一種低對比度擴展源望遠鏡夏克哈特曼波前傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種低對比度擴展源望遠鏡夏克哈特曼波前傳感器，包括準直鏡、小透鏡陣列和離焦成像光電探測器，所述小透鏡陣列位于傳感器前置光學系統(tǒng)的出瞳面上，準直鏡位于小透鏡陣列前面實現(xiàn)光路準直，離焦成像光電探測器位于小透鏡陣列的焦面上，所述小透鏡陣列的透鏡前方或后方設有小透鏡的瞳孔遮擋陣列，或者小透鏡陣列為帶有瞳孔遮擋的小透鏡陣列。本發(fā)明裝配和調(diào)試極為方便，能大大改善太陽等低對比度擴展源的波前測量精度，便于批量生產(chǎn)，具有廣泛的應用前景。
【專利說明】一種低對比度擴展源望遠鏡夏克哈特曼波前傳感器

【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于基于主動光學、自適應光學、光干涉等的低對比度擴展源高分辨成像波前檢測領域，具體涉及一種基于小透鏡瞳孔遮擋的低對比度擴展源望遠鏡夏克哈特曼波前傳感器。。

【背景技術(shù)】
[0002]低對比度擴展源望遠鏡是一種專門觀測諸如太陽等在內(nèi)的低對比度擴展源的天文望遠鏡，這與夜晚恒星望遠鏡的區(qū)別根本上在于觀測目標源分別是低對比度擴展源和夜間天文高對比度的目標，而為了實現(xiàn)望遠鏡的高分辨成像，無論主動光學還是自適應光學，天文望遠鏡的波前傳感器是不可或缺的核心部件，提供主動光學和自適應光學閉環(huán)校正的反饋信號。比如，太陽作為一種高亮度的低對比度擴展觀測目標源，其角直徑約為32角分，而且是太陽像上的擴展目標特征呈現(xiàn)低對比度，比如體現(xiàn)太陽活動的光球上的太陽黑子直徑大約是太陽的1/194(直徑可達80000公里)，亮度約3000至4500K，比光球溫度5780K稍低，看上去呈現(xiàn)一些深暗的斑點，而且太陽黑子是一種太陽活動，并不穩(wěn)定呈現(xiàn)在太陽某個位置，分布也很不均勻規(guī)律，在太陽表面橫越移動時，其大小也會膨脹和收縮，而是成群出現(xiàn)活動；此外表面米粒組織比太陽黑子對比度更低很多。因此對太陽等表面低對比度目標源的波前探測是太陽望遠鏡主動光學或者自適應光學最具挑戰(zhàn)性的技術(shù)。
[0003]夏克哈特曼波前傳感器，通過在望遠鏡等光學系統(tǒng)的焦后，通過選擇合適的準直鏡、前置系統(tǒng)的出瞳位置上小透鏡陣列、小透鏡陣列焦面上可能需要的縮小系統(tǒng)和最終的光電探測器等光電子元件，通過光電探測器上圖像亮點陣位置的質(zhì)心計算，重建出波前斜率和波前，能夠高精度地實時監(jiān)測望遠鏡等聚焦光學系統(tǒng)的光學性能，并可以提供主動光學或自適應光學等波前改正所需的各種反饋信號，因而在大量光學領域中獲得非常廣泛成熟的應用。但目前的低對比度擴展源望遠鏡的波前傳感器，主要是基于相關跟蹤器原理的低對比度擴展源波前夏克哈特曼波前傳感器，利用小透鏡陣列對低對比度擴展源的局部小視場進行低對比度特征成像，通過低對比度擴展源上低對比度目標特征圖像在小透鏡陣列的二維空間采樣方向上的離散采樣和基于相關波前處理機的互相關和絕對差分處理，而并非常見的點陣質(zhì)心偏移計算，獲得低對比度特征的在瞳孔面上的每個采樣位置上的相對偏移，從而實現(xiàn)低對比度擴展源望遠鏡瞳孔波前的二維斜率分布計算，并為波前的積分重建做好準備。