双孔径干涉成像实验系统及其装调定位方法

技术领域

本发明涉及干涉成像仪器技术领域，尤其涉及一种双孔径干涉成像实验系统及其装调定位方法。

背景技术

为了突破传统望远镜在系统口径方面的限制，天文学家基于干涉成像原理提出了稀疏孔径成像技术，即利用多个按照一定阵列形状排布的小孔径光学系统等效为一个大孔径的光学系统，实现高分辨率成像。干涉成像对共相误差的要求极高，通常需要小于观测波长的十分之一，一般处于几十纳米级别，因此光学系统的精密定位和共相校正对成像分辨率有着至关重要的影响。

从机械精密定位角度考虑，系统的基线长度越长，则各个子孔径之间相对位姿的误差控制越难，稀疏孔径成像系统各个子光束的干涉条件也将越难满足。国内相关学者开展的稀疏孔径成像实验的基线长度一般在200mm以内，如果采用掩膜板等效子孔径的方案，则基线长度一般更短，在50mm以内；如《光学稀疏孔径成像系统关键问题研究》、《合成孔径光学成像系统研究》等文献公开了上述现有技术。因此开发一套可以等效基线长度在1m量级时各个子孔径之间相对位姿误差控制难度的光学系统，并对其精密定位方法开展研究具有重要意义。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供一种双孔径干涉成像实验系统及其装调定位方法。

本发明第一目的在于提供一种双孔径干涉成像实验系统，包括：点光源模拟单元、分光棱镜、离轴抛物镜组、光束调整单元和光束组合单元；

从所述点光源模拟单元发出的光束经过所述分光棱镜，被分为两束光线，入射至所述离轴抛物镜组；

离轴抛物镜组包括两块离轴抛物镜，轴对称的设置在所述分光棱镜两侧，用于将从所述分光棱镜出射的两束光线准直成平行光，再入射至所述光束调整单元；

光束经所述光束调整单元进行光路转换，再通过所述光束组合单元后汇聚到相机平面。

优选的，离轴抛物镜的曲率半径为1.4～1.6m，两块所述离轴抛物镜之间的绝对距离不小于1m。

优选的，离轴抛物镜组还包括孔径光阑，所述孔径光阑设置在所述离轴抛物镜前。

优选的，所述分光棱镜的两个镜面为平面镜，分光比例为1:1；所述分光棱镜沿光轴方向与所述点光源模拟单元的距离为140～160mm。

优选的，光束调整单元包括两块平面反射镜，所述平面反射镜之间的夹角角度与所述分光棱镜的顶角角度相同。

优选的，光束组合单元包括非球面透镜，所述非球面透镜用于减小光束聚焦时的球差。

优选的，在所述点光源模拟单元处设置不同通过率的滤光片，从所述点光源模拟单元发出的光束经过所述滤光片过滤后再入射至所述分光棱镜。

优选的，点光源模拟单元发出球面波；所述离轴抛物镜的曲率半径为1.5m；所述分光棱镜沿光轴方向与所述点光源模拟单元的距离为150mm。

本发明第二目的在于提供一种双孔径干涉成像实验系统的装调定位方法，用于对双孔径干涉成像实验系统进行装调，包括如下步骤：

S1.机械粗调：根据双孔径干涉成像实验系统内各个光学器件的理论位置，通过空间相对距离和相对角度测量仪器对所述各个光学器件进行位姿标定；

S2.星点法粗调：通过观察所述双孔径干涉成像实验系统理想焦点前、焦点上及焦点后的光斑形状和光强分布，定性评价所述双孔径干涉成像实验系统的像差；

S3.光学精调：搭建测试光路，利用动态激光干涉仪对光束组合单元之前的光学器件的像差进行检测；

S4.共相误差的探测与校正：利用焦面探测法对光学系统的共相误差进行探测，校正所述共相误差实现系统的精密定位。

优选的，步骤S3中所述搭建测试光路的具体方法包括：将所述点光源模拟单元替换成动态激光干涉仪，将所述光束组合单元替换成平面反射镜。

与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

本发明的双孔径干涉成像实验系统中光学器件少、光路简单，可以等效基线长度在1m量级时各个子孔径之间相对位姿误差的控制难度，便于在后续开展演示验证实验时对系统的精密定位方法开展研究。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的一种双孔径干涉成像实验系统的结构示意图。

