CN113176079B - 用于高对比度成像星冕仪超高精度波前检测与标定方法 - Google Patents

用于高对比度成像星冕仪超高精度波前检测与标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于高对比度成像星冕仪超高精度波前检测与标定方法，其步骤包括：步骤1、搭建一套以变形镜为核心的星冕仪系统；步骤2、控制星冕仪控制系统发送第一控制信号给变形镜，使其在焦面产生超高对比度暗区，并拍摄此时焦面图像作为参考图像；步骤3、根据星冕仪波前检测精度设计指标，施加第二控制信号给变形镜；步骤4、通过评估参考波面与步骤3波面之间差异判断系统波前检测精度是否达到设计要求。本发明的方法不需要引入额外的检测元器件，只需要利用星冕仪的可变形镜，并通过其施加的控制信号给变形镜，通过评估焦面暗区图像，即可实现超高精度的波前检测与定标。

Description

用于高对比度成像星冕仪超高精度波前检测与标定方法
技术领域
本发明涉及系外行星超高对比度成像仪领域，具体涉及一种用于高对比度成像星冕仪超高精度波前检测与标定方法。
背景技术
太阳系外行星探测对理解生命起源和演化、认知人类在宇宙中的地位具有重大科学意义。其最终目标是搜寻围绕类太阳光谱型恒星宜居带内的地球质量的行星，最终解答“人类在宇宙中是否孤独？”这一基本科学问题。然而由于类地行星与主星辐射对比度相差悬殊，且离主星的距离较近，致使来自行星的微弱光子信号被淹没在极强的恒星背景中。
目前国内外研制的系外行星直接成像星冕仪只能在红外波段进行观测，其成像对比度达只能达到10-6量级。对应的波前测量和标定精度只需要达到1/100波长的数量级。然而由于类地行星与主星辐射对比度相差悬殊，其成像对比度通常在10-6～10-10的范围内，对应的波像差测量和标定精度在1/100～1/10000工作波长。而目前常规的技术手段如夏克哈特曼波前传感器、传统的相位干涉仪等测量技术都很难达到如此高的波前检测和定标精度。为此研究出一种简单、有效的波前检测与定标的方法是该领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种用于高对比度成像星冕仪超高精度波前检测与定标方法。该方法通过控制星冕仪系统内的可变形镜产生特定的控制信号，之后通过评估焦面超高对比度暗区，实现超高精度的波前检测和定标。
本发明的技术方案如下：
用于高对比度成像星冕仪超高精度波前检测与标定方法，针对对比度优于10-6以上的星冕仪，波前检测与标定精度在1/100～1/10000工作波长范围，具体步骤如下：
步骤1、搭建一套以变形镜为核心的星冕仪光学系统；其中，变形镜放置在系统的光瞳处且与望远镜的主镜共轭；
步骤2、星冕仪控制系统发送第一控制信号给变形镜，进而在焦面产生高对比度暗区，并利用焦面相机拍摄N张焦面图像；
步骤3、将步骤2中采集的N张图像平均后作为参考图像，该参考图像分别与步骤2中采集的N张焦面图像依次计算RMS值，将上述计算的RMS值取平均作为参考RMS值；步骤4、根据星冕仪波前检测精度和变形镜的有效行程计算得到变形镜的第二控制信号，将第二控制信号与第一控制信号相加，并通过星冕仪控制系统发送给变形镜，并拍摄系统的焦面图像；
步骤5、通过评估所述焦面图像与所述参考图像上暗区内的散斑变化评估系统的波前检测精度；计算参考图像与焦面图像之间的RMS值，该RMS值大于参考RMS值时，则星冕仪系统波前检测与定标精度达到要求。
进一步的，所述步骤3和步骤4中，评估过程采用如下评价函数：
Figure BDA0003068246430000021
其中，m和n为图像行列数，xmn为步骤3得到的图像在(m,n)位置的像素值，x'mn为步骤4或步骤1拍摄的图像在(m,n)点的像素值。
进一步的，所述的波前检测与定标方法仅使用星冕仪内的变形镜和焦面相机，不需要额外的器件。
进一步的，所检测的是相对的波前精度，即检测的是步骤3产生波面相对于步骤2波面的变化，而非绝对的波前精度。
本发明的有益效果是：
本发明的检测与定标方法，不需要引入额外的检测元器件，只需要利用冕仪内的可变形镜，通过施加特定的控制信号给变形镜，通过评估系统焦面暗区图像就可以实现对系统的波前检测与定标；相比于传统的波前检测技术，本发明的方法具有更高的波前检测精度。
附图说明
图1是星冕仪光学系统示意图；
图2是实验室测试的结果图。
其中，1-准直透镜，2-摆镜，3-变形镜，4-星冕仪，5-焦面相机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明是一种用于超高对比度星冕仪超高精度波前检测与定标方法，特别是一种用于检测与定标相对波前精度的方法，具体步骤按照以下方式实施：步骤1、搭建一套星冕仪光学系统。其中，变形镜放置在系统的光瞳处且与望远镜的主镜共轭。