現(xiàn)有技術(shù)下，因為特征圖像對比度很低或者不是穩(wěn)定存在，比如低對比度擴展源的太陽黑子或其它太陽活動特征，甚至沒有合適對比度特征，無法確保實現(xiàn)高精度的夏克哈特曼波前傳感器的必需依賴的中央視場目標源的相關測量和反饋校正(圖1為常見低對比度擴展源自適應光學波前傳感器低對比度目標陣列圖像(以太陽為例，相關運算處理)，可以看出其信號對比度不好，只能采用圖像相關匹配運算，像斑定位精度不高于0.1像素量級；圖2為常規(guī)天文望遠鏡點源夏克哈特曼波前傳感器點陣圖像(質(zhì)心高精度計算和定位)，可以看出信號對比度非常高，像斑圓形對稱，系統(tǒng)靈敏度很高，基于求質(zhì)心的像斑定位精度高達0.01像素；波前傳感器檢測精度決定并正比于像斑定位精度，對比可見低對比度擴展源波前傳感器的高精度像斑定位精度，遠低于傳統(tǒng)點源望遠鏡波前傳感器的像斑定位精度，因而具有很大的必要性和需求，要求更進一步地發(fā)展和提高)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供了一種基于小透鏡瞳孔遮擋的低對比度擴展源望遠鏡夏克哈特曼波前傳感器，能克服現(xiàn)有技術(shù)精度低、抗干擾能力低等不足，利用全部小透鏡的瞳孔遮擋并在小透鏡陣列的匯聚光路的離焦像面上成像即可實現(xiàn)太陽望遠鏡波前測量，免除了低對比度特征目標選擇的困難和低對比度目標特征的相關測量的低精度，除了全部透鏡陣列的小透鏡上的瞳孔遮擋外，無需在望遠鏡主光路和波前傳感器光路上添加任何其它元件，結(jié)構(gòu)非常簡單、使用非常方便、成本也非常低，最重要的就是不再依賴于局部視場中的特征圖像，而且實時測量及其精度均有了極大的提高和保證、便于批量生產(chǎn)。
[0005]本發(fā)明提供了一種低對比度擴展源望遠鏡夏克哈特曼波前測量方法，將前置低對比度擴展源望遠鏡焦點上的低對比度擴展源像置于準直鏡的前焦點上，將小透鏡陣列進行瞳孔遮擋，置于前面光學系統(tǒng)的出瞳面上，利用離焦成像光電探測器在小透鏡陣列的離焦的成像像面上獲得暗點點陣，通過圖像亮暗倒轉(zhuǎn)算法將暗點轉(zhuǎn)換成亮點，在計算機內(nèi)完成位置的精確的亮點中心位置計算，并與理論的點陣位置比較后，執(zhí)行波前重建，從而實現(xiàn)望遠鏡的波前像質(zhì)改正，實現(xiàn)高分辨成像，完成低對比度擴展源望遠鏡的夏克哈特曼波前測量。
[0006]本發(fā)明的工作原理是:低對比度擴展源望遠鏡與其它望遠鏡或者光學系統(tǒng)類似，在離焦足夠多的位置上成像為瞳孔像，其瞳孔像的重心仍然能代表望遠鏡的指向或者跟蹤目標的位置。而通過在小透鏡陣列(對應光學系統(tǒng)的出瞳位置)的每個小透鏡上增加足夠遮擋比例的瞳孔遮擋，瞳孔遮擋的位置，盡可能靠近透鏡陣列，前后放置甚至完全與透鏡陣列加工成一個整體都可以，在合適的離焦位置上得到的應該是中心有亮暗過渡區(qū)和暗點的瞳孔加遮擋的像結(jié)構(gòu)的點陣(類似小透鏡列的瞳孔像)，這個中心暗點，與常規(guī)望遠鏡的夏克哈特曼波前傳感器的點陣亮點正好相似，與望遠鏡的光學入瞳孔面上的斜率分布直接相關，可以被用來在相機上采集獲取，并通過圖像亮暗倒轉(zhuǎn)算法將暗點轉(zhuǎn)換成亮點，在計算機內(nèi)完成位置的精確的亮點中心位置計算，并與理論的點陣位置比較后，執(zhí)行波前重建，從而實現(xiàn)望遠鏡的波前像質(zhì)改正，并最終實現(xiàn)高分辨成像。其中合適的離焦位置選擇，應該選擇在黑區(qū)、漸暈區(qū)、明亮區(qū)中的從光軸上漸暈區(qū)剛剛進入黑區(qū)的地方，明亮區(qū)是擴展目標成像充分的地區(qū)，成像得到的是一個亮區(qū)域，減暈區(qū)是視場光線受到部分遮擋，成像不均勻的地區(qū)，內(nèi)暗外亮的區(qū)域，而黑區(qū)則是光軸上成像因為完全遮擋而完全沒有光線的區(qū)域。
