CN103868680B - 基于斑点干涉成像的地基望远镜离焦像差探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种基于斑点干涉成像技术的地基望远镜离焦像差的高精度探测方法。在望远镜终端安装一台可以快速读出的CCD或CMOS相机，实现相机在焦点附近沿光轴的线性扫描，扫描范围由望远镜的具体参数给出，获得多组扫描过程中的序列斑点图。利用公式(1)和公式(2)对序列斑点图处理，获得多组离焦量参数，对该参数对齐叠加后，寻找离焦量参数最大值对应的探测器位置。探测器位置与理论焦点位置的距离带入公式(3)即可得到当前的离焦像差。可以有效消除目标信息对离焦像差探测的影响，有效消除湍流大气对离焦像差探测的干扰，实现高精度的离焦像差探测。

Description

基于斑点干涉成像的地基望远镜离焦像差探测方法
技术领域
本发明涉及天文测量与光学成像技术领域，具体是一种基于斑点干涉成像的地基望远镜离焦像差探测方法。
背景技术
望远镜的成像质量主要取决于主镜、副镜等主要成像元件的加工精度和安装精度，通常安装好的望远镜的成像质量是相对稳定的，但是离焦像差是例外。在望远镜运行过程中，由于探测器的安装位置、环境温度的变化等等都会产生望远镜的离焦像差，严重影响望远镜成像质量，因此如何高精度的探测焦点位置或离焦像差是保证运行过程中的望远镜成像质量的关键。对于地基望远镜主要的离焦像差探测的主要难点是地球湍流大气的干扰，如何消除湍流大气的干扰是地基望远镜实现高精度离焦像差探测的关键。
目前主要的望远镜离焦像差的探测方法有波前探测法、PSF分析法以及图像最小熵法等等，PSF分析法由于不能有效消除湍流大气的干扰，只能在小口径望远镜下实现离焦像差的探测，或在大口径望远镜的低精度的离焦像差的探测中。其中PSF分析法还不能用于太阳观测望远镜等对面源目标成像的望远镜。波前探测法可以有效消除湍流大气的干扰，因此可以在大口径望远镜的焦点探测中使用，但是需要高精度的波前探测器，需要很多附加光学系统，并且大气视宁度差时探测精度也受影响。波前探测法对面源目标为观测目标的望远镜的应用难度更高。
斑点干涉成像技术是一种天文高分辨成像技术，通过对序列短曝光(曝光时间<10ms)图像的功率谱进行统计重建，实现天文或空间目标的高空间分辨率的自相关像的重建。利用斑点干涉术进行离焦像差的探测，在不需要增加额外的探测设备的前提下，可以有效消除湍流大气的影响，实现高精度的离焦像差的探测，也可以在终端设计简单机构对望远镜离焦像差的变化进行高精度的实时监测。该技术可以应用于任意地基望远镜的焦点探测中。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于斑点干涉成像技术的地基望远镜离焦像差的高精度探测方法。这种方法可以有效消除地球湍流大气和观测目标信息对地基望远镜离焦像差探测的干扰，实现地基望远镜离焦像差的高精度探测。
本发明人发现目标短曝光图像的功率谱的低频部分(低于当前大气视宁度的频率)相对于其他频率，对离焦像差更为敏感，可以利用该频段的相对能量对离焦像差进行测量。利用斑点干涉成像技术计算的瞬时功率谱比中已经消除了观测目标信息和平均视宁度的影响，只留下了视宁度瞬时变化的影响。公式(1)是瞬时功率谱比的计算公式，
(1)
式中PR是瞬时功率谱比，I是目标斑点图的傅立叶频谱，O是目标的傅立叶频谱，H是大气—望远镜瞬时光学传递函数。如果序列斑点图I是探测器在焦点附近扫描的过程中拍的，那么公式(2)所计算的参数的最大时探测器离焦点的位置最近。
(2)
式中，FE为离焦量测量参数，r0为视宁度，D为望远镜口径。在实际测量中FE还是会受到视宁度的瞬时起伏的影响，在焦点附近多次扫描以后按扫描位置对齐叠加，可以有效的消除视宁度瞬时起伏的影响，得到高精度的离焦像差的探测。
基于上述理论，本发明提出了如下的技术方案：
在望远镜终端安装一台可以快速读出的CCD或CMOS相机，相机在焦点附近沿光轴的线性扫描，扫描范围由望远镜的具体参数给出，相机的移动速度根据离焦像差测量精度和相机的读出速度决定。离焦像差的检测过程如下：
1）让相机在扫描范围内匀速运动，同时相机拍观测目标的短曝光像，得到一组观测结果；
2）利用公式(1)和公式(2)计算该组的序列离焦量参数FE；
3）在同样的扫描区域，以相同的扫描速度，多次进行步骤1）步骤和2）的过程，获得多组离焦量参数FE；
4）根据焦点具体位置，将多组FE对齐后叠加，得到FE最大所对应的焦点位置；
5）理论焦点位置和实测焦点位置的差利用公式(3)即可得到离焦像差，
(3)
式中Δ是离焦像差的波像差峰谷值(P-V,单位nm)，d是理论焦点和实际焦点的距离，F/D是望远镜的成像焦比。
本发明的有益效果：
本发明与其他离焦像差探测方法相比，具有以下优点：
1、可以有效消除目标信息对离焦像差探测的影响，任意变化速度慢(<1分)的观测目标都可以用于探测。
2、可以有效消除湍流大气对离焦像差探测的干扰，实现高精度的离焦像差探测。
3、无需复杂的探测设备。在具备自动调焦功能的望远镜不需要增加额外的设备，利用现有的成像设备，通过观测天文目标即可实现高精度的离焦像差探测。即使是没有自动调焦功能的望远镜，也可以利用简单的电动位移台即可实现测量。
附图说明
图1是本发明的实现流程图。
具体实施方式
本发明的基于斑点干涉成像技术的地基望远镜离焦像差的高精度探测方法是：在望远镜终端安装一台可以快速读出的CCD或CMOS相机，相机在焦点附近沿光轴的线性扫描。扫描范围可以由望远镜的具体参数给出，利用公式(3)分别计算Δ1=-2λ和Δ2=2λ时的d1和d2, 则d1到d2就是相机沿光轴的线性扫描范围。相机的移动速度根据离焦像差测量精度和相机的读出速度决定，要保证扫描过程中拍到足够多的目标斑点图，并且扫描时间不长(<10s)。具体计算公式如下：
（4）
式中Vmax是相机扫描的最高速度，Δλ是离焦像差测量精度，l是相机扫描范围，4λ是相机扫描范围所对应的离焦像差的变化范围，NR是相机的每秒读出帧数。
离焦像差的检测过程如下：
1）让相机在扫描范围内匀速运动，同时相机拍观测目标的短曝光像，得到一组观测结果；
2）利用公式(1)和公式(2)计算该组的序列离焦量参数FE；
3）在同样的扫描区域，以相同的扫描速度，多次进行步骤1）步骤和2）的过程，获得多组离焦量参数FE；
4）根据焦点具体位置，将多组FE对齐后叠加，得到FE最大所对应的焦点位置；
5）理论焦点位置和实测焦点位置的差利用公式(3)即可得到离焦像差，
(3)
式中Δ是离焦像差的波像差峰谷值(P-V,单位nm)，d是理论焦点和实际焦点的距离，F/D是望远镜的成像焦比。
例：设一天文望远镜1m口径，综合焦长为20m，测量离焦像差的相机的读出速度为20帧/s，则利用“基于斑点干涉成像的离焦像差的探测方法”测量该望远镜的离焦像差的方法如下：
1.测量中心波长为550nm，则利用公式(3)计算扫描范围，满足Δ=±1100nm的扫描范围为距离理论焦点位置[－3.52mm，+3.52mm]。
2.测量精度为0.05λ，即27.5nm，则最快扫描速度利用公式(4)计算1.76mm/s。
3.设以上述参数让相机扫描的同时拍摄斑点图，利用公式(1)和公式(2)计算了离焦参量一组FE，重复获得多组FE后对齐叠加，获得了FE最大的位置为理论焦点位置+0.5mm处，则利用公式(3)可计算出离焦量的峰谷值(P-V值)为156.25nm，即0.284λ。

