本發(fā)明涉及一種基于楊氏雙縫干涉理論檢測望遠鏡成像質量的方法，屬于光學技術領域。
背景技術：
成像質量是評價望遠鏡系統(tǒng)的一個重要指標，望遠鏡像質的好壞，直接影響到觀測數(shù)據(jù)的質量，特別是對于高分辨成像，高精度測光和高精度光譜觀測等，像質檢測技術則是保證成像質量的有效手段。目前國內(nèi)檢測望遠鏡成像質量的方法主要有兩種，一種是利用高分辨率像復原技術，另一種是基于Shack Hartmann測量波前傾斜技術的波前探測器檢測望遠鏡成像質量.
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種基于楊氏雙縫干涉理論檢測望遠鏡成像質量的方法，以便能夠有效地檢測望遠鏡成像質量。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下。
一種基于楊氏雙縫干涉理論檢測望遠鏡成像質量的方法，具體步驟如下：
首先根據(jù)已知的望遠鏡參數(shù)計算該系統(tǒng)中準直，成像系統(tǒng)及離焦透鏡的通光口徑，并根據(jù)當?shù)卮髿庖晫幎惹闆r計算出Hartman屏每個小空的直徑及小孔間距；軟件開發(fā)是根據(jù)楊氏雙縫干涉理論，測量離散相差。對于Hartman屏上的眾多小孔，如果CCD在遠離成像鏡焦面的位置，在CCD上各個小孔的像就會彼此交疊，發(fā)生干涉。那么在合適的位置上，干涉圖像的極大值就會被記錄，離開成像鏡焦點的位置由下式給出：
式中，S為離焦量，λ為中心波長，f為系統(tǒng)焦距，d為小孔間距。
發(fā)生干涉后，干涉獲得的光斑遠小于經(jīng)典的Hartman屏的小孔或者微透鏡，這樣就能獲得更高的分辨率，提高波前探測的精度。Hartman屏的4個小孔相互干涉產(chǎn)生一個干涉像，所以一個4x4的屏產(chǎn)生9個主極大的干涉像。當然，如果CCD的位置放置稍偏離計算值，那么也會有次極大的干涉圖在CCD上成像，次極大的干涉圖在數(shù)據(jù)處理中也是需要的。因為更多的光斑會提高的計算精度，但是次極大也不宜太多，次極大干涉像太多會減少主極大光通量。
在數(shù)據(jù)處理時，首先探測到的小孔及干涉像，并記錄它們的位置。干涉像的精確位置取決于小孔之間的相差。用楊氏雙縫干涉公式來解決極大值干涉像在CCD上的位置，但是注意到這里有4個相位孔徑參加干涉，把小孔的相位差和干涉像質心位置與4個小孔的中心位置偏差Δx,Δy關聯(lián)起來，有公式：
上式中，Δφ是小孔的相差，φ是相位，d是相鄰小孔間距。
假設在Hartman屏上取M個采樣點，對于每個采樣點i來說，在瞳上都有無量綱的坐標(xi,yi),通過測量m＝0時干涉斑圖像位移，得到采樣點的波前傾斜推算小孔干涉的相位差為：
上式中ap和sp是Hartman屏孔徑間距投射到無量綱瞳上的位置。已知取樣點i的波前Wi由帶振幅系數(shù)Cj的N項澤尼克多項式Zj來描述：
用矩陣來描述在CCD上探測到的離散的波前誤差為：
上面矩陣的縱列表述了在CCD上每個波前傾斜多項式在整個波前測量中的影響，多項式是一個[A](x)＝b的形式，[A]是一個2M×N的多項式。這里，解決了用單一值分解多項式系數(shù)(x)的問題。
在瞳面上，取M個相差點和K個相位孔，每一個相位都由下式來描述：