[0007]上述方法中，本領域技術(shù)人員可以根據(jù)需要對本發(fā)明所述夏克哈特曼傳感器的各個光學部件參數(shù)進行設計調(diào)整以滿足不同望遠鏡系統(tǒng)的需求，例如，由于低對比度擴展源望遠鏡觀測的是擴展目標，需要更多的離焦量，方可實現(xiàn)上述波前傳感器中所需實現(xiàn)的中心暗區(qū)；而同時為了不影響波前傳感器的精度或者靈敏度，通常需要選擇更長的小透鏡陣列焦距，從而保證在離焦位置上仍然獲得各種常規(guī)望遠鏡波前傳感器的一樣的高精度波前測量；最終的離焦位置可以與傳統(tǒng)的波前傳感器的焦距一樣。此外，瞳孔遮擋的大小選擇，正好可以調(diào)節(jié)波前傳感器相機上低對比度源光強的強弱和選擇確定的離焦位置，獲得高對比度的中央暗區(qū)或陰影區(qū)的成像，供波前傳感器檢測和校正；為了在波前傳感器相機上選擇合適的成像暗點或亮暗過渡區(qū)的大小，可以通過幾何光學簡便地優(yōu)化選擇不同的離焦位置來獲得。
[0008]本發(fā)明還提供了一種低對比度擴展源望遠鏡夏克哈特曼波前傳感器，包括準直鏡、小透鏡陣列和離焦成像光電探測器，所述小透鏡陣列位于光學系統(tǒng)的出瞳面上，離焦成像光電探測器位于小透鏡陣列的焦面上，小透鏡陣列的透鏡前方或后方設有小透鏡的瞳孔遮擋陣列。
[0009]上述小透鏡的瞳孔遮擋陣列的位置通?？拷⊥哥R陣列放置。本領域技術(shù)人員可以根據(jù)不同的需要或者加工難易程度將小透鏡陣列和小透鏡的瞳孔遮擋陣列在物理空間上很接近的分立形式或者將兩者整體組合。瞳孔遮擋實現(xiàn)方法可以是單個瞳孔遮擋與小透鏡陣列中的小透鏡分別一一對應處理實現(xiàn)，也可以以整體形式的瞳孔遮擋陣列對準小透鏡陣列，或者直接使用帶有瞳孔遮擋的小透鏡陣列。
[0010]本發(fā)明另一個方案中，可以將小透鏡陣列直接設計為帶有瞳孔遮擋的小透鏡陣列，小透鏡的前表面或后表面貼附有遮擋材料，也可以使用瞳孔部分為不透光材質(zhì)的復合型小透鏡陣列，上述幾種情況僅為帶有瞳孔遮擋的小透鏡陣列的舉例說明，不視為對本發(fā)明的限定。
[0011]上述技術(shù)方案中，具體的透鏡陣列的設計、瞳孔遮擋的比例，可以由幾何光學簡單方便的計算獲得；對應不同的透鏡陣列的透鏡形狀，瞳孔遮擋可以為任意對稱形狀，優(yōu)選圓形或多邊形(可以是正多邊形或中心對稱的多邊形)，比如圓形、六邊形、正方形或長方形，優(yōu)先選擇中心對稱形狀的圓形遮擋。優(yōu)選透鏡被瞳孔遮擋的遮擋位置在透鏡的中心位置，常見的瞳孔遮擋比例在5(Γ90%之間，優(yōu)選80%;如果比例過低，雖然擋光很少，但離焦位置會更遠；而如果太高，雖然離焦位置很近，但擋光太多。上述帶有瞳孔遮擋的小透鏡陣列優(yōu)選瞳孔遮擋比例為小透鏡口徑中心幾何尺寸的50-90%，優(yōu)選80%。
[0012]本發(fā)明所述低對比度擴展源為太陽、月亮或行星。
[0013]上述離焦成像光電探測器可以是離焦位置上安置的光電探測器或者安裝有縮小系統(tǒng)的光電探測器。
[0014]為了保持在離焦位置上測量的靈敏度，可以盡量保證離焦成像光電探測器的位置距離小透鏡陣列的距離接近常規(guī)夏克哈特曼波前傳感器設計中的小透鏡陣列焦距，對應增加小透鏡陣列的焦距，對于本領域技術(shù)人員來說，增加小透鏡陣列的焦距和曲率半徑，在光學加工檢測上是很容易實現(xiàn)和獲得的。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點:
