专利名称：一种太阳多层共轭自适应光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种大视场波前探测与多层校正的多层共轭自适应光学系统，属于自适应光学技术领域。
背景技术：
自适应光学(AO)技术经过三十多年的发展，已经在多个领域起到举足轻重的作用。在天文应用领域，AO技术目前已经成为大口径地基夜天文望远镜与太阳望远镜不可或缺的组成部分。但是受等晕区限制，自适应光学技术只能在很小范围内获得高分辨力成像，这严重限制了 AO技术在大视场观测场合的运用。在夜天文观测中，小范围内无法找到满足观测亮度要求的导引星，使得在自然导星情况下，采用AO进行观测的空域范围受到严重限制，激光导星虽然可以解决导引星问题，但同时又会带来所谓“锥效应”的问题。为此J.M. Beckers于1988年提出了多层共轭自适应光学(MCAO)技术，主要用于解决AO技术中观测等晕效应与激光导星技术的锥效应问题。在针对太阳的天文观测中，高分辨成像对于研究太阳磁场活动进而推动太阳天文物理学进展有至关重要的作用，因此，致力于高分辨成像的自适应光学技术较早的在太阳望远镜中得以运用。但是由于太阳活动区域往往在一个比较大的视场内，受到等晕区限制，自适应光学只能校正太阳活动的部分区域，太阳自适应光学急需要MCAO技术扩大其校正视场。另一方面，太阳也是进行MCAO技术试验的理想平台，MCAO技术需要不同方向多导星进行大视场范围内波前探测，在夜天文领域，很难找到满足位置要求和亮度要求的自然导星，通常采用多激光导星技术，而太阳本身为一个扩展目标，可以根据需要在其表面选取不同方向不同视场区域内的黑子或米粒结构作为导引星进行波前探测。目前国内尚无太阳MCAO技术研究的报道，国外主要有德国太阳物理研究所(KIS)与美国国家太阳天文台(NSO)两个单位在2003年前后搭建了 MCAO试验系统。考虑系统制造成本以及实现复杂度等方面问题，两个试验系统均采用两层校正的形式。德国KIS基于VTT上MCAO试验系统采用两层完全的分离探测与控制的方式，即首先用其原有的太阳AO系统进行校正；随后再用MCAO探测器探测大视场范围内剩余波前误差，并控制共轭于高层湍流的变形镜进行再校正。这种结构的MCAO系统只需要在原有AO系统后端续接一个MCAO探测与校正模块，因此实现简单，但是由于其两层探测与校正完全独立，控制上没有将高低层湍流信息分离开供两层波前校正器校正。这种结构实际上是两个AO系统的串联，严格意义上甚至不能称之为MCAO系统。而美国NSO研制的MCAO试验系统，虽然统一控制两层湍流引起的波前像差的探测与校正，但是其结构设计上未考虑调整高低层波前校正器位置，即未通过光学中继系统调整两层校正的位置，致使系统校正存在较大误差，到目前为止，该试验系统尚未取得十分理想的观测结果。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种太阳多层共轭自适应光学系统，可以实现大视场范围内的高分辨成像，且提高了系统校正的准确度，对太阳天文研究有十分重要的意义。本发明的技术解决方案一种太阳多层共轭自适应光学系统，包括低层大气波前校正器I、低层大气波前探测器3、波前控制器4、光学中继系统5、中高层大气波前校正器
6、中高层大气波前探测器8,成像系统9、第一分光镜2及第二分光镜7 ;所述低层大气波前校正器I位于近地表层湍流的共轭位置或入瞳共轭位置，校正等晕区内湍流累积的波前像差，由于不同方向的光波在地表层处趋于重合，低层大气波前校正器I又可视为校正地表层湍流引起的波前像差；所述低层大气波前探测器3共轭于入瞳位置，位于中高层大气波前校正器6之前，对等晕区内区域进行高阶Zernike波前像差探测；所述中高层大气波前探测器8共轭于入瞳位置，对大视场范围内不同方向的湍流引起的波前畸变进行探测，每一次探测同时获得多路离轴波前像差；所述中高层大气波前校正器6位于中高层湍流的共轭位置，用于校正中高层湍流引起的波前像差，不同站址强湍流层高度不同，具体高度根据站址大气视宁度统计特性而定；所述光学中继系统5调整高低层湍流校正顺序，使中高层大 