CN114137720A - 一种用于高对比度成像的光瞳调制星冕仪系统及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高对比度成像的光瞳调制星冕仪系统，涉及星冕仪技术领域，望远镜入射端1、恒星模拟光源2、准直镜3、孔径光阑4、光瞳调制器5、成像镜6和成像探测器7，系统的两端分别配置望远镜入射端1和成像探测器7，所述光瞳调制器5包括多条透过率不同的调制带，调制带整体主要由多种消光系数不同的金属膜层组成，调制带整体两侧边缘区域到调制带整体中间区域的金属膜层的消光系数逐渐增加，还公开一种高对比度成像的光瞳调制星冕仪系统工作方法。该用于高对比度成像的光瞳调制星冕仪系统及工作方法，通过同步优化调制带“透过率值”和“膜层厚度”，结合不同镀膜材料选择，抑制恒星强衍射光，最终获得最优高对比度成像。
Description
技术领域
本发明涉及星冕仪技术领域，具体为一种用于高对比度成像的光瞳调制星冕仪系统及工作方法。
背景技术
系外行星指的是太阳系以外的行星，即围绕其他恒星的行星系统或在太阳系外的独立行星。系外行星探测与地外文明的搜寻息息相关，能够突破人类对现有生命的认识并最终拓展人类的生存空间。
至今，已发现的绝大多数系外行星都是通过凌星法或多普勒效应法间接探测到的。直接成像技术能够将来自恒星和行星的光在物理空间上分辨开，是确认系外生命特征信号的关键。星冕仪是实现系外行星高对比度直接成像探测的重要利器，能够有效抑制来自恒星的强衍射光，使得淹没在强背景光之中的行星能够被直接成像。
搜寻类太阳恒星周围的冷行星，尤其是宜居带内的类地行星，是未来探测确认存在生命行星的突破口，这需要突破现有地面观测波段和成像对比度的限制，需要发展空间星冕仪超高对比度成像技术。
突破星冕仪现有成像水平，将对比度提高至10-7以上，需要精确控制系统的波像差。因为，这些波像差会在系统最终的科学像面点扩散函数上产生散斑噪声。这些噪声的强度往往比微弱的行星光信号高出2～3个数量级。因此，无论是从设计还是光学元件加工角度，都需要尽可能的减小光学系统波像差的影响。
目前，基于光瞳调制技术的星冕仪系统，无论是采用透过率调制方式还是微点变密度调制方式，都未充分考虑因镀制不同厚度膜层、或者微点空间不均匀分布等因素引入的波像差影响。例如，透过率调制星冕仪是通过在光学玻璃基板上镀制不同厚度金属膜层，来实现对恒星强衍射光的抑制。该类型星冕仪往往在靠近边缘的透过率值极低。相应的，其上金属膜层相对于中心调制带变得极厚。这将导致位于边沿调制带的光程差变大。因膜层厚度差异引入的光程差，反映到星冕仪最终的成像系统，则是光学波像差引入的波前畸变，这使得光瞳调制星冕仪在理论成像对比度受限。
本研究由中国载人航天工程巡天空间望远镜专项科学研究经费支持，课题编号CMS-CSST-2021-A11和CMS-CSST-2021-B04、国家自然科学基金天文联合重点支持项目“用于大口径拼接镜面望远镜的系外行星高对比度成像关键技术研究”(U2031210)、国家重大科研仪器研制项目“围绕暗弱恒星的太阳系外行星高对比度成像探测仪器研制”(11827804)的成果；
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于高对比度成像的光瞳调制星冕仪系统及工作方法，以解决上述背景技术中提出当前基于光瞳调制技术的星冕仪系统，无论是采用透过率调制方式还是微点变密度调制方式，都未充分考虑因镀制不同厚度膜层、或者微点空间不均匀分布等因素引入的波像差影响问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于高对比度成像的光瞳调制星冕仪系统，包括望远镜入射端、恒星模拟光源、准直镜、孔径光阑、光瞳调制器、成像镜和成像探测器，
所述系统的两端分别配置望远镜入射端和成像探测器，从望远镜入射端到成像探测器之间元件的安装顺序为恒星模拟光源、准直镜、孔径光阑、光瞳调制器和成像镜，所述光瞳调制器包括多条透过率不同的调制带，调制带整体主要由多种消光系数不同的金属膜层组成，调制带的金属膜层采用中心轴对称设计，调制带整体两侧边缘区域到调制带整体中间区域的金属膜层的消光系数逐渐增加。
优选的，所述光瞳调制器的多个调制带按照调制方向不同设有两种，两种设置方向的调制带数目一致，且两种调制带设置方向垂直。
本发明还提出一种用于高对比度成像的光瞳调制星冕仪系统工作方法，包括如下步骤，
S1：根据望远镜的规格参数信息，设置星冕仪系统整体的空间构型；
S2：根据星冕仪系统初定的空间构型，设定光瞳调制器每带膜层透过率的加工公差；