根據(jù)上面的描述，1)要在計算機里建模，模擬不同像差情況下望遠鏡的像質，用于和實測值進行比較；2)編寫圖像采集程序，數(shù)據(jù)處理程序。記錄光斑和干涉像位置的這個過程用天文數(shù)據(jù)處理程序完成，采用IRAF和IDL軟件來實現(xiàn)。一個程序包自動探測光斑和干涉像，并生成一個具有它們坐標信息的文件。程序不僅要記錄主極大的干涉像，還要記錄次極大干涉所產(chǎn)生的像，這有助于提高計算精度，但是次極大像的數(shù)量不宜過多。期待大約有1000個干涉像被記錄。無論如何，探測到的干涉像總數(shù)不能小于程序可計算的臨界值。3)編寫程序模擬大氣湍流信息，由Kolmogorov湍流產(chǎn)生的均方根相位差為δ(φ),它取決于Hartman屏上小孔采樣的空間分布x：
上式中，大氣相干長度r0對應于0.4175個中心波長λ的相位誤差。r0與長曝光凍結大氣后干涉斑所對應的天空角θ的關系為：
Hartman屏上小孔間隔d作為視寧度的函數(shù)，它的上限通過當均方根相差δ(φ)～1/2λ時進行估計，得到：
由上式看出，波長λ，天空角θ和小孔的空間分布x，決定了大氣湍流的限制，匹配視寧度和干涉圖的角間距(θ～λ/d)確定這種限制的等級。這樣，大氣對系統(tǒng)的影響就被量化，利用Zemax的宏程序很容易得到大氣湍流的影響，之所以使用Zemax的宏程序來模擬大氣湍流的影響，是因為宏程序比IRAF和IDL更容易實現(xiàn)對大氣湍流的模擬，并且用IDL調(diào)用此宏程序也比較容易；4)用IDL程序調(diào)用圖像采集，數(shù)據(jù)處理和大氣湍流信息，輸入到澤尼克多項式的計算程序中，分析處理得到遠鏡像質情況。首先處理定標單元所產(chǎn)生的波前誤差，接著，程序會直接給出測量圖像正確的澤尼克系數(shù)，用戶根據(jù)實際情況給出系數(shù)的數(shù)量。程序執(zhí)行下列步驟：a:沿著規(guī)則的柵格排列干涉像；b:根據(jù)屏的精度確定主極大干涉像；c:計算定標值和測量值的差異，給出波前的局部傾斜的分析結果；d:滿足適合澤尼克多項式的最小二乘方中的波前傾斜計算。5)把軟件開發(fā)成交互式友好界面，提高觀測效率。
硬件設計加工和軟件研發(fā)完成后，要對整個系統(tǒng)進行聯(lián)合調(diào)試，檢驗系統(tǒng)軟硬件的匹配情況，以便及時修改錯誤與不足，使整個系統(tǒng)的工作盡善盡美。聯(lián)調(diào)結束后，就要通過觀測來進行望遠鏡像質的檢測。
首先讓望遠鏡指向目標星曝光，系統(tǒng)包含如下的波前信息：
{大氣湍流}+{望遠鏡}+{YFOSC}+{波前探測器}
然后把定標燈移到望遠鏡焦面上，進行曝光，這時系統(tǒng)的波前信息應該為：
{YFOSC}+{波前探測器}
這兩次曝光后，就把YFOSC和波前探測器的波前誤差減掉，剩下：
{大氣湍流}+{望遠鏡}的波前信息，在上面的介紹中知道，大氣湍流信息是用Zemax的編寫的宏文件模擬的，并被IDL調(diào)用，去除，這時就只剩下{望遠鏡}
的波前信息，再用澤尼克多項式進行分析，得到望遠鏡的像質情況。
在檢測望遠鏡像質時，要進行多方位，多次測量：1)同一個目標曝光幾幅的成像質量測試，2)同一個目標長時間觀測，曝光幾百幅的成像質量測試；3)不同目標，不同望遠鏡位置(方位，高度)的觀測測試。這些步驟的目的是為了在望遠鏡的像質已經(jīng)被恰當?shù)姆治龊?，在一段時間里觀察任何可能的像差變化，并觀察像質和望遠鏡在不同位置時的內(nèi)在聯(lián)系，以及溫度，風速變化等環(huán)境因素對望遠鏡像質的影響。
該發(fā)明的有益效果在于：該發(fā)明方法能有效地針對望遠鏡成像質量進行檢測，使用效果好，便于根據(jù)需要使用。
附圖說明
圖1是本發(fā)明實施例中所使用測試方法原理示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行描述，以便更好的理解本發(fā)明。
實施例
