CN105910630B - 基于空间光程差调制的光程差测量方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
基于空间光程差调制的光程差测量方法及其装置：⑴.宽带LED透过小圆孔为光源；⑵.经准直透镜成为准直光束；⑶.第一平板分束器耦合激光和白光；⑷.耦合后经第二平板分束器分为完全相同的两束光；⑸.两束光分别经过相同的反射镜和角隅棱镜，其中一个角隅棱镜放置在高精度直线电机平移台上，以提供高精度光程差控制；⑹.两束光经第三平板分束器合束，同时提供两束光之间的微小倾角；⑺.成像透镜将两束光形成的干涉条纹成像到电荷耦合元件探测器上；⑻.使用算法提取干涉条纹位置；⑼.计算两光束之间的光程差，得到测量结果。本发明对大气湍流不敏感。最大误差0.159微米，小于平均波长。精度满足条纹相干的要求。
Description
技术领域
本发明属于天文仪器技术领域，具体涉及一种基于空间光程差调制的光程差测量方法，以及这种测量方法所使用的装置。
技术背景
天文光干涉技术是通过使用延迟线和合束器，将不少于两台望远镜/定天镜连接起来，以获取高分辨天文观测能力的技术。大气扰动使得来自不同望远镜/定天镜之间的光束之间存在一个随机的光程差。随机光程差的存在使得两光束形成的条纹不断随机抖动。条纹的随机抖动导致积分时间被限制在10毫弧度量级。积分时间的限制降低了天文光干涉技术的观测灵敏度，降低了可观测的星等。因此天文光干涉需要将来自两台望远镜/定天镜的光束之间的光程差减小到一定程度，以实现条纹的稳定。根据矫正后光束间剩余光程差的大小，可以将条纹稳定机制分为两类：条纹共相和条纹相干。条纹共相要求矫正后，光束之间的剩余光程差远小于波长，例如1/20波长之下。条纹相干要求矫正后，光束之间的剩余光程差为波长量级。
两光束之间的光程差可以通过白光条纹的位置计算出来。白光条纹的位置可以通过直接分析干涉条纹或者通过分析色散之后各个不同波长的干涉条纹得到。两种方法都需要首先获得干涉条纹。获取干涉条纹的方法有时间调制的方法和空间调制的方法。时间调制方法是一种光程差调制方法，它采用压电转换器件，对两束光之间的光程差进行动态扫描，扫描范围大于相干长度。空间调制方法是一种相位调制方法，采用消色散移相器件和偏振分束器，得到一个相位周期内四个等相移π/4的测量。时间调制方法在光程差扫描过程中，大气湍流和机械振动引起的光程差变化会叠加到动态扫描引起的光程差变化中，造成所得到的干涉条纹出现压缩或者拉伸的现象，从而导致测量误差。算法必须更加复杂，以减弱这种影响。除此之外，时间调制方法需要一套系统来保证光程差调制精度，例如欧洲南方天文台VLTI的条纹追踪仪器FINITO的激光测量系统，这增加了系统的复杂性。空间调制方法则对于“调制”过程中的大气湍流引起的光程差变化更不敏感，因为它不经历一个扫描的时间过程。此外，空间调制采用的是静态的移相器件，所以不需要对于移相进行动态保障。但是Lawson指出空间调制方法具有无法计算每个波长所得数据权重（例如根据信噪比）的缺点。此外，空间调制方法只能测量经过平均波长取模之后的光程差。空间调制方法需要与色散元件结合起来，测量多个波长位置处的光程差，再通过算法计算得到实际的光程差。
发明内容：
为了克服现有技术的上述不足，本发明将提供一类新的条纹稳定机制：一种基于空间光程差调制的光程差测量方法，本发明还将提供这种测量方法所使用的装置。本发明相比于之前的时间调制方法，具有对大气湍流更不敏感的特性；在测量范围内，测量误差都小于实验所使用的平均波长。其中最大误差大小为0.159微米。该精度满足条纹相干的要求。