S3：根据公式1和公式2，建立带间透过率数值与膜层厚度、膜层消光系数及折射率之间的联系，将上述关系代入到公式3，为下一步的闭环迭代优化做好输入准备，
所述公式1为：
其中，λC为膜层中心工作波长，
对应金属膜层的消光系数，d为透过率值对应的膜层厚度，
所述公式2为：
其中，
为系统相位，n为折射率，
其中，
表示傅里叶变换，
对应光瞳振幅，相位
与膜层材料消光系数k；
S4：使用迭代优化算法对透过率、膜层厚度进行优化，并实时计算特定工作区域内的成像对比度，判断成像对比度是否在10-6—10-8，如果对比度不满足10-6—10-8，再次循环步骤S4，如果对比度满足10-6—10-8，结束。
优选的，所述膜层采用轴对称透过率调制布局，膜层两端边缘到中间区域的透过率采用渐变调制，透过率由外到内逐渐增加。
优选的，所述光瞳采用单向或双向调制。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明针对因系统波像引入的波前畸变导致成像对比度受限的技术难题，提出并完成了一种小像差的光瞳调制星冕仪系统，能够有效降低因膜层厚度差异引入的波前畸变，充分发挥光瞳调制系统星冕仪的成像对比度潜力，保证实际观测过程中获取最佳的对比度性能，具体如下，
1.通过同步优化每调制带的“透过率值”和“膜层厚度”，尽量减少厚度差异引入的额外波像差影响，来保证系统最终获取最佳的成像对比度；
2.采用不同金属膜系的镀膜材料，有效控制边沿调制带透过率值过低导致膜层过厚的问题，其中，对靠边沿调制带采用消光系数较小的材料、靠中心调制带采用消光系数较高的材料，进一步缩减因膜层厚度差异引入的光程差影响，充分发挥光瞳调制系统星冕仪的成像对比度潜力，有效的解决了光瞳调制星冕仪在理论成像对比度受限的问题；
3.采用以中心轴对称的透过率调制布局方案，有效的缩减了需要控制的透过率调制带数，保证对称调制带上透过率的均匀性和一致性，提高系统最终的成像对比度性能；
4.采用透过率渐变调制方式，尽可能的允许系统光能量通过，以保证星冕仪主体系统获取较高的透过率，系统可以灵活采用单向或双向光瞳调制方案，既能保证系统获取足够的通光效率，又能最大限度的在较大的工作区域内获取超高对比度成像性能。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明光瞳透过率优化调制滤光器单向空间调制构型示意图；
图3为本发明光瞳透过率优化调制滤光器双向空间调制构型示意图；
图4为本发明设计与优化流程示意图。
图中：1、望远镜入射端；2、恒星模拟光源；3、准直镜；4、孔径光阑；5、光瞳调制器；6、成像镜；7、成像探测器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种用于高对比度成像的光瞳调制星冕仪系统，包括望远镜入射端1、恒星模拟光源2、准直镜3、孔径光阑4、光瞳调制器5、成像镜6和成像探测器7，
如图1-3所示，系统的两端分别配置望远镜入射端1和成像探测器7，从望远镜入射端1到成像探测器7之间元件的安装顺序为恒星模拟光源2、准直镜3、孔径光阑4、光瞳调制器5和成像镜6，光瞳调制器5包括多条透过率不同的调制带，调制带整体主要由多种消光系数不同的金属膜层组成，调制带的金属膜层采用中心轴对称设计，调制带整体两侧边缘区域到调制带整体中间区域的金属膜层的消光系数逐渐增加，望远镜入射端1为整个星冕仪的焦点，通过放置恒星模拟光源2，经由准直镜3变换为平行光束模拟来自无穷远处的星光，后经孔径光阑4将杂散光遮挡出系统，达到系统核心部件光瞳调制器5，最终通过成像镜6将系统点扩散函数图像成像在探测器7。
调制带金属膜层靠边沿调制带采用消光系数较小的材料、靠中心调制带采用消光系数较高的材料，采用渐变式调制方式，获取相同透过率情况下降低膜层厚度，相对于传统基于光瞳形状调制的星冕仪系统中只有通光和不通光两种调制形式来说，进一步缩减了因膜层厚度差异引入的光程差影响。
同时，调制带采用以中心轴对称的透过率调制布局方案，有效的缩减了需要控制的透过率调制带数，保证对称调制带上透过率的均匀性和一致性，提高系统最终的成像对比度性能。
作为优选的，光瞳调制器5的多个调制带按照调制方向不同设有两种，两种设置方向的调制带数目一致，且两种调制带设置方向垂直，本系统采用单向或双向光瞳调制方案，既能保证系统获取足够的通光效率，又能最大限度的在较大的工作区域内获取超高对比度成像性能，使得系外冷行星的直接成像探测和大气光谱研究成为可能。