如图1所示，本实施例中，望远镜的光由准直镜1准之后，经由摆镜2和变形镜3反射(摆镜用于稳像；变形镜用于校正系统内的散斑噪声)，摆镜和变形镜都需要分别与望远镜的主镜共轭；之后望远镜的光进入星冕仪4，最后在焦面相机5成像。星冕仪控制系统分别与摆镜、变形镜和焦面相机连接。需要说明的是，可实现本发明目的星冕仪光学系统的具体实施方案(包括准直镜1、摆镜2等光学元件的选择)可根据具体需要而确定，本实施例仅结合图1中的具体结构作为优选方案进行示例说明。
步骤2、星冕仪控制系统发送第一控制信号给变形镜，进而在焦面产生高对比度暗区，此时通过焦面相机连续拍摄N张超暗区图像；
步骤3、由于相机噪声、变形镜重复精度的限制，步骤2拍摄的焦面图像会有一定的差异，每张图像的暗区都不会完全相同，为此需要将步骤2中采集的N张图像平均后作为参考图像，并依次与步骤2中采集的N张焦面图像计算RMS值，将上述计算的RMS值取平均作为参考RMS值；
步骤4、根据星冕仪波前检测精度和变形镜的有效行程计算得到变形镜的第二控制信号，将第二控制信号与参考波前的第一控制信号相加，并通过星冕仪控制系统发送给变形镜，并拍摄系统的焦面图像。
假设星冕仪波前检测精度设计值为λ/1000(λ为工作波长)，而变形镜的有效行程为1.5μm，对应的控制信号范围为0～1。则可以计算得到λ/1000波前检测精度对应变形镜的控制信号为λ/1500。将该值与参考波前的控制信号相加，并通过星冕仪控制系统发送给变形镜，并拍摄系统焦面图像。
步骤5、由于本专利提出的方法是检测一个相对的波前精度，即检测步骤4波面相对于步骤2参考波面的变化。因此可以通过评估两幅图像暗区内的散斑变化来评估系统的波前检测精度。本发明通过评估两幅图像的RMS值来判断系统波前检测精度是否达到设计要求。计算公式如下，
Figure BDA0003068246430000031
其中，m和n为暗区图像行列数，xmn为步骤3拍摄的图像在(m,n)位置的像素值，x'mn为步骤2或步骤4拍摄图像在(m,n)点的像素值。
计算参考图像与步骤4图像之间的RMS值，计算得到的RMS值大于参考值时，则证明设计的星冕仪波前检测精度达到设计指标要求。
综上所述，本发明提供了一种星冕仪超高精度波前检测与定标的方法，具体步骤按照以下方式实施，步骤1、搭建一套以变形镜为核心的星冕仪系统；步骤2、控制星冕仪控制系统发送第一控制信号给变形镜，使其在焦面产生高对比度暗区，并拍摄此时焦面图像作为参考图像；步骤3、根据星冕仪波前检测精度设计指标，施加第二控制信号给变形镜；步骤4、通过评估参考波面与步骤3波面之间差异判断系统波前检测精度是否达到设计要求。本发明的波前检测方法，不需要引入额外的检测元器件，只需要利用星冕仪系统内的变形镜，并通过其施加控制信号给变形镜，通过评估焦面暗区图像，即可实现超高精度的波前检测与定标。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.用于高对比度成像星冕仪超高精度波前检测与标定方法，其特征在于，针对对比度优于10-6以上的星冕仪，波前检测与标定精度在1/100～1/10000工作波长范围，具体步骤如下：
步骤1、搭建一套以变形镜为核心的星冕仪光学系统；其中，变形镜放置在系统的光瞳处且与望远镜的主镜共轭；
步骤2、星冕仪控制系统发送第一控制信号给变形镜，进而在焦面产生高对比度暗区，并利用焦面相机拍摄N张焦面图像；
步骤3、将步骤2中采集的N张图像平均后作为参考图像，该参考图像分别与步骤2中采集的N张焦面图像依次按照如下评价函数计算RMS值，将上述计算的RMS值取平均作为参考RMS值；
Figure FDA0003504672320000011
其中，m和n为图像行列数，xmn为步骤3得到的图像在(m,n)位置的像素值，x'mn为步骤2拍摄的图像在(m,n)点的像素值；
步骤4、根据星冕仪波前检测精度和变形镜的有效行程计算得到变形镜的第二控制信号，将第二控制信号与第一控制信号相加，并通过星冕仪控制系统发送给变形镜，并拍摄系统的焦面图像；
步骤5、通过评估所述焦面图像与所述参考图像上暗区内的散斑变化评估系统的波前检测精度；按照如下评价函数计算参考图像与步骤4中的焦面图像之间的RMS值，该RMS值大于参考RMS值时，则星冕仪系统波前检测与定标精度达到要求；
Figure FDA0003504672320000012
其中，m和n为图像行列数，xmn为步骤3得到的图像在(m,n)位置的像素值，x'mn为步骤4拍摄的图像在(m,n)点的像素值。
2.根据权利要求1所述的用于高对比度成像星冕仪超高精度波前检测与标定方法，其特征在于，所述的波前检测与定标方法仅使用星冕仪内的变形镜和焦面相机，不需要额外的器件。
3.根据权利要求1所述的用于高对比度成像星冕仪超高精度波前检测与标定方法，其特征在于，所检测的是相对的波前精度，即检测的是步骤3产生波面相对于步骤2波面的变化，而非绝对的波前精度。
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