完成上述发明任务的技术方案是，一种基于空间光程差调制的光程差测量方法，其特征在于，步骤如下：
⑴. 采用宽带LED透过小圆孔作为光源；
⑵. 光源发出的光经过准直透镜成为准直光束；
⑶. 该准直光束经过第一平板分束器，耦合激光和白光；
⑷. 耦合后的激光和白光经过第二平板分束器，被分为完全相同的两束光；
⑸. 所述完全相同的两束光分别经过相同的反射镜和角隅棱镜，其中一个角隅棱镜放置在高精度直线电机平移台上，以提供高精度的光程差控制；
⑹. 所述完全相同的两束光经过第三平板分束器合束，同时该第三平板分束器也提供合束之后两束光之间的微小倾角；
⑺. 成像透镜将两束光形成的干涉条纹成像到电荷耦合元件探测器上；
⑻. 使用算法提取干涉条纹位置；
. 使用干涉条纹位置计算两光束之间的光程差，得到测量结果。
所述的小圆孔，申请人推荐采用直径25微米的小圆孔。
以上方案中所述的“微小倾角”，其角度为毫弧度量级，具体需要调节倾角大小使得一个条纹周期覆盖4个像素（因此决定于电荷耦合元件探测器的像素尺寸）。
以上步骤⑹所述的第三平板分束器采用一般平板分束器（无楔角），也可采用薄膜分束器。实现引入倾角的具体机制为：一束光部分透射过分束器，透射后光束方向与投射前相同；另一束光经过分束器部分反射，反射光束的方向决定于分束器表面法线与该光束的入射角。通过调节该光束的入射角，就可以改变平板分束器之后两光束之间的夹角。
两光束之间的毫弧度量级的倾角还可以由其他方式提供。例如，天文光干涉技术中常使用单模光纤作为空间滤波器，以消除自适应光学矫正之后的高阶残余波前误差。可以将光纤的端口紧密排列在透镜焦面中心上，就可以在透镜之后为两光束引入微小倾角，倾角大小等于光纤端口距离与焦距之比。之后再使用与上述相同的成像透镜将干涉条纹成像到探测器上。
本发明采用倾斜参与合束的两光束，来引入一个静态光程差调制，产生干涉条纹。干涉条纹的表达式推导如下：
假设参与合束的两光束为光束1和光束2，二者任一频率的单色光成分在探测器表面的振幅分别为和，其中θ为光束2相对于光束1倾斜的角度，ν=c/λ为任一单色光的频率，λ为相应单色光的波长，c为光速。则两光束合束之后的振幅与光强分别为：
⑴
⑵
⑶
⑷
其中为两束光的相干度（或称为两束光的互相关系数），为的辐角。为了简单考虑，假设两束光强度相同，即，则上述光强的表达式简化为：
⑸
在所用光谱范围内，用平均波长处的值μν0来代替，并假设不存在纵向色散。对上述单色光干涉条纹强度分布在所需波段上积分，可以得到宽带光干涉条纹强度分布I=的表达式：
⑹
其中，τ=/c，OPD为两光束之间由于大气湍流与机械振动导致的光程差，gτ为平移后中心化的光谱G的傅里叶变换。
从白光干涉条纹强度分布式（6）可见，由于倾角θ在相位表达式中的出现，x方向上不同位置处对应着不同的光程差值，等同于在x空间方向引入了静态的光程差调制。空间光程差调制可以不经动态扫描而得到干涉条纹。文献[1]指出，相比于时间调制这种动态调制方法，静态调制方法对于条纹获取过程中的光程差变化更不敏感。同时从式（6）中还可以看到，如果两光束存在一个不为零的光程差OPD，白光条纹的位置相对于光程差OPD为0时将会有相应平移Δ，二者的对应关系为：OPD=-Δ∙tanθ，如图1所示。从式（6）中还可以看到，由于白光干涉条纹的相干包络g为平移后中心化光谱G的傅里叶变换，条纹包络的宽度将会反比于光场的光谱宽度。宽带光将会形成一个窄的相干包络，这对于计算白光条纹位置是有利的。干涉条纹的周期决定于两光束之间的夹角θ：=/tanθ。最后，两束光干涉形成的干涉图需要成像透镜成像到探测器上，以适应探测器的尺寸。