如图4所示，本发明提供一种用于高对比度成像的光瞳调制星冕仪系统工作方法，其步骤如下，
S1：根据望远镜的规格参数信息，设置星冕仪系统整体的空间构型，参数信息包括望远镜的焦比和终端仪器安装尺寸等；
S2：根据星冕仪系统初定的空间构型，设定光瞳调制器每带膜层透过率的加工公差；
S3：根据公式1和公式2，建立带间透过率数值与膜层厚度、膜层消光系数及折射率之间的联系，将上述关系代入到公式3，为下一步的闭环迭代优化做好输入准备，
公式1为：
其中，λC为膜层中心工作波长，
对应金属膜层的消光系数，d为透过率值对应的膜层厚度，
公式2为：
其中，
为系统相位，n为折射率，
其中，
表示傅里叶变换，
对应光瞳振幅，相位
与膜层材料消光系数k；
S4：使用迭代优化算法对透过率、膜层厚度进行优化，并实时计算特定工作区域内的成像对比度，判断成像对比度是否在10-6—10-8，如果对比度不满足10-6—10-8，再次循环步骤S4，如果对比度满足10-6—10-8，结束。
该方法核心是同步优化调制带透过率值和膜层厚度，通过公式1和公式2建立膜层厚度d与透过率T数值之间的对应关系，再通过将膜层厚度d引入的波像差和光瞳振幅(对应透过率数值)带入到整个星冕仪系统进行优化，使得膜层厚度差异引入的波前畸变对最终成像对比度的影响控制在公式3允许范围之内，通过同步优化透过率T，优化调整膜层材料消光系数k，膜层厚度d可以获取最佳的成像对比度，对比度数值最终在10-6—10-8内为合格。
作为优选的，膜层采用轴对称透过率调制布局，膜层两端边缘到中间区域的透过率采用渐变调制，透过率由外到内逐渐增加，以中心轴对称的透过率调制布局方案，有效的缩减了需要控制的透过率调制带数，保证对称调制带上透过率的均匀性和一致性，提高系统最终的成像对比度性能，采用渐变调制方式，能进一步缩减了因膜层厚度差异引入的光程差影响。
如图2和图3所示，作为优选的，光瞳采用单向或双向调制，如图2为两种单向光瞳调制方案，图3为双向叠加光瞳调制方案，灵活采用单向或双向光瞳调制方案，既能保证系统获取足够的通光效率，又能最大限度的在较大的工作区域内获取超高对比度成像性能，使得系外冷行星的直接成像探测和大气光谱研究成为可能。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种用于高对比度成像的光瞳调制星冕仪系统，包括望远镜入射端1、恒星模拟光源2、准直镜3、孔径光阑4、光瞳调制器5、成像镜6和成像探测器7，
所述系统的两端分别配置望远镜入射端1和成像探测器7，从望远镜入射端1到成像探测器7之间元件的安装顺序为恒星模拟光源2、准直镜3、孔径光阑4、光瞳调制器5和成像镜6，其特征在于：所述光瞳调制器5包括多条透过率不同的调制带，调制带整体主要由多种消光系数不同的金属膜层组成，调制带的金属膜层采用中心轴对称设计，调制带整体两侧边缘区域到调制带整体中间区域的金属膜层的消光系数逐渐增加。
2.根据权利要求1所述的一种用于高对比度成像的光瞳调制星冕仪系统，其特征在于：所述光瞳调制器5的多个调制带按照调制方向不同设有两种，两种设置方向的调制带数目一致，且两种调制带设置方向垂直。
3.一种用于高对比度成像的光瞳调制星冕仪系统工作方法，其特征在于：包括如下步骤，
S1：根据望远镜的规格参数信息，设置星冕仪系统整体的空间构型；
S2：根据星冕仪系统初定的空间构型，设定光瞳调制器每带膜层透过率的加工公差；
S3：根据公式1和公式2，建立带间透过率数值与膜层厚度、膜层消光系数及折射率之间的联系，将上述关系代入到公式3，为下一步的闭环迭代优化做好输入准备，
所述公式1为：
其中，λC为膜层中心工作波长，
对应金属膜层的消光系数，d为透过率值对应的膜层厚度，
所述公式2为：
其中，
为系统相位，n为折射率，
其中，
表示傅里叶变换，
对应光瞳振幅，相位
与膜层材料消光系数k；
S4：使用迭代优化算法对透过率、膜层厚度进行优化，并实时计算特定工作区域内的成像对比度，判断成像对比度是否在10-6—10-8，如果对比度不满足10-6—10-8，再次循环步骤S4，如果对比度满足10-6—10-8，结束。
4.根据权利要求3所述的一种用于高对比度成像的光瞳调制星冕仪系统工作方法，其特征在于：所述膜层采用轴对称透过率调制布局，膜层两端边缘到中间区域的透过率采用渐变调制，透过率由外到内逐渐增加。
5.根据权利要求4所述的一种用于高对比度成像的光瞳调制星冕仪系统工作方法，其特征在于：所述光瞳采用单向或双向调制。
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