光学综合孔径技术

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1、光学综合孔径技术周必方蒋筱如王海涛陈汉良范伟军朱永田(中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所南京210042)摘要1995年，英国J．E．Baldwin等与美国J．A．Ber州l等分别完成了COASr址ldNPOI学综合孔径成像望远镜阵，成功地观测与图像重构处理，标志着天文光干涉技术发展的新里程碑。之后，CHAP,A阵、VⅡI阵、髓cK阵⋯⋯计划的实施，象征着光学综合孔径技术已经成熟了。高分辨率成像观测将为天文学的发展提供强有力的手段。关键词天文光干涉光学综合孔径技术光学综合孔径望远镜阵一、引言恒星光干涉技术于1868年由H．Fizeau首先提议。于1921．193

2、1年期间由A．A．Miehelson和他的学生F．G．．Pease在天文学史上首先测定了太阳以外角主径为O．0掣．0．04”范围内的6颗恒星。之后，恒星光干涉术中断了20多年。在1956年，由R．Hi．ourBrown和R．O．惭ss又研制了第一台强度干涉仪。但直接探测可见光条纹，由间隔开的望远镜付组成的恒星光干涉仪首先是由A．bbey血于1974年完成的。接着从1979—1986年由M．Slmo等完成了相位跟踪和全自动化的、用于天体测量的MarkⅢ恒星光干涉仪。1985年J．E．Baldwin等首先提出了光学波段的闭合测量，又于1995年完成了COAST光学综合孔径望

3、远镜阵并成功地进行观测与图像重构，J．A．Benton等完成了NN)I光学综合孔径望远镜阵并成功地进行观测与图像重构。目前光学综合孔径技术不仅在地面天文学中得到应用，光学综合孔径望远镜阵的规模愈来愈大，如CHARA阵、V珊阵、KECK阵，而且在空间天文学中开始了发展，不仅应用于天文学研究上已处于成熟的发展阶段，而且在军事科学研究领域中也已有令人瞩目的成果。二、光干涉成像与光学综合孔径成像原理光学成像原理可分为三类。一类是几何光学的像差理论成像原理，通常光学系统设计按此为理论基础进行的。一类是衍射成像原理，它以波动光学的衍射理论为基础，结合通信理论中线性系统的方法，把成像

4、系统视为空不变的线性系统，成像系统的特性用相干传递函数(相干照明)或光学传递函数(非相干照明)来描述，衍射成像原理在像质定量评价和成像系统分辨率的研究以及实现高分辨率成像等方面起了重要作用。另一类成像理论是干涉成像原理，它认为成像过程本质上是干涉过程，像面上任何一点的光拢动必然是出瞳上各类光拢动贡·69·献的叠加，干涉成像原理以光场的部分相干性为基点。这是实践中普遍存在的光场。部分相干孳婴成像特性有着不可忽视的影响。因此，衍射成像原理中被截然分开的相干成像和非相干成像就作为两个极限情形被包括在于涉成像原理之中，可见，干涉成像原理更具有普遍性。毒岳彳旷7／／灭萨／一Z．一

5、舀物平面出瞳像平面雹1干涉成像模型1．范西特一泽尼克定理图1中，}一7，Ⅳ一，，n一”分别为物平面、出瞳和像平面，由v皿Cider一融ike(范西特一泽尼克)定理，光强分布为，(}，7)的非相干源在距离z处的平面(如出瞳)上任意的点(∞，扎)和(』2，弛)处形成的互强度，J(x，，，。；92，儿)。令如=92一扎，4=扎一yI，并注意到({，7)在一定的光源范围∑之外时，，(}，，)等于零，可得范西特一泽尼克定理的最后形式为：J(Xl,y，；xz,yx)=黝_Ⅲ唧{，笼(雠+酬k-式中，位相因子十由下式给出≯。壶‘(《+矗)一(z：+y：)】2意(正一P；)(1)其中，

6、P1和Pz分别表示点(*：，y：)和点(xI，y。)离开光轴的距离。为方便起见，这个定理常常被写成规化形式，复相干系数写成小⋯Ymm，：：：笪：!竖宴={盔!竺：竺!!竺!。：，p(mlm，y2)=—兰∑—1—上型————J一(2)上J．。，(亭，叩)d搴d叩式中，，为一虚常数，位相因子妒5袁‘(z；+矗)一(z；+，：)】2乏(罐一矗)，j为平均波长。上式中，复相干系数等于光源强度函数的规化傅立叶变换。(频谱)Ip(x。，Y。；z：，y：)I表示形成条纹的可见度。由互强度和复相于因子的定义，在准单色光源条件下，互强度，12=r(o)=

7、(3)“122J12[，(P。)，(p：)]{(4)式中，u(p，f)为点P时间的随机光场的复解析信号，r。：(0)为光场的统计的空间相关性质，卢-z为复相干系数，因此J12或p。：描述了光场统计的空间相干性质即空间相关性。2．光学综合孔径成像由杨氏干涉实验知，在出瞳内矢量间距(厶，△y)的一对针孔在距离Z。处的像面上形成的条纹和强度分布为：，(H，口)=，(1’+，o’+2√p’产’l托Icosl詈(血“+△p)+州(5)式中，P·：是(4)式表示的复相干系数，在大多数涉及到非相干源的实际应用中，有良好的近似，，¨’=，‘2’，因此l产