空间光程差调制方法得到的干涉图为一个带有平行条纹的圆斑。在垂直于条纹的方向上，不同位置的条纹可见度不同，决定于光场的光谱形状。在探测器上，一个条纹周期对应于两光束之间一个平均波长大小的光程差，并且需要至少四个像素来取样。与此类似，探测器上/个条纹周期对应着整个光程差测量的动态范围，总共需要至少4/个像素来取样整个干涉条纹。这里所指的光程差测量动态范围是指能够以可接受误差测量的两光束之间光程差的范围。以平均波长=1.6μm的H波段为例，100个像素可以测量的动态范围LDR为：。探测器上干涉条纹的总长度将是，其中为探测器邻近像素之间的间距。对于空间光程差调制方法来说，可以得到以下的关系式：
⑺
其中1/N为成像透镜的横向放大率，为垂直于条纹方向上的光束宽度。从公式（5）可以看出，基于空间光程差调制条纹位置测量方法的灵敏度为tanθ∙N，其意义是条纹在探测器上平移单位距离所对应的两光束之间光程差变化。式（7）显示，灵敏度与夹角正切以及成像透镜横向放大率的倒数成正比，但是如果将之前对于系统所做的限制考虑在内，即一个条纹周期对应4个探测器像素，可以得到：
⑻
可以得到：光程差测量的动态范围与所用光场的平均波长以及所用像素数成正比。更长的波长以及更多的像素间距将会产生更大的光程差测量动态范围。但是像素数增多会降低条纹信号的信噪比，所以像素数的增加必须在保证信噪比的情况下。
完成本申请第二个发明任务的技术方案是，上述基于空间光程差调制的光程差测量方法所使用的装置，采用宽带LED透过小圆孔作为光源；其特征在于，在该光源后方设有准直透镜；该准直透镜后方的光路中设有激光器，并依次设有：用于耦合激光和白光的第一平板分束器、用于将光束分为两束的第二平板分束器，及用于将两束光合束的第三平板分束器，第三平板分束器也提供合束之后两束光之间的微小倾角；在第三平板分束器的后方，针对两束光分别设有相同的反射镜和角隅棱镜，其中一个角隅棱镜放置在高精度直线电机平移台上；两束光经过第三个平板分束器合束后形成的干涉条纹成像到电荷耦合元件探测器上。
所述的平板分束器采用一般平板分束器（无楔角），也可采用薄膜分束器。实现引入倾角的具体机制为：一束光部分透射过分束器，透射后光束方向与投射前相同；另一束光经过分束器部分反射，反射光束的方向决定于分束器表面法线与该光束的入射角。通过调节该光束的入射角，就可以改变平板分束器之后两光束之间的夹角。
两光束之间的毫弧度量级的倾角还可以由其他方式提供。例如，天文光干涉技术中常使用单模光纤作为空间滤波器，以消除自适应光学矫正之后的高阶残余波前误差。可以将光纤的端口紧密排列在透镜焦面中心上，就可以在透镜之后为两光束引入微小倾角，倾角大小等于光纤端口距离与焦距之比。之后再使用与上述相同的成像透镜将干涉条纹成像到探测器上。
为了节省设备的空间，以上光路中的各个器件之间，可以设置有平面镜，以改变光线的方向。
光路中设置激光器的有益效果是，该激光器发出的激光光束与准直后的白光光束经过相同的光路，用于方便光路中光学元件的调节。
本发明相比于之前的时间调制方法，具有对大气湍流更不敏感的特性；在测量范围内，测量误差都小于实验所使用的平均波长。其中最大误差大小为0.159微米。该精度满足条纹相干的要求。
