一种低对比度扩展源望远镜夏克哈特曼波前传感器制造技术

本发明专利技术提供了一种低对比度扩展源望远镜夏克哈特曼波前传感器，包括准直镜、小透镜阵列和离焦成像光电探测器，所述小透镜阵列位于传感器前置光学系统的出瞳面上，准直镜位于小透镜阵列前面实现光路准直，离焦成像光电探测器位于小透镜阵列的焦面上，所述小透镜阵列的透镜前方或后方设有小透镜的瞳孔遮挡阵列，或者小透镜阵列为带有瞳孔遮挡的小透镜阵列。本发明专利技术装配和调试极为方便，能大大改善太阳等低对比度扩展源的波前测量精度，便于批量生产，具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种低对比度扩展源望远镜夏克哈特曼波前传感器
本专利技术属于基于主动光学、自适应光学、光干涉等的低对比度扩展源高分辨成像波前检测领域，具体涉及一种基于小透镜瞳孔遮挡的低对比度扩展源望远镜夏克哈特曼波前传感器。
技术介绍
低对比度扩展源望远镜是一种专门观测诸如太阳等在内的低对比度扩展源的天文望远镜，这与夜晚恒星望远镜的区别根本上在于观测目标源分别是低对比度扩展源和夜间天文高对比度的目标，而为了实现望远镜的高分辨成像，无论主动光学还是自适应光学，天文望远镜的波前传感器是不可或缺的核心部件，提供主动光学和自适应光学闭环校正的反馈信号。比如，太阳作为一种高亮度的低对比度扩展观测目标源，其角直径约为32角分，而且是太阳像上的扩展目标特征呈现低对比度，比如体现太阳活动的光球上的太阳黑子直径大约是太阳的1/194（直径可达80000公里），亮度约3000至4500K，比光球温度5780K稍低，看上去呈现一些深暗的斑点，而且太阳黑子是一种太阳活动，并不稳定呈现在太阳某个位置，分布也很不均匀规律，在太阳表面横越移动时，其大小也会膨胀和收缩，而是成群出现活动；此外表面米粒组织比太阳黑子对比度更低很多。因此对太阳等表面低对比度目标源的波前探测是太阳望远镜主动光学或者自适应光学最具挑战性的技术。夏克哈特曼波前传感器，通过在望远镜等光学系统的焦后，通过选择合适的准直镜、前置系统的出瞳位置上小透镜阵列、小透镜阵列焦面上可能需要的缩小系统和最终的光电探测器等光电子元件，通过光电探测器上图像亮点阵位置的质心计算，重建出波前斜率和波前，能够高精度地实时监测望远镜等聚焦光学系统的光学性能，并可以提供主动光学或自适应光学等波前改正所需的各种反馈信号，因而在大量光学领域中获得非常广泛成熟的应用。但目前的低对比度扩展源望远镜的波前传感器，主要是基于相关跟踪器原理的低对比度扩展源波前夏克哈特曼波前传感器，利用小透镜阵列对低对比度扩展源的局部小视场进行低对比度特征成像，通过低对比度扩展源上低对比度目标特征图像在小透镜阵列的二维空间采样方向上的离散采样和基于相关波前处理机的互相关和绝对差分处理，而并非常见的点阵质心偏移计算，获得低对比度特征的在瞳孔面上的每个采样位置上的相对偏移，从而实现低对比度扩展源望远镜瞳孔波前的二维斜率分布计算，并为波前的积分重建做好准备。现有技术下，因为特征图像对比度很低或者不是稳定存在，比如低对比度扩展源的太阳黑子或其它太阳活动特征，甚至没有合适对比度特征，无法确保实现高精度的夏克哈特曼波前传感器的必需依赖的中央视场目标源的相关测量和反馈校正（图1为常见低对比度扩展源自适应光学波前传感器低对比度目标阵列图像（以太阳为例，相关运算处理），可以看出其信号对比度不好，只能采用图像相关匹配运算，像斑定位精度不高于0.1像素量级；图2为常规天文望远镜点源夏克哈特曼波前传感器点阵图像（质心高精度计算和定位），可以看出信号对比度非常高，像斑圆形对称，系统灵敏度很高，基于求质心的像斑定位精度高达0.01像素；波前传感器检测精度决定并正比于像斑定位精度，对比可见低对比度扩展源波前传感器的高精度像斑定位精度，远低于传统点源望远镜波前传感器的像斑定位精度，因而具有很大的必要性和需求，要求更进一步地发展和提高）。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术不足，提供了一种基于小透镜瞳孔遮挡的低对比度扩展源望远镜夏克哈特曼波前传感器，能克服现有技术精度低、抗干扰能力低等不足，利用全部小透镜的瞳孔遮挡并在小透镜阵列的汇聚光路的离焦像面上成像即可实现太阳望远镜波前测量，免除了低对比度特征目标选择的困难和低对比度目标特征的相关测量的低精度，除了全部透镜阵列的小透镜上的瞳孔遮挡外，无需在望远镜主光路和波前传感器光路上添加任何其它元件，结构非常简单、使用非常方便、成本也非常低，最重要的就是不再依赖于局部视场中的特征图像，而且实时测量及其精度均有了极大的提高和保证、便于批量生产。