專利名稱：一種太陽多層共軛自適應光學系統的制作方法
技術領域：
本發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光學系統，屬于自適應光學技術領域。
背景技術：
自適應光學(AO)技術經過三十多年的發展，已經在多個領域起到舉足輕重的作用。在天文應用領域，AO技術目前已經成為大口徑地基夜天文望遠鏡與太陽望遠鏡不可或缺的組成部分。但是受等暈區限制，自適應光學技術只能在很小范圍內獲得高分辨力成像，這嚴重限制了 AO技術在大視場觀測場合的運用。在夜天文觀測中，小范圍內無法找到滿足觀測亮度要求的導引星，使得在自然導星情況下，采用AO進行觀測的空域范圍受到嚴重限制，激光導星雖然可以解決導引星問題，但同時又會帶來所謂“錐效應”的問題。為此J.M. Beckers于1988年提出了多層共軛自適應光學(MCAO)技術，主要用于解決AO技術中觀測等暈效應與激光導星技術的錐效應問題。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而推動太陽天文物理學進展有至關重要的作用，因此，致力于高分辨成像的自適應光學技術較早的在太陽望遠鏡中得以運用。但是由于太陽活動區域往往在一個比較大的視場內，受到等暈區限制，自適應光學只能校正太陽活動的部分區域，太陽自適應光學急需要MCAO技術擴大其校正視場。另一方面，太陽也是進行MCAO技術試驗的理想平臺，MCAO技術需要不同方向多導星進行大視場范圍內波前探測，在夜天文領域，很難找到滿足位置要求和亮度要求的自然導星，通常采用多激光導星技術，而太陽本身為一個擴展目標，可以根據需要在其表面選取不同方向不同視場區域內的黑子或米粒結構作為導引星進行波前探測。目前國內尚無太陽MCAO技術研究的報道，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試驗系統。考慮系統制造成本以及實現復雜度等方面問題，兩個試驗系統均采用兩層校正的形式。德國KIS基于VTT上MCAO試驗系統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系統進行校正；隨后再用MCAO探測器探測大視場范圍內剩余波前誤差，并控制共軛于高層湍流的變形鏡進行再校正。這種結構的MCAO系統只需要在原有AO系統后端續接一個MCAO探測與校正模塊，因此實現簡單，但是由于其兩層探測與校正完全獨立，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。這種結構實際上是兩個AO系統的串聯，嚴格意義上甚至不能稱之為MCAO系統。而美國NSO研制的MCAO試驗系統，雖然統一控制兩層湍流引起的波前像差的探測與校正，但是其結構設計上未考慮調整高低層波前校正器位置，即未通過光學中繼系統調整兩層校正的位置，致使系統校正存在較大誤差，到目前為止，該試驗系統尚未取得十分理想的觀測結果。
發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供一種太陽多層共軛自適應光學系統，可以實現大視場范圍內的高分辨成像，且提高了系統校正的準確度，對太陽天文研究有十分重要的意義。本發明的技術解決方案一種太陽多層共軛自適應光學系統，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、光學中繼系統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，校正等暈區內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，對等暈區內區域進行高階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，對大視場范圍內不同方向的湍流引起的波前畸變進行探測，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，不同站址強湍流層高度不同，具體高度根據站址大氣視寧度統計特性而定；所述光學中繼系統5調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對大氣瑞流進行多層校正；成像系統9位于系統末端，用于采集系統校正補償后高分辨圖像；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，經過分光后一路光進入后續光學系統，另一路光進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，經過分光后一路光進入中高層大氣波前探測器8用于不同方向波前信息探測，另一路進入成像系統9對目標進行高分辨成像；所述的低層大氣波前探測器3共軛于入瞳位置，可以為常規自適應光學技術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，主要對等暈區內湍流引起的小視場高階Zernike波前像差進行探測；由于受太陽輻射影響，白天的大氣湍流呈現出明顯分層現象，其中近地表層湍流是影響太陽望遠鏡成像質量的主要因素，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，每個子孔徑對應較大視場，可以在子孔徑內劃分子區域，每個子區域對應不同方向不同視場，針對不同子孔徑相同位置的子區域進行互相關計算，進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不同方向大氣湍流引起的低階Zernike模式像差進行探測。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，校正等暈區內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中高層湍流引起的波前像差，不同站址強湍流層高度不同，具體高度根據站址大氣視寧度統計特性而定；
