一种利用气泡阵列漫射器提高望远镜成像展宽的装置

1.本发明涉及光学成像领域，特别涉及一种利用气泡阵列漫射器提高望远镜成像展宽的装置，其中最大特点是利用密接排布的气泡阵列漫射器进行光束整形，提升成像亮度均匀性，实现对行星的实时成像。

背景技术：

2.现代光学天文望远镜朝着大口径、高精度的方向发展。行星观测数据的精度成为评价望远镜成像质量的标准。杂散光均匀性是影响光学天文望远镜星像信噪比的重要因素之一，会引起探测器像面背景强度的区域性差异，造成较差测光精度降低，主要来源于天空背景亮度的不一致，其原因通常有月光影响、亮星影响、城市灯光污染等。
3.漫射器是光学元件，其可用于使光更均匀地散布在表面上，减少或消除高强度亮点。漫射器可以通过将光散布在更广的面积上来帮助使明亮的或刺眼的光更柔和。在一些情况下，光学漫射器用于将光吸收到光学传感器内。漫射器具有极强的散光性，可以将进入系统的光重新分配，使之均匀分布在焦平面上。大气噪声来源于空透明度的变化、分子吸收和差异消光等，通过在光路中放置一个气泡阵列漫射器，就可以消除一部分焦平面图像上的杂散光，提升图像的信噪比。

技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供了一种利用气泡阵列漫射器提高望远镜成像展宽的装置，通过在光学系统中引入微纳结构提升望远镜成像精度。同时本发明具有系统结构紧凑，易于搭建，实现成本低等特点。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种利用气泡阵列漫射器提高望远镜成像展宽的装置，该装置由光学成像系统和气泡阵列漫射器两部分组成，其光学成像系统的特点在于日冕仪的设计，能够通过添加光束整形元件消除系统中的杂散光，进一步减小差在成像中的影响。气泡阵列漫射器的特征在于用化学水热法制作的制备的二氧化钛纳米棒样本，能够提供一种工艺简单、成本低廉的部分随机气泡，其表面观测近似于微透镜阵列，进而实现对光束的整形调制，从而提高成像亮度均匀性。
6.本发明中，所述的一种利用气泡阵列漫射器提高望远镜成像展宽的装置，观测星体位于无穷远处，经望远系统观测得到光信息平行入射到第一片焦距为f的透镜-1中，距其后2f处放置一片焦距为f的透镜-2；光束经过透镜-2后以平行光出射，在透镜-2后f处放置焦距为f的透镜-3，透镜-3将光束会聚到相机ccd中，相机ccd放置于透镜-3的后焦面收集信号并在计算机中实时显示。
7.本发明中，所述的一种利用气泡阵列漫射器提高望远镜成像展宽的装置，其特征在于所述的一种利用气泡阵列漫射器提高望远镜成像展宽的装置，光学成像系统中的透镜-1、透镜-2和透镜-3加工选取双胶合设计，减小成像系统差，透镜焦距均为75mm，透镜直径均为50.8mm。
8.本发明中，所述的一种利用气泡阵列漫射器提高望远镜成像展宽的装置，其特征在于：气泡阵列漫射器放置在成像系统中透镜-1后焦面处，进行成像分析。
9.本发明中，所述的一种利用气泡阵列漫射器提高望远镜成像展宽的装置，其特征在于：气泡阵列漫射器通过一种简单的水热法制备，试剂为硫酸钛、柠檬酸、去离子水、99％乙二胺和无水乙醇，二氧化钛制作完毕后，进行离心处理，取上清液滴在载玻片上，静置反应15min，将此载玻片在显微镜下观察，观察到近似圆形的半径不等的随机排列的气泡阵列。
10.与现有技术相比，本发明的技术效果包括：
11.本发明提出一种利用气泡阵列漫射器提高望远镜成像展宽的装置，系统装置结构简单，自组式设计和搭建，并制备实验室样机，方便快捷。本发明利用光学系统结合微纳结构进行光束整形来提升成像质量。漫射器上的部分随机气泡阵列尺寸多样，气泡彼此间轮廓清晰，没有团聚现象。气泡阵列漫射器采用一步化学水热法，合成方法简易，所用溶剂为去离子水，实验低毒易操作，实验所需设备成本低，实验结果易复现。
12.特别地，所制备的气泡阵列漫射器上的微透镜直径尺寸在2～6μm左右，平均直径尺寸为4μm左右，添加到光学系统中能够展宽图像，提升成像亮度均匀性，抑制系统杂散光的形成，能够最大程度地减少了由于非均匀像素响应、大气可见效应和散焦时望远镜引起的可变像差所造成的光度误差，进一步增加了观测时可实现的动态范围，提高观测效率。
附图说明
13.图1是本发明中一种气泡阵列漫射器提高望远镜精度的装置示意图，其中1为观测行星；2为望远系统；3为透镜-1；4为透镜-2；5为透镜-3；6为高速相机。
14.图2是本发明中实验室系统装置图，其中1为超连续光纤激光器；2为长焦准直透镜；3为透镜-1；4为气泡阵列漫射器；5为透镜-2；6为透镜-3；7为高速相机。
15.图3是在显微镜下观察到的气泡阵列的图像，气泡阵列附着在载玻片上，呈现出近似圆形的微透镜阵列。其中(a)为20
×
显微镜下观察到的图像；(b)为40
×
显微镜下观察到的图像。
16.图4是超连续光纤激光器在20％的输出功率时，各波长对应的谱线强度图。
17.图5是在图2实验室系统下的成像结果。其中(a)为不添加气泡阵列漫射器样品得到的像斑；(b)为放置气泡阵列漫射器样品得到的均匀像斑。
18.图6是图5(a)、(b)中光斑中心的水平轴线相对强度分布。
具体实施方式
19.实施例1
20.如图2所示，一种利用气泡阵列漫射器提高望远镜成像展宽的装置，其中1为点光源；2为长焦准直透镜；3为透镜-1；4为气泡阵列漫射器；5为透镜-2；6为透镜-3；7为高速相机。
21.先制备本发明中提出的气泡阵列漫射器。实验步骤如下：
22.将1mmol的硫酸钛和3.3mmol的柠檬酸通过磁力搅拌溶解在14ml去离子水中，将10ml的无水乙醇和8ml的99％乙二胺通过磁力搅拌溶解在上述混合溶液中，然后将混合溶
液加入50ml聚四氟乙烯内衬里，放入高压反应釜，在马弗炉中高温180℃恒温反应8h。反应结束后，冷却至室温，之后将产物通过转速为12000r/min、时间为3min的离心沉降，离心结束后，将橙上清液和白沉淀分别保存。用移液吸取15μl橙上清液，滴在石英载玻片上，反应15min左右产生部分随机微透镜阵列。
23.利用光源、成像透镜以及漫射器按照图2所示的实验系统图搭建。实验步骤如下：
24.(1)在光学滑轨上准直光源与透镜，调至共轴。
25.(2)激光器出射口位于长焦准直透镜的前焦面上，点光源通过长焦透镜变后变为平行光束，以此来模拟观测行星经过望远系统后的平行光束。
26.(3)将透镜-1、透镜-2、透镜-3和相机依次按照系统示意图放置，最后将相机连接计算机。
27.(4)激光器为超连续光纤激光器，输出功率为20％，各波段强度谱线如图4所示。
28.(5)光学系统中不添加漫射器视为对照组，添加漫射器为实验组，分别拍照记录成像结果分析比对，结果如图5和图6所示。
29.图6表明，在未加漫射器样品时，成像光斑小，亮度高，并且伴随着些许杂散班的产生，环境暗噪声大。加入漫射器样品后，成像光斑亮度更加均匀，成像范围变大，从原来的300个像素展宽到900个像素大小左右；并且，周围环境暗噪声强度相比未添加漫射器时降低50％以上，总体成像亮度均匀，信噪比和清晰度也得到了很大的提高。