附图说明
图1-1、图1-2为基于空间光程差调制的光程差测量方法原理；
图2 为基于空间光程差调制的光程差测量方法验证实验装置图；
图3为基于空间光程差调制的光程差测量方法验证实验结果。
具体实施方式：
实施例1，本发明的实施包括：在参与合束的两光束之间引入倾斜，以产生静态光程差调制；使用宽带白光获得白光干涉条纹；使用算法提取白光干涉条纹的位置，并使用条纹位置计算两光束之间的光程差。实施例1的装置图如图2所示。
图中，宽带LED和25微米直径小圆孔6，准直透镜7，平面镜8，第二平板分束器9，第三平板分束器10，成像透镜11，CCD探测器12，角隅棱镜13，激光器14，第一平板分束器15。
基于空间光程差调制的光程差测量方法所使用的装置，采用宽带LED透过小圆孔作为光源；在该光源后方设有准直透镜；该准直透镜后方的光路中设有激光器，并依次设有：用于耦合激光和白光的第一平板分束器、用于将光束分为两束的第二平板分束器，及用于将两束光合束的第三平板分束器，第三平板分束器也提供合束之后两束光之间的微小倾角；在第三平板分束器的后方，针对两束光分别设有相同的反射镜和角隅棱镜，其中一个角隅棱镜放置在高精度直线电机平移台上；两束光经过第三个平板分束器合束后形成的干涉条纹成像到电荷耦合元件探测器上。
使用算法提取条纹位置，使用条纹位置计算两光束之间的光程差。测量结果如图3所示。从图中可以看出，在测量范围内，测量误差都小于实验所使用的平均波长。其中最大误差大小为0.159微米。该精度满足条纹相干的要求。
[1]Blind N, Absil O, Le Bouquin J B, et al. Optimized fringe sensorsfor the VLTI next generation instruments[J]. Astronomy & Astrophysics, 2011,530: A121。
Claims (6)
1.一种基于空间光程差调制的光程差测量方法，其特征在于，步骤如下：
⑴. 采用宽带LED透过小圆孔作为光源；
⑵. 光源发出的光经过准直透镜成为准直光束；
⑶. 该准直光束经过第一平板分束器，耦合激光和白光；
⑷. 耦合后的激光和白光经过第二平板分束器，被分为完全相同的两束光；
⑸. 所述完全相同的两束光分别经过相同的反射镜和角隅棱镜，其中一个角隅棱镜放置在高精度直线电机平移台上，以提供高精度的光程差控制；
⑹. 所述完全相同的两束光经过第三平板分束器合束，同时该第三平板分束器也提供合束之后两束光之间的微小倾角；
⑺. 成像透镜将两束光形成的干涉条纹成像到电荷耦合元件探测器上；
⑻. 使用算法提取干涉条纹位置；
. 使用干涉条纹位置计算两光束之间的光程差，得到测量结果；
其中，干涉条纹的表达式推导如下：
假设参与合束的两光束为光束1和光束2，二者任一频率的单色光成分在探测器表面的振幅分别为和，其中θ为光束2相对于光束1倾斜的角度，ν=c/λ为任一单色光的频率，λ为相应单色光的波长，c为光速；则两光束合束之后的振幅与光强分别为：
⑴
⑵
⑶
⑷
其中为两束光的相干度，为的辐角；假设两束光强度相同，即，则上述光强的表达式简化为：
⑸
在所用光谱范围内，用平均波长处的值来代替，并假设不存在纵向色散；对上述单色光干涉条纹强度分布在所需波段上积分，得到宽带光干涉条纹强度分布I=dν的表达式：
⑹
其中，，OPD为两光束之间由于大气湍流与机械振动导致的光程差，g（τ）为平移后中心化的光谱的傅里叶变换；