克服的現(xiàn)有技術(shù)精度低、抗干擾能力差、或成本高昂、檢測、安裝調(diào)整困難等等不足，利用基于小透鏡瞳孔遮擋的低對比度擴展源望遠鏡夏克哈特曼傳感器方法，裝配和調(diào)試極為方便，能大大改善太陽等低對比度擴展源的波前測量精度，傳統(tǒng)的低對比度擴展源的夏克哈特曼波前傳感器，通過相關跟蹤器原理，采用兩圖像不同步長的迭代匹配算法，圖像偏移定位精度在0.1像素量級，而且迭代計算復雜耗時，而本發(fā)明通過對稱的圓點斑的質(zhì)心定位算法精度高達0.01像素或者更高，求質(zhì)心計算非常簡便。同時本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，制作和裝配容易，成本低，最重要的就是不再依賴于局部視場中的特征圖像，而且實時測量及其精度均有了極大的提高和保證、便于批量生產(chǎn)，具有廣泛的應用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1常見低對比度擴展源自適應光學波前傳感器低對比度目標陣列圖像。
[0017]圖2常規(guī)天文望遠鏡點源夏克哈特曼波前傳感器點陣圖像。
[0018]圖3為本發(fā)明實施例1所述的基于小透鏡瞳孔遮擋的低對比度擴展源望遠鏡夏克哈特曼波前傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖(其中，1.前置低對比度擴展源望遠鏡焦點上的低對比度擴展源像、2.準直鏡、3.小透鏡的瞳孔遮擋陣列、4.小透鏡陣列、5.離焦成像光電探測器)。
[0019]圖4為單個小透鏡及其瞳孔遮擋組成的光學單元(其中，6.單個小透鏡的瞳孔遮擋、7.單個小透鏡、8.小透鏡(陣列)的焦點、9.黑區(qū)、10.漸暈區(qū)、11.明亮區(qū)、12.離焦成像光電探測器位置)。
[0020]圖5為單個小透鏡及其瞳孔遮擋組成的光學單元在光電探測器上成暗點像13。
[0021]圖6為本發(fā)明在夏克哈特曼波前傳感器上獲取點陣示意圖(左圖為直接獲得的暗點點陣示意圖，右圖為使用圖像亮暗倒轉(zhuǎn)算法將暗點轉(zhuǎn)換成亮點得到的亮點點陣示意圖)。

【具體實施方式】
[0022]以下通過實施例說明本發(fā)明的具體步驟，但不受實施例限制。
[0023]在本發(fā)明中所使用的術(shù)語，除非另有說明，一般具有本領域普通技術(shù)人員通常理解的含義。
[0024]下面結(jié)合具體實施例并參照數(shù)據(jù)進一步詳細描述本發(fā)明。應理解，這些實施例只是為了舉例說明本發(fā)明，而非以任何方式限制本發(fā)明的范圍。
[0025]在以下實施例中，未詳細描述的各種過程和方法是本領域中公知的常規(guī)方法。
[0026]實施例1
一種基于小透鏡瞳孔遮擋的低對比度擴展源望遠鏡夏克哈特曼波前傳感器，如圖3所示，包括準直鏡2、小透鏡陣列4和離焦成像光電探測器5，所述小透鏡陣列4位于光學系統(tǒng)的出瞳面上，離焦成像光電探測器5位于小透鏡陣列4的焦面上，小透鏡陣列的透鏡前方設有小透鏡的瞳孔遮擋陣列3。瞳孔遮擋為中心對稱形狀的圓形遮擋；瞳孔遮擋的比例為小透鏡口徑中心幾何尺寸的的50-90%。圖4為單個小透鏡7及其瞳孔遮擋6組成的光學單元，其中，6為單個小透鏡的瞳孔遮擋、7為單個小透鏡、8為小透鏡(陣列)的焦點、9為黑區(qū)、10為漸暈區(qū)、11為明亮區(qū)、12為離焦成像光電探測器位置、13為光電探測器上成暗點像。
[0027]本發(fā)明述夏克哈特曼波前傳感器的另一個方案，可以將瞳孔遮擋陣列3接近放置在小透鏡陣列4的后方。