本實施例中的基于楊氏雙縫干涉理論檢測望遠鏡成像質量的方法，具體步驟如下：
首先根據(jù)已知的望遠鏡參數(shù)計算該系統(tǒng)中準直，成像系統(tǒng)及離焦透鏡的通光口徑，并根據(jù)當?shù)卮髿庖晫幎惹闆r計算出Hartman屏每個小空的直徑及小孔間距；軟件開發(fā)是根據(jù)楊氏雙縫干涉理論，測量離散相差。對于Hartman屏上的眾多小孔，如果CCD在遠離成像鏡焦面的位置，在CCD上各個小孔的像就會彼此交疊，發(fā)生干涉。那么在合適的位置上，干涉圖像的極大值就會被記錄，離開成像鏡焦點的位置由下式給出：
式中，S為離焦量，λ為中心波長，f為系統(tǒng)焦距，d為小孔間距。
發(fā)生干涉后，干涉獲得的光斑遠小于經(jīng)典的Hartman屏的小孔或者微透鏡，這樣就能獲得更高的分辨率，提高波前探測的精度。Hartman屏的4個小孔相互干涉產(chǎn)生一個干涉像，所以一個4x4的屏產(chǎn)生9個主極大的干涉像。當然，如果CCD的位置放置稍偏離計算值，那么也會有次極大的干涉圖在CCD上成像，次極大的干涉圖在數(shù)據(jù)處理中也是需要的。因為更多的光斑會提高的計算精度，但是次極大也不宜太多，次極大干涉像太多會減少主極大光通量。
在數(shù)據(jù)處理時，首先探測到的小孔及干涉像，并記錄它們的位置。干涉像的精確位置取決于小孔之間的相差。用楊氏雙縫干涉公式來解決極大值干涉像在CCD上的位置，但是注意到這里有4個相位孔徑參加干涉，把小孔的相位差和干涉像質心位置與4個小孔的中心位置偏差Δx,Δy關聯(lián)起來，有公式：
上式中，Δφ是小孔的相差，φ是相位，d是相鄰小孔間距。
假設在Hartman屏上取M個采樣點，對于每個采樣點i來說，在瞳上都有無量綱的坐標(xi,yi),通過測量m＝0時干涉斑圖像位移，得到采樣點的波前傾斜推算小孔干涉的相位差為：
上式中ap和sp是Hartman屏孔徑間距投射到無量綱瞳上的位置。已知取樣點i的波前Wi由帶振幅系數(shù)Cj的N項澤尼克多項式Zj來描述：
用矩陣來描述在CCD上探測到的離散的波前誤差為：
上面矩陣的縱列表述了在CCD上每個波前傾斜多項式在整個波前測量中的影響，多項式是一個[A](x)＝b的形式，[A]是一個2M×N的多項式。這里，解決了用單一值分解多項式系數(shù)(x)的問題。
在瞳面上，取M個相差點和K個相位孔，每一個相位都由下式來描述：
根據(jù)上面的描述，1)要在計算機里建模，模擬不同像差情況下望遠鏡的像質，用于和實測值進行比較；2)編寫圖像采集程序，數(shù)據(jù)處理程序。記錄光斑和干涉像位置的這個過程用天文數(shù)據(jù)處理程序完成，采用IRAF和IDL軟件來實現(xiàn)。一個程序包自動探測光斑和干涉像，并生成一個具有它們坐標信息的文件。程序不僅要記錄主極大的干涉像，還要記錄次極大干涉所產(chǎn)生的像，這有助于提高計算精度，但是次極大像的數(shù)量不宜過多。期待大約有1000個干涉像被記錄。無論如何，探測到的干涉像總數(shù)不能小于程序可計算的臨界值。3)編寫程序模擬大氣湍流信息，由Kolmogorov湍流產(chǎn)生的均方根相位差為δ(φ),它取決于Hartman屏上小孔采樣的空間分布x：
上式中，大氣相干長度r0對應于0.4175個中心波長λ的相位誤差。r0與長曝光凍結大氣后干涉斑所對應的天空角θ的關系為：
Hartman屏上小孔間隔d作為視寧度的函數(shù)，它的上限通過當均方根相差δ(φ)～1/2λ時進行估計，得到：
