一种高对比度成像星冕仪微点密度调制系统及工作方法与流程

1.本发明涉及星冕仪技术领域，具体为一种高对比度成像星冕仪微点密度调制系统及工作方法。


背景技术：

2.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独立飞行的行星。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，已探测发现4700多颗系外行星，绝大多数都是通过凌星法或多普勒效应法间接探测到的。直接成像技术能够真正的看到系外行星，是确认系外生命特征信号的关键。星冕仪是系外行星高对比度直接成像探测的重要仪器，能够有效抑制恒星强光，使得淹没在恒星强背景光之中的行星能够被直接探测。
3.目前，受限于地面大气环境和和新一代超级自适应光学技术观测波段和探测能力，地基行星成像星冕仪只能够在红外波段开展行星成像探测，发现目标多数为正在形成中的年轻行星，质量范围都在几个至十几个木星质量。而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。
4.空间星冕仪系统对系外行星进行高对比度成像，无论是探测发现目标还是做后续大气光谱研究，都需要获取行星足够的图像信噪比。相应的，需要星冕仪具有较高的系统通光效率。其中，工作波长对应的观测波段带宽是制约星冕仪系统效率提高的一个重要技术指标。
5.传统星冕仪系统受限于调制技术方式的限制，只能够在较窄的观测波段内实现高对比度成像，例如工作波长带宽只到3～5％。这限制了现有系统的通光效率，进而在一定观测时间内获取的行星图像信噪比受限，由于特征谱线覆盖不全，不利于对行星大气开展后续的光谱细致刻画研究。
6.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；