图2是根据本发明实施例提供的一种双孔径干涉成像实验系统的点光源模拟示意图。

图3是根据本发明实施例提供的使用星点法观察光斑形状来定性评价光学系统的像差的示意图；(A)无像差；(B)球差；(C)慧差；(D)像散。

图4根据本发明实施例提供的测试光路搭建示意图。

图5根据本发明实施例提供的使不同填充因子时双孔径干涉成像实验系统的成像结果图(A)填充因子0.0408；(B)填充因子0.0987；(C)填充因子0.1488；(D)填充因子0.1893。

附图标记：

1、点光源；2、滤光片；3、分光棱镜；4、离轴抛物镜；5、孔径光阑；6、平面反射镜；7、非球面透镜；8、相机；9、动态激光干涉仪；

101、精密针孔。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明提供一种双孔径干涉成像实验系统，包括：点光源模拟单元、分光棱镜、离轴抛物镜组、光束调整单元和光束组合单元；

从点光源模拟单元发出的光束经过分光棱镜，被分为两束光线，入射至离轴抛物镜组；

离轴抛物镜组包括两块离轴抛物镜，轴对称的设置在分光棱镜两侧，用于将从分光棱镜出射的两束光线准直成平行光，再入射至光束调整单元；

光束经光束调整单元进行光路转换，再通过光束组合单元后汇聚到相机平面。

优选的，点光源模拟单元发出球面波；在具体的实施例中，点光源模拟单元包括氦氖激光器、显微物镜、空间滤波器和精密针孔，氦氖激光器出射的氦氖激光波长λ＝632.8nm。

优选的，在点光源模拟单元处设置不同通过率的中性密度滤光片，点光源模拟单元发出的光束经过中性密度滤光片过滤后再入射至分光棱镜。

优选的，分光棱镜的两个镜面为平面镜，分光比例为1:1；分光棱镜沿光轴方向与点光源模拟单元的距离为150mm；在具体的实施例中，分光棱镜顶角为90°、每个镜面尺寸为70mm*70mm。

优选的，离轴抛物镜的曲率半径为1.4～1.6m，两块离轴抛物镜之间的绝对距离不小于1m；在具体的实施例中，离轴抛物镜的曲率半径为1.5m，两块离轴抛物镜之间的绝对距离为1.2m；离轴抛物镜的圆锥系数为-1，有效口径为70mm，孔径偏心量为105mm。

优选的，离轴抛物镜组还包括孔径光阑，孔径光阑设置在离轴抛物镜前。

优选的，光束调整单元包括两块圆形的平面反射镜，两块圆形平面反射镜之间的夹角角度与分光棱镜的顶角角度相同；在具体的实施例中，每块独立平面反射镜的口径为100mm。

优选的，光束调整单元为一体式反射镜，结构与分光棱镜相同，且与分光棱镜呈轴对称设置。

光束组合单元采用了非球面透镜，用于减小光束聚焦时的球差；在具体的实施例中，非球面透镜的后截距为800mm，圆锥系数为-2.2954，曲率半径为412.07mm，有效口径为150mm。

本发明还提供一种双孔径干涉成像实验系统的装调定位方法，包括如下步骤：

S1.机械粗调：根据双孔径干涉成像实验系统内各个光学器件的理论位置，通过空间相对距离和相对角度测量仪器对各个光学器件进行位姿标定；

S2.星点法粗调：通过观察双孔径干涉成像实验系统理想焦点前、焦点上、焦点后的光斑形状和光强分布，定性评价双孔径干涉成像实验系统的像差；

S3.光学精调：搭建测试光路，利用动态激光干涉仪对光束组合单元之前的各个光学器件的像差进行检测；

S4.共相误差的探测与校正：利用焦面探测法对光学系统的共相误差进行探测，校正共相误差实现系统的精密定位。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种双孔径干涉成像实验系统，包括：点光源1、滤光片2、分光棱镜3、离轴抛物镜组、光束调整单元和光束组合单元；

