專利名稱：一種太陽多層共軛自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大視場波前探測與多層校正的多層共軛自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，屬于自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自適應(yīng)光學(xué)(AO)技術(shù)經(jīng)過三十多年的發(fā)展，已經(jīng)在多個領(lǐng)域起到舉足輕重的作用。在天文應(yīng)用領(lǐng)域，AO技術(shù)目前已經(jīng)成為大口徑地基夜天文望遠(yuǎn)鏡與太陽望遠(yuǎn)鏡不可或缺的組成部分。但是受等暈區(qū)限制，自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)只能在很小范圍內(nèi)獲得高分辨力成像，這嚴(yán)重限制了 AO技術(shù)在大視場觀測場合的運(yùn)用。在夜天文觀測中，小范圍內(nèi)無法找到滿足觀測亮度要求的導(dǎo)引星，使得在自然導(dǎo)星情況下，采用AO進(jìn)行觀測的空域范圍受到嚴(yán)重限制，激光導(dǎo)星雖然可以解決導(dǎo)引星問題，但同時又會帶來所謂“錐效應(yīng)”的問題。為此J.M. Beckers于1988年提出了多層共軛自適應(yīng)光學(xué)(MCAO)技術(shù)，主要用于解決AO技術(shù)中觀測等暈效應(yīng)與激光導(dǎo)星技術(shù)的錐效應(yīng)問題。在針對太陽的天文觀測中，高分辨成像對于研究太陽磁場活動進(jìn)而推動太陽天文物理學(xué)進(jìn)展有至關(guān)重要的作用，因此，致力于高分辨成像的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)較早的在太陽望遠(yuǎn)鏡中得以運(yùn)用。但是由于太陽活動區(qū)域往往在一個比較大的視場內(nèi)，受到等暈區(qū)限制，自適應(yīng)光學(xué)只能校正太陽活動的部分區(qū)域，太陽自適應(yīng)光學(xué)急需要MCAO技術(shù)擴(kuò)大其校正視場。另一方面，太陽也是進(jìn)行MCAO技術(shù)試驗(yàn)的理想平臺，MCAO技術(shù)需要不同方向多導(dǎo)星進(jìn)行大視場范圍內(nèi)波前探測，在夜天文領(lǐng)域，很難找到滿足位置要求和亮度要求的自然導(dǎo)星，通常采用多激光導(dǎo)星技術(shù)，而太陽本身為一個擴(kuò)展目標(biāo)，可以根據(jù)需要在其表面選取不同方向不同視場區(qū)域內(nèi)的黑子或米粒結(jié)構(gòu)作為導(dǎo)引星進(jìn)行波前探測。目前國內(nèi)尚無太陽MCAO技術(shù)研究的報道，國外主要有德國太陽物理研究所(KIS)與美國國家太陽天文臺(NSO)兩個單位在2003年前后搭建了 MCAO試驗(yàn)系統(tǒng)。考慮系統(tǒng)制造成本以及實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度等方面問題，兩個試驗(yàn)系統(tǒng)均采用兩層校正的形式。德國KIS基于VTT上MCAO試驗(yàn)系統(tǒng)采用兩層完全的分離探測與控制的方式，即首先用其原有的太陽AO系統(tǒng)進(jìn)行校正；隨后再用MCAO探測器探測大視場范圍內(nèi)剩余波前誤差，并控制共軛于高層湍流的變形鏡進(jìn)行再校正。這種結(jié)構(gòu)的MCAO系統(tǒng)只需要在原有AO系統(tǒng)后端續(xù)接一個MCAO探測與校正模塊，因此實(shí)現(xiàn)簡單，但是由于其兩層探測與校正完全獨(dú)立，控制上沒有將高低層湍流信息分離開供兩層波前校正器校正。這種結(jié)構(gòu)實(shí)際上是兩個AO系統(tǒng)的串聯(lián)，嚴(yán)格意義上甚至不能稱之為MCAO系統(tǒng)。而美國NSO研制的MCAO試驗(yàn)系統(tǒng)，雖然統(tǒng)一控制兩層湍流引起的波前像差的探測與校正，但是其結(jié)構(gòu)設(shè)計上未考慮調(diào)整高低層波前校正器位置，即未通過光學(xué)中繼系統(tǒng)調(diào)整兩層校正的位置，致使系統(tǒng)校正存在較大誤差，到目前為止，該試驗(yàn)系統(tǒng)尚未取得十分理想的觀測結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種太陽多層共軛自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)大視場范圍內(nèi)的高分辨成像，且提高了系統(tǒng)校正的準(zhǔn)確度，對太陽天文研究有十分重要的意義。本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種太陽多層共軛自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，包括低層大氣波前校正器I、低層大氣波前探測器3、波前控制器4、光學(xué)中繼系統(tǒng)5、中高層大氣波前校正器