[0028]本發(fā)明所述夏克哈特曼波前傳感器的另一個方案，可以將上述方案中的小透鏡的瞳孔遮擋陣列3和小透鏡陣列4變形為整體的瞳孔遮擋的小透鏡陣列，小透鏡的前表面或后表面貼附有遮擋材料，或者使用瞳孔部分為不透光材質(zhì)的復合型小透鏡陣列。
[0029]在進行低對比度擴展源望遠鏡夏克哈特曼波前測量時，將前置低對比度擴展源望遠鏡焦點上低對比度擴展源像I位于夏克哈特曼波前傳感器的準直鏡2的前焦點上，瞳孔遮擋陣列3可以接近放置在小透鏡陣列4的前方或者后方，也可以使用直接組合在一起并位于前面光學系統(tǒng)的出瞳面上，離焦成像光電探測器5可以直接是光電探測器或者安裝有縮小系統(tǒng)的光電探測器。對于單個小透鏡7及其瞳孔遮擋6組成的光學單元而言，因為像為擴展目標，可以在離焦位置12上獲得有高對比度的暗點像13，該暗點像由外往內(nèi)分別為亮區(qū)、亮暗過渡區(qū)、暗點組成；全部暗點像組成暗點點陣，利用計算機采集設備采集成像面上的暗點點陣圖像，通過圖像亮暗倒轉(zhuǎn)算法將暗點轉(zhuǎn)換成亮點，如圖5所示，為之后夏克哈特曼傳感器波前斜率和波前實時重建采用，夏克哈特曼波前傳感器重建的波前被用來作為波前改正的反饋，進行低對比度擴展源主動光學、自適應光學或光干涉的閉環(huán)控制流程。
【權(quán)利要求】
1.一種低對比度擴展源望遠鏡夏克哈特曼波前傳感器，包括準直鏡、小透鏡陣列和離焦成像光電探測器，所述小透鏡陣列位于傳感器前置光學系統(tǒng)的出瞳面上，準直鏡位于小透鏡陣列前面實現(xiàn)光路準直，離焦成像光電探測器位于小透鏡陣列的焦面上，其特征在于所述小透鏡陣列的透鏡前方或后方設有小透鏡的瞳孔遮擋陣列。
2.一種低對比度擴展源望遠鏡夏克哈特曼波前傳感器，包括準直鏡、小透鏡陣列和離焦成像光電探測器，所述離焦成像光電探測器位于小透鏡陣列的焦面上，其特征在于所述小透鏡陣列為瞳孔遮擋的小透鏡陣列。
3.如權(quán)利要求1或2所述的傳感器，其特征在于所述低對比度擴展源為太陽、月亮或行星。
4.如權(quán)利要求1或2所述的傳感器，其特征在于所述瞳孔遮擋為呈圓形或多邊形遮擋。
5.如權(quán)利要求1或2所述的傳感器，其特征在于所述瞳孔遮擋的比例為小透鏡面積的50-90%ο
6.如權(quán)利要求1或2所述的傳感器，其特征在于所述離焦成像光電探測器是在離焦位置上安置的光電探測器或者安裝有縮小系統(tǒng)的光電探測器。
7.一種低對比度擴展源望遠鏡夏克哈特曼波前測量方法，其特征在于將前置低對比度擴展源望遠鏡焦點上的低對比度擴展源像置于準直鏡的前焦點上，將小透鏡陣列進行瞳孔遮擋，置于前面光學系統(tǒng)的出瞳面上，利用離焦成像光電探測器在小透鏡陣列的離焦的成像像面上獲得暗點陣列，通過圖像亮暗倒轉(zhuǎn)算法將暗點轉(zhuǎn)換成亮點，在計算機內(nèi)完成位置的精確的亮點中心位置計算，并與理論的點陣位置比較后，執(zhí)行波前重建，從而實現(xiàn)望遠鏡的波前像質(zhì)改正，實現(xiàn)高分辨成像，完成低對比度擴展源望遠鏡的夏克哈特曼波前測量。
8.如權(quán)利要求7所述的測量方法，其特征在于所述低對比度擴展源為太陽、月亮或行星。
9.如權(quán)利要求7所述的測量方法，其特征在于所述瞳孔遮擋為圓形或多邊形遮擋。
10.如權(quán)利要求7所述的測量方法，其特征在于所述瞳孔遮擋的比例為小透鏡面積的50-90%ο
【文檔編號】G01J9/00GK104198056SQ201410499573
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月25日
【發(fā)明者】張勇, 李燁平, 王躍飛 申請人:中國科學院國家天文臺南京天文光學技術(shù)研究所