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种高对比度成像星冕仪微点密度调制系统及工作方法，以解决上述背景技术中提出传统星冕仪系统受限于调制技术方式的限制，只能够在较窄的观测波段内实现高对比度成像，限制了现有系统的通光效率，不利于对行星大气开展后续的光谱细致刻画研究的问题。
8.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高对比度成像星冕仪微点密度
调制系统工作方法，包括如下步骤：
9.s1：建立星冕仪系统，根据系统的光学元器件尺寸、光瞳调制器工作区域和系统设计指标，初步确定系统的有效通光口径、光瞳调制器带数、调制函数趋势；
10.s2：根据星冕仪成像对比度指标要求计算每调制带透过率数值；
11.s3：根据每条透过率带对应的透过率值，设计明暗微点的密度布局方案，其中每调制带设有m个明微点，明微点透过率对应1，n个暗微点，暗微点透过率对应0，该调制带的透过率对应n/m；
12.s4：计算上述设计微点变密度布局方案的成像对比度；
13.s5：优化明暗微点的空间排布，并计算特定工作区域内的成像对比度，判断对比度是否10-6-10-8
范围内，如果判断结果不是，重复步骤s5，如果判断结果是，结束。
14.优选的，所述密度布局方案为每调制带内分子区域、被分子区域内随机布局微点的方式或沿特定方向、样式布局微点的方式。
15.进一步优选的，光瞳调制器中的光瞳调制方案为单向或双向调制。
16.本发明还提供一种高对比度成像星冕仪微点密度调制系统，包括望远镜入射端、反射镜、准直镜、孔径光阑、光瞳调制器、成像镜和探测器，反射镜设有两片，分别位于望远镜入射端、准直镜和光瞳调制器、成像镜之间，所述光瞳调制器包括多个调制带，每个调制带上设置有多个明微点和暗微点。
17.优选的，所述光瞳调制器的调整带数范围为10-200。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过改变暗条状的空间密度分布来实现光能的调制，对所有的工作波长都可以实现相同的调制效果，该发明能够彻底解决传统星冕仪通光效率因观测波段过窄而受限的技术难题，具体如下：
19.1.采用有限数量调制带的调制方案，调制带范围在10-200，有效的降低了系统的研制难度，保证了调制器的加工精度，降低研制周期和成本，使得超高对比度成像成为可能；
20.2.每个调制带通过改变0或1两种明暗微点密度分布来实现对应带上整体透过率数值的要求，基于光瞳调制优化的透过率，明暗微点的空间排布方式可以采用在每调制带内分子区域、被分子区域内随机布局微点的方式或采用沿特定方向或样式布局微点的方式，提高成像对比度；
21.3.基于光瞳调制优化的透过率，反向迭代优化亮暗微点的空间布局，通过系统闭环，结合实际加工工艺和精度能力，获取最佳的微点变密度空间分布，保证调制器的高精度研制；
22.4.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，提升对系外冷行星的直接成像探测和大气光谱研究。
附图说明
23.图1为本发明星冕仪系统整体布局结构示意图；
24.图2为本发明按调制带内分区随机布局微点方案横竖向调制构型示意图；
25.图3为本发明按调制带内特定方向布局微点方案横竖向调制构型示意图；
26.图4为本发明图2和图3双向叠加调制构型示意图；
27.图5为本发明设计步骤和优化流程示意图。
28.图中：1、模拟光源；2、反射镜；3、准直镜；4、孔径光阑；5、光瞳调制器；6、成像镜；7探测器。
具体实施方式
29.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。
30.请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种高对比度成像星冕仪微点密度调制系统工作方法，包括如下步骤：
31.s1：建立星冕仪系统，根据系统的光学元器件尺寸、光瞳调制器工作区域和系统设计指标，初步确定系统的有效通光口径、光瞳调制器带数、调制函数趋势，其中系统有效通光口径与系统光学元器件尺寸相关，如果通光口径过大会导致系统体积过大，另一方面如果有效通光口径过小，光瞳调制片每一带的带宽将减小，这也增加了镀膜的难度，因此通常情况系统有效通光口径范围在10mm～200mm范围内；光瞳调制器带数与工作区域大小成正比，因此通常根据星冕仪技术指标进行设计，通常情况下光瞳调制器的带数为10～200带左右；
32.s2：根据星冕仪成像对比度指标要求以及工作区域要求，计算每调制带透过率数值；
33.s3：根据每条透过率带对应的透过率值，设计明暗微点的密度布局方案，其中每调制带设有m个明微点，明微点透过率对应1，n个暗微点，暗微点透过率对应0，该调制带的透过率对应n/m；
34.s4：计算上述设计微点变密度布局方案(透过率t)带入公式，
[0035][0036]
计算得到系统焦面点扩散函数图像，之后计算系统的成像对比度；
[0037]
s5：优化明暗微点的空间排布，并计算特定工作区域内的成像对比度，判断对比度是否10-6-10-8
范围内，如果判断结果不是，重复步骤s5，如果判断结果是，结束。
[0038]
如图2和图3所示，作为优选的，所述密度布局方案为每调制带内分子区域、被分子区域内随机布局微点的方式或沿特定方向、样式布局微点的方式，降低了系统的研制难度，保证了调制器的加工精度，降低研制周期和成本，提高成像对比度。
[0039]
如图4所示，作为优选的，光瞳调制器中的光瞳调制方案为单向或双向调制，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。
[0040]
该方法通过先设计带间透过率，然后根据透过率优化布局亮暗微点的空间密度排布，结合实际加工工艺和精度能力，获取最佳的空间分布，保证调制器的高精度研制，该设计能够有效提高系统闭环优化效率，并保证系统最终的成像对比度性能。
[0041]
本发明还提供一种高对比度成像星冕仪微点密度调制系统，包括望远镜入射端1、反射镜2、准直镜3、孔径光阑4、光瞳调制器5、成像镜6和探测器7，反射镜2设有两片，分别位于望远镜入射端1、准直镜3和光瞳调制器5、成像镜6之间，所述光瞳调制器5包括多个调制带，所述光瞳调制器的调整带数范围为10-200，每个调制带上设置有多个明微点和暗微点，调制带上的明暗微点可通过高精密光刻技术工艺加工制作。
[0042]
在使用时，望远镜入射端1(焦点)放置模拟点光源，经反射镜2折转到准直镜3将点源目标扩展为平行光，模拟无穷远处的恒星光；孔径光阑4用于将不需要的杂散光挡出系统，环带光瞳调制器5将恒星光能量进行调制，最终通过反射镜2折转至抛物面成像镜6，在星冕仪系统焦面探测器7得以成像。
[0043]
通过对恒星光在光瞳处的能量进行调制和重新分配，可以改变位于望远镜入射端1焦面系统的点扩散函数图像的能量分布，从而在特定工作区域内获得高对比度成像，实现系外行星的直接成像探测。
[0044]
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。