本专利技术提供了一种低对比度扩展源望远镜夏克哈特曼波前测量方法，将前置低对比度扩展源望远镜焦点上的低对比度扩展源像置于准直镜的前焦点上，将小透镜阵列进行瞳孔遮挡，置于前面光学系统的出瞳面上，利用离焦成像光电探测器在小透镜阵列的离焦的成像像面上获得暗点点阵，通过图像亮暗倒转算法将暗点转换成亮点，在计算机内完成位置的精确的亮点中心位置计算，并与理论的点阵位置比较后，执行波前重建，从而实现望远镜的波前像质改正，实现高分辨成像，完成低对比度扩展源望远镜的夏克哈特曼波前测量。本专利技术的工作原理是：低对比度扩展源望远镜与其它望远镜或者光学系统类似，在离焦足够多的位置上成像为瞳孔像，其瞳孔像的重心仍然能代表望远镜的指向或者跟踪目标的位置。而通过在小透镜阵列（对应光学系统的出瞳位置）的每个小透镜上增加足够遮挡比例的瞳孔遮挡，瞳孔遮挡的位置，尽可能靠近透镜阵列，前后放置甚至完全与透镜阵列加工成一个整体都可以，在合适的离焦位置上得到的应该是中心有亮暗过渡区和暗点的瞳孔加遮挡的像结构的点阵（类似小透镜列的瞳孔像），这个中心暗点，与常规望远镜的夏克哈特曼波前传感器的点阵亮点正好相似，与望远镜的光学入瞳孔面上的斜率分布直接相关，可以被用来在相机上采集获取，并通过图像亮暗倒转算法将暗点转换成亮点，在计算机内完成位置的精确的亮点中心位置计算，并与理论的点阵位置比较后，执行波前重建，从而实现望远镜的波前像质改正，并最终实现高分辨成像。其中合适的离焦位置选择，应该选择在黑区、渐晕区、明亮区中的从光轴上渐晕区刚刚进入黑区的地方，明亮区是扩展目标成像充分的地区，成像得到的是一个亮区域，减晕区是视场光线受到部分遮挡，成像不均匀的地区，内暗外亮的区域，而黑区则是光轴上成像因为完全遮挡而完全没有光线的区域。上述方法中，本领域技术人员可以根据需要对本专利技术所述夏克哈特曼传感器的各个光学部件参数进行设计调整以满足不同望远镜系统的需求，例如，由于低对比度扩展源望远镜观测的是扩展目标，需要更多的离焦量，方可实现上述波前传感器中所需实现的中心暗区；而同时为了不影响波前传感器的精度或者灵敏度，通常需要选择更长的小透镜阵列焦距，从而保证在离焦位置上仍然获得各种常规望远镜波前传感器的一样的高精度波前测量；最终的离焦位置可以与传统的波前传感器的焦距一样。此外，瞳孔遮挡的大小选择，正好可以调节波前传感器相机上低对比度源光强的强弱和选择确定的离焦位置，获得高对比度的中央暗区或阴影区的成像，供波前传感器检测和校正；为了在波前传感器相机上选择合适的成像暗点或亮暗过渡区的大小，可以通过几何光学简便地优化选择不同的离焦位置来获得。本专利技术还提供了一种低对比度扩展源望远镜夏克哈特曼波前传感器，包括准直镜、小透镜阵列和离焦成像光电探测器，所述小透镜阵列位于光学系统的出瞳面上，离焦成像光电探测器位于小透镜阵列的焦面上，小透镜阵列的透镜前方或后方设有小透镜的瞳孔遮挡阵列。上述小透镜的瞳孔遮挡阵列的位置通常靠近小透镜阵列放置。本领域技术人员可以根据不同的需要或者加工难易程度将小透镜阵列和小透镜的瞳孔遮挡阵列在物理空间上很接近的分立形式或者将两者整体组合。瞳孔遮挡实现方法可以是单个瞳孔遮挡与小透镜阵列中的小透镜分别一一对应处理实现，也可以以整体形式的瞳孔遮挡阵列对准小透镜阵列，或者直本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低对比度扩展源望远镜夏克哈特曼波前传感器，包括准直镜、小透镜阵列和离焦成像光电探测器，所述小透镜阵列位于传感器前置光学系统的出瞳面上，准直镜位于小透镜阵列前面实现光路准直，离焦成像光电探测器位于小透镜阵列的焦面上，其特征在于所述小透镜阵列的透镜前方或后方设有小透镜的瞳孔遮挡阵列。

【技术特征摘要】
1.一种低对比度扩展源望远镜夏克哈特曼波前传感器，包括准直镜、小透镜阵列和离焦成像光电探测器，所述小透镜阵列位于传感器前置光学系统的出瞳面上，准直镜位于小透镜阵列前面实现光路准直，离焦成像光电探测器位于小透镜阵列的焦面上，其特征在于所述小透镜阵列的透镜前方或后方设有小透镜的瞳孔遮挡阵列，所述瞳孔遮挡的比例为小透镜面积的50-90%。2.一种低对比度扩展源望远镜夏克哈特曼波前传感器，包括准直镜、小透镜阵列和离焦成像光电探测器，所述离焦成像光电探测器位于小透镜阵列的焦面上，其特征在于所述小透镜阵列为瞳孔遮挡的小透镜阵列，所述瞳孔遮挡的比例为小透镜面积的50-90%。3.如权利要求1或2所述的传感器，其特征在于所述低对比度扩展源为太阳、月亮或行星。4.如权利要求1或2所述的传感器，其特征在于所述瞳孔遮挡为呈圆形或多边形遮挡。5.如权利要求1或2所述的传感器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张勇，李烨平，王跃飞，
申请(专利权)人：中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32