6、中高層大氣波前探測器8,成像系統(tǒng)9、第一分光鏡2及第二分光鏡7 ;所述低層大氣波前校正器I位于近地表層湍流的共軛位置或入瞳共軛位置，校正等暈區(qū)內(nèi)湍流累積的波前像差，由于不同方向的光波在地表層處趨于重合，低層大氣波前校正器I又可視為校正地表層湍流引起的波前像差；所述低層大氣波前探測器3共軛于入瞳位置，位于中高層大氣波前校正器6之前，對等暈區(qū)內(nèi)區(qū)域進(jìn)行高階Zernike波前像差探測；所述中高層大氣波前探測器8共軛于入瞳位置，對大視場范圍內(nèi)不同方向的湍流引起的波前畸變進(jìn)行探測，每一次探測同時獲得多路離軸波前像差；所述中高層大氣波前校正器6位于中高層湍流的共軛位置，用于校正中高層湍流引起的波前像差，不同站址強(qiáng)湍流層高度不同，具體高度根據(jù)站址大氣視寧度統(tǒng)計特性而定；所述光學(xué)中繼系統(tǒng)5調(diào)整高低層湍流校正順序，使中高層大 氣波前校正器6位于低層大氣波前校正器I后面；所述波前控制器4綜合處理低層大氣波前探測器3和中高層大氣波前探測器8得到波前信息，通過層析算法分離出不同層湍流信息，并控制低層大氣波前校正器I和中高層大氣波前校正器6對大氣瑞流進(jìn)行多層校正；成像系統(tǒng)9位于系統(tǒng)末端，用于采集系統(tǒng)校正補(bǔ)償后高分辨圖像；第一分光鏡2與第二分光鏡7主要用于分光，其中第一分光鏡2位于低層波前校正器之后，經(jīng)過分光后一路光進(jìn)入后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)，另一路光進(jìn)入低層大氣波前探測器；第二分光鏡7位于中高層大氣波前校正器6之后，經(jīng)過分光后一路光進(jìn)入中高層大氣波前探測器8用于不同方向波前信息探測，另一路進(jìn)入成像系統(tǒng)9對目標(biāo)進(jìn)行高分辨成像；所述的低層大氣波前探測器3共軛于入瞳位置，可以為常規(guī)自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)中使用的波前探測器，如哈特曼波前探測器、干涉儀、曲率傳感器及相位差傳感器等，主要對等暈區(qū)內(nèi)湍流引起的小視場高階Zernike波前像差進(jìn)行探測；由于受太陽輻射影響，白天的大氣湍流呈現(xiàn)出明顯分層現(xiàn)象，其中近地表層湍流是影響太陽望遠(yuǎn)鏡成像質(zhì)量的主要因素，低層大氣波前探測器3得到的波前信息大部分為近地表層湍流引起的波前像差。所述的中高層大氣波前探測器8共軛于入瞳位置，可以是多個波前探測器分別探測不同方向的波前信息，也可以是單個大靶面哈特曼波前探測器，每個子孔徑對應(yīng)較大視場，可以在子孔徑內(nèi)劃分子區(qū)域，每個子區(qū)域?qū)?yīng)不同方向不同視場，針對不同子孔徑相同位置的子區(qū)域進(jìn)行互相關(guān)計算，進(jìn)而得到不同方向湍流引起的波前像差，由于中高層湍流相對較弱，中高層大氣波前探測器8只需對大視場范圍內(nèi)不同方向大氣湍流引起的低階Zernike模式像差進(jìn)行探測。所述的低層大氣波前校正器I、中高層大氣波前校正器6均可采用常規(guī)的變形反射鏡，如壓電式變形反射鏡、PMN變形反射鏡、Bimorph變形反射鏡及MEMS變形反射鏡等；低層大氣波前校正器I位于近地表層湍流的共軛位置，或入瞳共軛位置，校正等暈區(qū)內(nèi)湍流累積的波前像差，由于不同方向的光波在地表層處趨于重合，因此低層大氣波前校正器又可看作校正地表層湍流引起的波前像差；中高層大氣波前校正器6位于中高層湍流層共軛位置，用于校正大視場范圍內(nèi)中高層湍流引起的波前像差，不同站址強(qiáng)湍流層高度不同，具體高度根據(jù)站址大氣視寧度統(tǒng)計特性而定；
所述的波前控制器4綜合處理低層大氣波前探測器3和中高層大氣波前探測器8得到波前信息，利用層析算法或者簡單取平均的方法分離出不同層湍流信息，并控制低層大氣波前校正器I和中高層大氣波前校正器6對大氣湍流予以分層校正。所述的波前控制器4主要采用平均算法和層析算法兩種方式實(shí)現(xiàn)不同湍流波前信息的分離。平均層析算法實(shí) 現(xiàn)過程如下將大氣湍流等效為地表層湍流與中高層湍流兩層，分別記為O[與Oh，低層大氣波前探測器3探測等暈區(qū)內(nèi)波前信息，記為(K，考慮到大氣湍流主要集中在地表層，有
