一种用于强湍流校正的太阳自适应光学系统

• 摘要：

  本发明公开了一种用于强湍流校正的太阳自适应光学系统,包括倾斜镜、变形镜、精跟踪波前传感器、相关夏克‑哈特曼波前传感器以及波前控制器.针对部分强湍流条件下对太阳进行高分辨力成像观测的需求,从探测波长、校正阶次以及自适应光学系统本身结构入手,提升自适应光学系统在极端湍流强度条件下的校正能力,满足城市科普等应用需求.在探测方面,通过使用长波探测,降低强湍流的影响;在系统参数方面,分析校正对象时空特性,增加探测和校正单元,使之与湍流强度相匹配.在控制算法和校正阶次方面,采用模式法控制以提高系统闭环校正稳定性的基础上,基于校正精度要求的分析,进行高阶探测、低阶校正的方法,进一步确保系统稳定闭环工作.

• 专利类型：

  发明专利

• 申请/专利号：

  CN202010487954.5

• 申请日期：

  2020.06.02

• 公开/公告号：

  CN111562022A

• 公开/公告日：

  2020-08-21

• 发明人：

  饶长辉 张兰强 饶学军 刘洋毅 孔林 鲍华

• 申请人：

  中国科学院光电技术研究所

• 主分类号：

  G01J9/00(2006.01),G,G01,G01J,G01J9

• 分类号：

  G01J9/00(2006.01),G02B27/00(2006.01),G,G01,G02,G01J,G02B,G01J9,G02B27,G01J9/00,G02B27/00

• 主权项：

  1.一种用于强湍流校正的太阳自适应光学系统,其特征在于:由准直镜(1)、倾斜波前校正器(2)、高阶波前校正器(3)、第一分光镜(4)、精跟踪波前传感器(5)、精跟踪波前校正控制器(6)、第二分光镜(7)、成像子系统(8)、相关夏克-哈特曼波前传感器(9)以及高阶波前校正控制器(10)组成,倾斜波前校正器(2)、精跟踪波前传感器(5)和精跟踪波前校正控制器(6)组成对大气湍流进行倾斜校正的闭环子系统,高阶波前校正器(3)、相关夏克-哈特曼波前传感器(9)以及高阶波前校正控制器(10)组成对大气湍流进行高阶像差校正的闭环子系统,经过望远镜主焦点的光,首先由准直镜(1)进行准直,随后进入倾斜波前校正器(2)和高阶波前校正器(3),其中高阶波前校正器(3)位于望远镜入瞳的共轭位置,第一分光镜(4)将光分为两束,一束用于精跟踪波前传感器(5)探测低阶倾斜像差;另一束经第二分光镜(7)分别进入成像子系统(8)和相关夏克-哈特曼波前传感器(9). 为了在极端湍流条件下,即大气相干长度在3~5cm,提升高阶波前探测的精度,系统放弃传统经典的探测波段(500nm~550nm),采用波长更长的TiO波段(中心波长705.7nm)进行波前探测,探测波长和湍流强度有如下关系: 其中,λ0和λd分别为湍流强度的测量波长和自适应光学系统的探测波长,r0和分别是与湍流测量和自适应光学系统探测波长对应的大气相干长度,可知长波探测会增加大气湍流相干长度,提升波前探测精度,此外,TiO波段的不透明性对温度非常敏感,在黑子的半影,尤其是本影这类温度变低的区域,TiO的线深显著增加,采用此波段进行波前探测,在观测太阳活动区时获得更高的图像对比度,有利于系统波前像差的提取; 为了提升系统校正能力,根据系统波前探测和校正空间尺度与大气湍流相干长度相当的设计原则,降低系统波前传感器采样误差和波前校正器的拟合误差对校正效果的影响,确保系统对强湍流具有足够的探测和校正能力,在模式法闭环校正的基础上,当畸变波前的前N项Zernike模式得到完全校正,残余高阶波前畸变RMS值σφ≤0.14λI时,成像分辨率可以达到望远镜的两倍光学衍射极限分辨率,则认为系统达到了自适应光学波前校正的要求,此处λI代表成像波段的中心波长,根据Robert J.Noll基于Zernike分解湍流像差的理论,当前N项模式像差被校正后,残余的高阶波前像差的方差可以表示为: 其中,D和分别为成像太阳望远镜的口径和成像波段对应的大气相干长度,N为校正的Zernike模式的项数,根据望远镜口径、成像波长和对应湍流强度,可以计算需要校正的波前像差的阶次,可以发现,对于小口径太阳望远镜来说,只需要校正十分有限的阶次即可达到要求. 2.根据权利要求1所述的一种用于强湍流校正的太阳自适应光学系统,其特征在于:所述的相关夏克-哈特曼波前传感器采用TiO(中心波长705.6nm)波段作为探测波长,TiO波段对温度更加敏感,适合观测低温区域的太阳活动黑子,此外,相较于传统500nm左右的探测波长,长波探测进一步降低了强湍流的影响,从而提高探测精度. 3.根据权利要求1所述的一种用于强湍流校正的太阳自适应光学系统,其特征在于:所述的第一分光镜(4)和第二分光镜(7)均为二色分光镜,其中,第一分光镜(4)透射精跟踪波前探测器所需波长,反射其余波长;第二分光镜(7)反射高阶波前像差探测所需波长,透射其余波长用于高分辨力成像,根据系统各部件摆放位置,第一分光镜(4)和第二分光镜(7)的透射和反射波长可以互换. 4.根据权利要求1所述的一种用于强湍流校正的太阳自适应光学系统,其特征在于:所述精跟踪波前传感器(5)由中继光元件(11)、孔径光阑(12)、成像物镜(13)以及成像相机(14)组成,对于强湍流情况下,可以使用孔径光阑缩小成像孔径,降低湍流对像质的影响,便于精跟踪波前传感器对低阶倾斜像差的提取. 5.根据权利要求1所述的一种用于强湍流校正的太阳自适应光学系统,其特征在于:所述的成像子系统,可以根据需要包含一路或者多路成像通道.