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。友思特可調諧濾光器（波長選擇器）可以通過波長調諧生成數字色散條紋（DDF）進行相位調整，它取代數字DFS的濾光器，實現數字色散使系統更加靈活。通過我們的產品，可實現更加便捷高效的活塞誤差檢測，相比傳統方法，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。凸顯了友思特波長選擇器 FWS-Poly 在光學研究領域的全新視角。

傳統的色散條紋傳感器DFS

分段孔徑是構建下一代大口徑望遠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注。通常，需要一個粗檢測步驟，將大規模活塞誤差控制在精細檢測算法的捕獲范圍內，該范圍大約為亞微米級。粗檢測和精細檢測的結合可以有效對齊分段孔徑望遠鏡系統，使其能夠在接近預期分辨率的狀態下運行。

20世紀90年代開發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生活塞調制的色散條紋圖案。活塞誤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。在傳統的DFS中，專門的色散元件需要具有很強且合適的色散能力，同時產生條紋擁擠的風險要小，這在設計上存在很大困難。此外，在傳統的DFS檢測中，需要進行光譜校準，以消除活塞調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進行活塞誤差檢測的過程變得復雜。

數字色散條紋（DDF）傳感器

來自中國科學院自適應光學重點實驗室、中國科學院光電技術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，通過調節穿過傳感器的光的波長來實現檢測，而主動活塞掃描方法需要參考鏡的活塞運動。對于每次調節的波長，我們記錄所有分段間區域的遠場光斑陣列。對于每個分段間區域，從光斑陣列中裁剪出相應的遠場光斑，然后進行累加。將所有調諧波長的一維（1D）強度分布進行堆疊，從而得到一個DDF，該DDF可以使用一維模板進行分析以估計活塞誤差。

圖1展示了傳統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。對于傳統的DFS，準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行色散，最后聚焦到探測器上。然而，對于數字DFS，關鍵的色散元件被去除，一個可調諧濾光器取代了具有固定濾光特性的濾光器。在數字DFS中，通過連續改變可調諧濾光器的中心波長和一系列堆疊算法，可以實現與色散元件產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。結果，活塞調制的波前由兩個矩形組成的組合光闌進行采樣，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調節圖1（b）中可調諧濾光器的濾光特性，再結合一系列數字DFS的算法來替代實現，而不是依賴特定的色散元件。

圖1. (a) 傳統 DFS 和 (b) 數字 DFS 的布局比較

友思特可調諧濾光器生成DDF模擬結果

以友思特商用可調諧濾光器（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行定制。其光學參數如表1所示。

表1. 友思特FWS全自動波長選擇器光學參數

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

表2. 數字DFS的關鍵參數

不同活塞誤差下的DDF模擬結果如圖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行已知幅度的主動驅動，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，這是當活塞誤差極大時，每次單波長調諧的相干性較低的直接結果。

圖2. 不同活塞誤差的 DDF

應該強調的是，研究人員基于友思特波長選擇器生成DDF的方法非常靈活，因為數字色散能力可以通過軟件手動設置參數來定義調諧和濾波特性進行調整，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 可調諧濾波器在DDF傳感器中實現數字色散效果：傳統DFS依賴物理色散元件實現色散效果，而數字DFS通過友思特波長選擇器（即 FWS-Poly-IR 可調諧濾光器）連續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 的光譜范圍內精確調諧中心波長，其波長精度可達 ±0.5nm，半峰全寬 3-16nm，中心波長的最小步長為 0.2nm。通過不同波長下遠場光斑陣列的采集和后續處理，實現數字色散，進而生成DDF。這種方式擺脫了對難以制造的物理色散元件的依賴，使系統更具靈活性。

總結與展望

總之，本文介紹了一種通過波長調諧生成DDF進行相位調整的新方法。該方法也適用于多鏡望遠鏡。對當前調諧波長狀態下采集的活塞調制遠場光斑，沿垂直于孔徑基線的方向進行累加。將所有一維累加強度分布按順序組裝成一個二維矩陣，生成DDF。通過互相關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噪聲具有強大的魯棒性。與傳統DFS相比，它具有優勢，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，這使得它在相位調整算法家族中脫穎而出。在未來的研究中，應該進一步分析研究DDF在噪聲條件下的詳細性能，并且在完成試驗臺搭建后將進行實驗驗證。

參考文獻：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 是一種可調諧濾波器，基于TwinFilm?專利技術，通過 USB 通信提供對中心波長和帶寬的簡單軟件控制（掃描或設置），并在所有波長上均勻地調整帶寬。它可以與任何類型的準直光源（超連續譜激光源或寬帶燈）一起使用，為光譜學和光譜成像應用產生連續可調的光源。

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 型號波長調節范圍為 775-1150nm，帶寬調節范圍 3-15nm。

審核編輯 黃宇