權(quán)利要求
1.一種太陽多層共軛自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于包括低層大氣波前校正器(I)、低層大氣波前探測器(3)、波前控制器(4)、光學(xué)中繼系統(tǒng)(5)、中高層大氣波前校正器(6)、中高層大氣波前探測器(8),成像系統(tǒng)(9)、第一分光鏡(2)及第二分光鏡(7);所述低層大氣波前校正器(I)位于近地表層湍流的共軛位置或入瞳共軛位置，校正等暈區(qū)內(nèi)湍流累積的波前像差，由于不同方向的光波在地表層處趨于重合，低層大氣波前校正器(I)又可視為校正地表層湍流引起的波前像差；所述低層大氣波前探測器(3)共軛于入瞳位置，位于中高層大氣波前校正器(6)之前，對等暈區(qū)內(nèi)區(qū)域進(jìn)行高階Zernike波前像差探測；所述中高層大氣波前探測器(8)共軛于入瞳位置，對大視場范圍內(nèi)不同方向的湍流引起的波前畸變進(jìn)行探測，每一次探測同時獲得多路離軸波前像差；所述中高層大氣波前校正器(6)位于中高層湍流的共軛位置，用于校正中高層湍流引起的波前像差，不同站址強(qiáng)湍流層高度不同，具體高度根據(jù)站址大氣視寧度統(tǒng)計特性而定；所述光學(xué)中繼系統(tǒng)(5)調(diào)整高低層湍流校正順序，使中高層大氣波前校正器(6)位于低層大氣波前校正器(I)后面；所述波前控制器(4)綜合處理低層大氣波前探測器(3)和中高層大氣波前探測器(8)得到波前信息，通過層析算法分離出不同層湍流信息，并控制低層大氣波前校正器(I)和中高層大氣波前校正器(6)對大氣湍流進(jìn)行多層校正；成像系統(tǒng)(9)位于系統(tǒng)末端，用于采集系統(tǒng)校正補(bǔ)償后高分辨圖像；第一分光鏡(2)與第二分光鏡(7)主要用于分光，其中第一分光鏡(2)位于低層波前校正器之后，經(jīng)過分光后一路光進(jìn)入后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)，另一路光進(jìn)入低層大氣波前探測器；第二分光鏡(7)位于中高層大氣波前校正器(6)之后，經(jīng)過分光后一路光進(jìn)入成像系統(tǒng)(9)，另一路進(jìn)入中高層大氣波前探測器(8)； 帶有波前畸變的光波進(jìn)入后首先經(jīng)過低層大氣波前校正器(I)，校正等暈區(qū)內(nèi)湍流累積的波前像差，由于不同方向的光波在地表層處趨于重合，低層大氣波前校正器(I)又可視為校正地表層湍流引起的波前像差，隨后第一分光鏡(2)將光波分為兩路，其中一路進(jìn)入低層大氣波前探測器(3)，低層大氣波前探測器(3)探測到經(jīng)過低層大氣波前校正器(I)校正后的波前殘差信息，該信息經(jīng)波前控制器(4)處理后反饋控制低層大氣波前校正器(I)產(chǎn)生新的校正波前面型，完成低層大氣波前探測與校正的閉環(huán)控制；由第一分光鏡(2)分出的另一路光波首先經(jīng)過光學(xué)中繼系統(tǒng)(5)，重新構(gòu)造中高層大氣湍流的共軛位置，隨后進(jìn)入中高層大氣波前校正器￠)，中高層大氣波前校正器(6)位于中高層湍流的共軛位置，對中高層湍流引起的波前像差進(jìn)行校正；校正后的光波再由第二分光鏡(7)分為兩路，其中一路進(jìn)入中高層大氣波前探測器(8)，中高層大氣波前探測器(8)對大視場范圍內(nèi)不同方向的湍流引起的波前畸變進(jìn)行探測，每一次探測同時獲得多路離軸波前像差，波前控制器(4)綜合處理低層大氣波前探測器(3)和中高層大氣波前探測器(8)得到波前信息，通過層析算法分離出不同層湍流信息；其中中高層湍流引起的波前像差反饋控制中高層大氣波前校正器(6)產(chǎn)生相應(yīng)的校正面型，完成中高層大氣波前探測與校正的閉環(huán)控制；經(jīng)過兩層校正后，由第二分光鏡(7)引出的另一路光進(jìn)入后端的成像系統(tǒng)(9)，最終實(shí)現(xiàn)大視場范圍內(nèi)高分辨成像。