点光源1处设置不同通过率的滤光片2，点光源1发出理想球面波，经过滤光片2过滤后再入射至分光棱镜3；经过分光棱镜3将光束分为左右两束；滤光片2采用中性密度滤光片；分光棱镜3沿光轴方向与点光源1的距离为150mm；分光棱镜3的两个镜面为平面镜，分光比例为1:1，顶角为90°，每个镜面尺寸为70mm*70mm。

如图2所示，理想的点光源1的模拟通过氦氖激光器、显微物镜、空间滤波器和精密针孔101搭配实现，氦氖激光器出射的氦氖激光波长λ＝632.8nm。

离轴抛物镜组包括两块离轴抛物镜4，轴对称的设置在分光棱镜3两侧，用于将从分光棱镜3出射的两束光线准直成平行光，再入射至光束调整单元；离轴抛物镜组是左右对称的两路光学结构，作为双孔径干涉成像实验系统的两个子孔径。离轴抛物镜的曲率半径为1.5m，两块离轴抛物镜之间的绝对距离为1.2m；离轴抛物镜的圆锥系数为-1，有效口径为70mm，孔径偏心量为105mm。两块离轴抛物镜可以将两束球面波准直成平行光，定位在自身曲率半径二分之一的位置，这对干涉成像的成功与否起到决定性作用。

光束调整单元包括两块圆形的平面反射镜6，两块平面反射镜6之间的夹角角度与分光棱镜3的顶角角度相同；每块独立的平面反射镜6的口径为100mm。

光束组合单元采用了非球面透镜7，用于减小光束聚焦时的球差；非球面透镜7的后截距为800mm，圆锥系数为-2.2954，曲率半径为412.07mm，有效口径为150mm。

实施例2

本实施例中，双孔径干涉成像实验系统中的光束调整单元为一体式反射镜，结构与分光棱镜相同，且与分光棱镜呈轴对称设置；其余结构与实施例1相同。

实施例3

本发明还提供一种双孔径干涉成像实验系统的装调定位方法，包括如下步骤：

S1.机械粗调：根据双孔径干涉成像实验系统内各个光学器件的理论位置，通过空间相对距离和相对角度测量仪器对各个光学器件进行位姿标定；

S2.星点法粗调：如图3所示，通过观察双孔径干涉成像实验系统理想焦点前、焦点上、焦点后的光斑形状和光强分布，定性评价双孔径干涉成像实验系统的像差；

S3.光学精调：搭建测试光路，利用动态激光干涉仪对光束组合单元之前的各个光学器件的像差进行检测；如图4所示，在本实施例中，将双孔径干涉成像实验系统中的点光源模拟单元替换成动态激光干涉仪，将非球面透镜替换成平面反射镜，去除系统光路中的滤光片、孔径光阑和相机；动态激光干涉仪采用偏振光干涉原理，可以将传统相移干涉仪的时间域相移转换为空间域相移，并采用相位相关的电荷耦合器件(Charge CoupledDevice，CCD)技术，利用一个CCD帧频就可以实现全分辨率的测量，因此可以有效克服外界干扰，避免环境振动、气流扰动等因素对测试产生不利影响，最终实现高效、准确地测试出光学零件面型及光学系统波前。

S4.共相误差的探测与校正：利用焦面探测法对光学系统的共相误差进行探测。在本实施例中，通过调整非球面透镜沿光轴的位置获取两张未知离焦量处的成像图片，以此作为输入，利用改进相位差算法识别出系统存在的平移误差和两个离焦量。

经过四级精密定位后，在不同填充因子时，本实施例的双孔径干涉成像实验系统的成像结果如图5所示：(A)填充因子0.0408；(B)填充因子0.0987；(C)填充因子0.1488；(D)填充因子0.1893。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。