技术特征：

1.一种利用气泡阵列漫射器提高望远镜成像展宽的装置，其特征在于该装置由光学成像系统和气泡阵列漫射器两部分组成。其光学成像系统的特点在于采用日冕仪的设计原理，能够通过添加光束整形元件消除系统中的杂散光，进一步减小差在成像中的影响。气泡阵列漫射器的特征在于利用制备二氧化钛纳米棒样本产生的圆形随机分布的气泡阵列实现对光束的整形调制，从而提高成像均匀性。2.根据权利要求1所述的一种利用气泡阵列漫射器提高望远镜成像展宽的装置，其特征在于：按光路顺序，观测星体近似位于无穷远处，平行光入射到第一片焦距为f的透镜-1中，距其后2f处放置一片焦距为f的透镜-2；光束经过透镜-2后以平行光出射，在透镜-2后f处放置焦距为f的透镜-3，透镜-3将光束会聚到相机ccd中，相机ccd放置于透镜-3的后焦面收集样品信号并在计算机中实时显示。3.根据权利要求1所述的一种利用气泡阵列漫射器提高望远镜成像展宽的装置，其特征在于：光学成像系统中的透镜-1、透镜-2和透镜-3加工选取双胶合设计，减小成像系统差，透镜焦距均为75mm，透镜直径均为50.8mm。4.根据权利要求1所述的一种利用气泡阵列漫射器提高望远镜成像展宽的装置，其特征在于：气泡阵列漫射器放置在成像系统中透镜-1后焦面处，将成像结果进行对比分析。5.根据权利要求1所述的一种利用气泡阵列漫射器提高望远镜成像展宽的装置，其特征在于：气泡阵列漫射器通过一种简单的水热法制备，试剂为硫酸钛、柠檬酸、去离子水、99％乙二胺和无水乙醇，二氧化钛制作完毕后，进行离心处理，取上清液滴在载玻片上，静置15min，将此载玻片在显微镜下观察，观察到近似圆形的半径不等的随机排列的气泡阵列。

技术总结

本发明涉及一种利用气泡阵列漫射器提高望远镜成像展宽的装置，主要有成像系统和气泡阵列漫射器两部分组成。其成像系统的特点在于采用光学日冕仪的设计原理，消除系统中的杂散光；气泡阵列漫射器的主要特征在于用化学水热法制作的制备的二氧化钛纳米棒样本，能够提供一种工艺简单、成本低廉的部分随机气泡，其表面观测近似于微透镜阵列。这种漫射器合成过程易操作，实验设备成本低，在光学系统中能够展宽图像，使成像亮度更均匀，抑制系统杂散光的形成并提升图像信噪比。本发明能够最大程度地减少了由于非均匀像素响应、大气可见效应和散焦时望远镜引起的可变像差所造成的光度误差，进一步增加了观测时可实现的动态范围，提高观测效率。测效率。测效率。