影响到测量结果的可信程度。

　　正是因为如此，本文才提出利用五棱镜代替大口径平面镜，使光斑成像于焦平面处的线阵CCD 上，经驱动电路、数模转换电路等把光斑信号传递给计算机，通过后期的软件处理得出离焦量的大小和方向。该系统结构简单、体积与重量都较小，易于调整与搬运。并且五棱镜固定在一般试验都不会用到的平行光管的口径边缘，因此不会影响其他的实验工作，可在实验中进行实时检焦。