Claims (2)

1.一种基于斑点干涉成像技术的地基望远镜离焦像差的高精度探测方法，其特征在于在望远镜终端安装一台可以快速读出的CCD或CMOS相机，实现相机在焦点附近沿光轴的线性扫描，扫描范围由望远镜的具体参数给出，离焦像差的检测过程如下：
1）让相机在扫描范围内匀速运动，同时相机拍观测目标的短曝光像，得到一组观测结果；
2）利用公式(1)和公式(2)计算该组的序列离焦量参数FE；
(1)
(2)
式中：PR是瞬时功率谱比，I是目标斑点图的傅立叶频谱，O是目标的傅立叶频谱，H是大气—望远镜瞬时光学传递函数，r0为视宁度，D为望远镜口径；
3）在同样的扫描区域，以相同的扫描速度，多次进行步骤1）步骤和2）的过程，获得多组离焦量参数FE；
4）根据焦点具体位置，将多组FE对齐后叠加，得到FE最大所对应的焦点位置；
5）理论焦点位置和实测焦点位置的差代入公式(3)即可得到离焦像差：
(3)
式中Δ是离焦像差的波像差峰谷值，d是理论焦点和实际焦点的距离，F/D是望远镜的成像焦比。
2.根据权利要求1所述的基于斑点干涉成像技术的地基望远镜离焦像差的高精度探测方法，其特在于相机的移动速度根据离焦像差测量精度和相机的读出速度决定。
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