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現不同湍流波前信息的分離。平均層析算法實 現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探測等暈區內波前信息，記為(K，考慮到大氣湍流主要集中在地表層，有
權利要求
1.一種太陽多層共軛自適應光學系統，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)、光學中繼系統(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(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，校正等暈區內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，對等暈區內區域進行高階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，對大視場范圍內不同方向的湍流引起的波前畸變進行探測，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，不同站址強湍流層高度不同，具體高度根據站址大氣視寧度統計特性而定；所述光學中繼系統(5)調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)對大氣湍流進行多層校正；成像系統(9)位于系統末端，用于采集系統校正補償后高分辨圖像；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，經過分光后一路光進入后續光學系統，另一路光進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，經過分光后一路光進入成像系統(9)，另一路進入中高層大氣波前探測器(8)； 帶有波前畸變的光波進入后首先經過低層大氣波前校正器(I)，校正等暈區內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，該信息經波前控制器(4)處理后反饋控制低層大氣波前校正器(I)產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控制；由第一分光鏡(2)分出的另一路光波首先經過光學中繼系統(5)，重新構造中高層大氣湍流的共軛位置，隨后進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)對大視場范圍內不同方向的湍流引起的波前畸變進行探測，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)產生相應的校正面型，完成中高層大氣波前探測與校正的閉環控制；經過兩層校正后，由第二分光鏡(7)引出的另一路光進入后端的成像系統(9)，最終實現大視場范圍內高分辨成像。
2.根據權利要求I所述的太陽多層共軛自適應光學系統，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.根據權利要求I所述的太陽多層共軛自適應光學系統，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，每個子孔徑對應較大視場，可以在子孔徑內劃分子區域，每個子區域對應不同方向不同視場。
4.根據權利要求I所述的太陽多層共軛自適應光學系統，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.根據權利要求I所述的太陽多層共軛自適應光學系統，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.根據權利要求5所述的太陽多層共軛自適應光學系統，其特征在于所述平均層析算法實現過程如下 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)探測等暈區內波前信息，記為(K，考慮到大氣湍流主要集中在地表層，有
7.根據權利要求5所述的太陽多層共軛自適應光學系統，其特征在于所述大氣層析算法為大氣湍流根據系統設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.根據權利要求I所述的太陽多層共軛自適應光學系統，其特征在于所述的光學中繼系統(5)負責對高層大氣湍流進行再成像，在低層大氣波前校正器(I)后面構造新的高層大氣湍流的共軛位置，所述光學中繼系統(5)采用反射式光學鏡組或折射式光學鏡組。
9.根據權利要求I所述的太陽多層共軛自適應光學系統，其特征在于所述中高層大氣波前校正器(6)為單層校正，或根據系統性能需要設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行補償。
全文摘要
一種太陽多層共軛自適應光學系統，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、光學中繼系統、成像子系統以及其他必要的光學組件組成。系統以太陽表面黑子或米粒結構為信標，同時對多個區域進行波前探測，獲得大視場范圍內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，最后控制位于相應湍流層共軛位置的波前校正器對大氣湍流進行分層校正，最終實現大視場范圍內高分辨成像。本發明通過光學中繼系統調整高低湍流層共軛位置順序，使低層湍流先得到補償和校正，增加探測和校正的準確度。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 優先權日2012年4月9日
發明者張蘭強, 朱磊, 顧乃庭, 饒學軍, 饒長輝 申請人:中國科學院光電技術研究所