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽多層共軛自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述低層大氣波前探測器(3)為波前探測器，所述波前探測器包括哈特曼波前探測器、干涉儀、曲率傳感器或相位差傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽多層共軛自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述中高層大氣波前探測器(8)是多個波前探測器分別探測不同方向的波前信息，也可以是單個大靶面哈特曼波前探測器，每個子孔徑對應(yīng)較大視場，可以在子孔徑內(nèi)劃分子區(qū)域，每個子區(qū)域?qū)?yīng)不同方向不同視場。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽多層共軛自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述低層大氣波前校正器(I)、中高層大氣波前校正器(6)均采用變形反射鏡，所述變形反射鏡包括壓電式變形反射鏡、PMN變形反射鏡、Bimorph變形反射鏡及MEMS變形反射鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽多層共軛自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述波前控制器(4)利用層析算法計算得到中高層大氣湍流引起的波前像差采用平均層析算法或大氣層析算法。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的太陽多層共軛自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述平均層析算法實(shí)現(xiàn)過程如下 將大氣湍流等效為地表層湍流與中高層湍流兩層，分別記為O[與Oh，低層大氣波前探測器(3)探測等暈區(qū)內(nèi)波前信息，記為(K，考慮到大氣湍流主要集中在地表層，有
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的太陽多層共軛自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述大氣層析算法為大氣湍流根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需要等效為任意多層，記為Nel層，不同方向探測到的波前信息則為
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽多層共軛自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的光學(xué)中繼系統(tǒng)(5)負(fù)責(zé)對高層大氣湍流進(jìn)行再成像，在低層大氣波前校正器(I)后面構(gòu)造新的高層大氣湍流的共軛位置，所述光學(xué)中繼系統(tǒng)(5)采用反射式光學(xué)鏡組或折射式光學(xué)鏡組。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽多層共軛自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述中高層大氣波前校正器(6)為單層校正，或根據(jù)系統(tǒng)性能需要設(shè)計為多個波前校正器對不同高度大氣湍流引起的波前像差進(jìn)行補(bǔ)償。
全文摘要
一種太陽多層共軛自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，由低層大氣波前探測器、中高層大氣波前探測器、低層大氣波前校正器、中高層大氣波前校正器、波前控制器、光學(xué)中繼系統(tǒng)、成像子系統(tǒng)以及其他必要的光學(xué)組件組成。系統(tǒng)以太陽表面黑子或米粒結(jié)構(gòu)為信標(biāo)，同時對多個區(qū)域進(jìn)行波前探測，獲得大視場范圍內(nèi)湍流引起的波前畸變，利用層析算法計算出不同湍流層引起的波前像差，最后控制位于相應(yīng)湍流層共軛位置的波前校正器對大氣湍流進(jìn)行分層校正，最終實(shí)現(xiàn)大視場范圍內(nèi)高分辨成像。本發(fā)明通過光學(xué)中繼系統(tǒng)調(diào)整高低湍流層共軛位置順序，使低層湍流先得到補(bǔ)償和校正，增加探測和校正的準(zhǔn)確度。層析算法的使用降低不同湍流層波前像差的耦合引起的誤差。
文檔編號G02B26/06GK102621687SQ201210101260
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月9日
發(fā)明者張?zhí)m強(qiáng), 朱磊, 顧乃庭, 饒學(xué)軍, 饒長輝 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所