从白光干涉条纹强度分布式（6），由于倾角θ在相位表达式中的出现，x方向上不同位置处对应着不同的光程差值，等同于在x空间方向引入了静态的光程差调制；空间光程差调制可以不经动态扫描而得到干涉条纹；从式（6）中看到，如果两光束存在一个不为零的光程差OPD，白光条纹的位置相对于光程差OPD为0时将会有相应平移Δ，二者的对应关系为：OPD=-Δ∙tanθ；从式（6）中还看到，由于白光干涉条纹的相干包络g为平移后中心化光谱的傅里叶变换，干涉条纹包络的宽度将会反比于光场的光谱宽度；宽带光将会形成一个窄的相干包络；干涉条纹的周期∆p决定于两光束之间的夹角θ：；最后，两束光干涉形成的干涉图需要成像透镜成像到探测器上，以适应探测器的尺寸；
空间光程差调制方法得到的干涉图为一个带有平行条纹的圆斑；在垂直于条纹的方向上，不同位置的条纹可见度不同，决定于光场的光谱形状；在探测器上，一个条纹周期对应于两光束之间一个平均波长大小的光程差，并且需要至少四个像素来取样；与此类似，探测器上/个条纹周期对应着整个光程差测量的动态范围，总共需要至少4/个像素来取样整个干涉条纹；这里所指的光程差测量动态范围是指能够以可接受误差测量的两光束之间光程差的范围；探测器上干涉条纹的总长度将是，其中为探测器邻近像素之间的间距；对于空间光程差调制方法来说，得到以下的关系式：
⑺
其中1/N为成像透镜的横向放大率，为垂直于干涉条纹方向上的光束宽度；从公式（5）看出，基于空间光程差调制条纹位置测量方法的灵敏度为tanθ∙N，其意义是条纹在探测器上平移单位距离所对应的两光束之间光程差变化；式（7）显示，灵敏度与夹角正切以及成像透镜横向放大率的倒数成正比，将之前对于系统所做的限制考虑在内，一个条纹周期对应4个探测器像素，得到：
⑻
得到：光程差测量的动态范围与所用光场的平均波长成正比，而与探测器像素之间的间距成反比。
2.根据权利要求1所述的基于空间光程差调制的光程差测量方法，其特征在于，所述的“微小倾角”，其角度为毫弧度量级，调节倾角大小使得探测器上一个条纹周期覆盖4个像素。
3.根据权利要求1所述的基于空间光程差调制的光程差测量方法，其特征在于，步骤⑶所述的第一平板分束器采用平板分束器，或采用薄膜分束器，或在透镜之后为两光束引入微小倾角，倾角大小等于光纤端口距离与焦距之比；之后再使用与上述相同的成像透镜将干涉条纹成像到探测器上；通过调节该光束的入射角，改变平板分束器之后两光束之间的夹角。
4.根据权利要求1-3之一所述的基于空间光程差调制的光程差测量方法，其特征在于，所述的小圆孔的直径为25微米。
5.权利要求1所述的基于空间光程差调制的光程差测量方法所使用的装置，采用宽带LED透过小圆孔作为光源；其特征在于，在该光源后方设有准直透镜；该准直透镜后方的光路中设有激光器，并依次设有：用于耦合激光和白光的第一平板分束器、用于将光束分为两束的第二平板分束器，及用于将两束光合束的第三平板分束器，第三平板分束器也提供合束之后两束光之间的微小倾角；在第三平板分束器的后方，针对两束光分别设有相同的反射镜和角隅棱镜，其中一个角隅棱镜放置在高精度直线电机平移台上；两束光经过第三个平板分束器合束后形成的干涉条纹成像到电荷耦合元件探测器上。
6.根据权利要求5所述的基于空间光程差调制的光程差测量方法所使用的装置，其特征在于，所述光路中的各个器件之间，设置有平面镜，以改变光线的方向。
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