由上式看出，波長λ，天空角θ和小孔的空間分布x，決定了大氣湍流的限制，匹配視寧度和干涉圖的角間距(θ～λ/d)確定這種限制的等級。這樣，大氣對系統(tǒng)的影響就被量化，利用Zemax的宏程序很容易得到大氣湍流的影響，之所以使用Zemax的宏程序來模擬大氣湍流的影響，是因為宏程序比IRAF和IDL更容易實現(xiàn)對大氣湍流的模擬，并且用IDL調(diào)用此宏程序也比較容易；4)用IDL程序調(diào)用圖像采集，數(shù)據(jù)處理和大氣湍流信息，輸入到澤尼克多項式的計算程序中，分析處理得到遠鏡像質情況。首先處理定標單元所產(chǎn)生的波前誤差，接著，程序會直接給出測量圖像正確的澤尼克系數(shù)，用戶根據(jù)實際情況給出系數(shù)的數(shù)量。程序執(zhí)行下列步驟：a:沿著規(guī)則的柵格排列干涉像；b:根據(jù)屏的精度確定主極大干涉像；c:計算定標值和測量值的差異，給出波前的局部傾斜的分析結果；d:滿足適合澤尼克多項式的最小二乘方中的波前傾斜計算。5)把軟件開發(fā)成交互式友好界面，提高觀測效率。
硬件設計加工和軟件研發(fā)完成后，要對整個系統(tǒng)進行聯(lián)合調(diào)試，檢驗系統(tǒng)軟硬件的匹配情況，以便及時修改錯誤與不足，使整個系統(tǒng)的工作盡善盡美。聯(lián)調(diào)結束后，就要通過觀測來進行望遠鏡像質的檢測。如圖1所示為其測試原理。
首先讓望遠鏡指向目標星曝光，系統(tǒng)包含如下的波前信息：
{大氣湍流}+{望遠鏡}+{YFOSC}+{波前探測器}
然后把定標燈移到望遠鏡焦面上，進行曝光，這時系統(tǒng)的波前信息應該為：
{YFOSC}+{波前探測器}
這兩次曝光后，就把YFOSC和波前探測器的波前誤差減掉，剩下：
{大氣湍流}+{望遠鏡}的波前信息，在上面的介紹中知道，大氣湍流信息是用Zemax的編寫的宏文件模擬的，并被IDL調(diào)用，去除，這時就只剩下{望遠鏡}
的波前信息，再用澤尼克多項式進行分析，得到望遠鏡的像質情況。
在檢測望遠鏡像質時，要進行多方位，多次測量：1)同一個目標曝光幾幅的成像質量測試，2)同一個目標長時間觀測，曝光幾百幅的成像質量測試；3)不同目標，不同望遠鏡位置(方位，高度)的觀測測試。這些步驟的目的是為了在望遠鏡的像質已經(jīng)被恰當?shù)姆治龊?，在一段時間里觀察任何可能的像差變化，并觀察像質和望遠鏡在不同位置時的內(nèi)在聯(lián)系，以及溫度，風速變化等環(huán)境因素對望遠鏡像質的影響。
該發(fā)明已經(jīng)成功應用于麗江2.4米望遠鏡上進行像質檢測。
望遠鏡焦面上針孔直徑:25um；
定標光源的選取：LED@670nm；
濾光片選取：Bessel R和SDSS r’；
Hartman屏：直徑，28mm；小孔間距，0.75mm；
小孔直徑：0.25mm；
離焦透鏡焦長：-1000mm；
進行了試觀測，獲得了比較理想的觀測數(shù)據(jù)，得到了當時獲得2.4米望遠鏡成像質量情況，得到如下結果：
a)定標燈在CCD上成像位置與星像位置不能大于1”(+/-1.7Pixels)；
b)2.4米望遠鏡上次主鏡鍍膜安裝完畢后:
望遠鏡主副鏡傾斜：x方向為63.26um，y方向傾斜-137.99um；
觀測時離焦：2.35um；
望遠鏡象散cos：-1.978um，sin：2.23um；
望遠鏡慧差cos：2.68um，sin：1.47um
球差：0.19um
c)綜上得出結論：望遠鏡像質80％集能度為0.3”；望遠鏡+YFOSC：10‘邊緣視場像質為0.75“，中心視場為0.48”,2.4米望遠鏡的成像質量遠小于seeing帶來的影響，成像質量良好。
以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發(fā)明的保護范圍。