气波前校正器6位于低层大气波前校正器I后面；所述波前控制器4综合处理低层大气波前探测器3和中高层大气波前探测器8得到波前信息，通过层析算法分离出不同层湍流信息，并控制低层大气波前校正器I和中高层大气波前校正器6对大气瑞流进行多层校正；成像系统9位于系统末端，用于采集系统校正补偿后高分辨图像；第一分光镜2与第二分光镜7主要用于分光，其中第一分光镜2位于低层波前校正器之后，经过分光后一路光进入后续光学系统，另一路光进入低层大气波前探测器；第二分光镜7位于中高层大气波前校正器6之后，经过分光后一路光进入中高层大气波前探测器8用于不同方向波前信息探测，另一路进入成像系统9对目标进行高分辨成像；所述的低层大气波前探测器3共轭于入瞳位置，可以为常规自适应光学技术中使用的波前探测器，如哈特曼波前探测器、干涉仪、曲率传感器及相位差传感器等，主要对等晕区内湍流引起的小视场高阶Zernike波前像差进行探测；由于受太阳辐射影响，白天的大气湍流呈现出明显分层现象，其中近地表层湍流是影响太阳望远镜成像质量的主要因素，低层大气波前探测器3得到的波前信息大部分为近地表层湍流引起的波前像差。所述的中高层大气波前探测器8共轭于入瞳位置，可以是多个波前探测器分别探测不同方向的波前信息，也可以是单个大靶面哈特曼波前探测器，每个子孔径对应较大视场，可以在子孔径内划分子区域，每个子区域对应不同方向不同视场，针对不同子孔径相同位置的子区域进行互相关计算，进而得到不同方向湍流引起的波前像差，由于中高层湍流相对较弱，中高层大气波前探测器8只需对大视场范围内不同方向大气湍流引起的低阶Zernike模式像差进行探测。所述的低层大气波前校正器I、中高层大气波前校正器6均可采用常规的变形反射镜，如压电式变形反射镜、PMN变形反射镜、Bimorph变形反射镜及MEMS变形反射镜等；低层大气波前校正器I位于近地表层湍流的共轭位置，或入瞳共轭位置，校正等晕区内湍流累积的波前像差，由于不同方向的光波在地表层处趋于重合，因此低层大气波前校正器又可看作校正地表层湍流引起的波前像差；中高层大气波前校正器6位于中高层湍流层共轭位置，用于校正大视场范围内中高层湍流引起的波前像差，不同站址强湍流层高度不同，具体高度根据站址大气视宁度统计特性而定；
所述的波前控制器4综合处理低层大气波前探测器3和中高层大气波前探测器8得到波前信息，利用层析算法或者简单取平均的方法分离出不同层湍流信息，并控制低层大气波前校正器I和中高层大气波前校正器6对大气湍流予以分层校正。所述的波前控制器4主要采用平均算法和层析算法两种方式实现不同湍流波前信息的分离。平均层析算法实 现过程如下将大气湍流等效为地表层湍流与中高层湍流两层，分别记为O[与Oh，低层大气波前探测器3探测等晕区内波前信息，记为(K，考虑到大气湍流主要集中在地表层，有
权利要求
1.一种太阳多层共轭自适应光学系统，其特征在于包括低层大气波前校正器(I)、低层大气波前探测器(3)、波前控制器(4)、光学中继系统(5)、中高层大气波前校正器(6)、中高层大气波前探测器(8),成像系统(9)、第一分光镜(2)及第二分光镜(7);所述低层大气波前校正器(I)位于近地表层湍流的共轭位置或入瞳共轭位置，校正等晕区内湍流累积的波前像差，由于不同方向的光波在地表层处趋于重合，低层大气波前校正器(I)又可视为校正地表层湍流引起的波前像差；所述低层大气波前探测器(3)共轭于入瞳位置，位于中高层大气波前校正器(6)之前，对等晕区内区域进行高阶Zernike波前像差探测；所述中高层大气波前探测器(8)共轭于入瞳位置，对大视场范围内不同方向的湍流引起的波前畸变进行探测，每一次探测同时获得多路离轴波前像差；所述中高层大气波前校正器(6)位于中高层湍流的共轭位置，用于校正中高层湍流引起的波前像差，不同站址强湍流层高度不同，具体高度根据站址大气视宁度统计特性而定；所述光学中继系统(5)调整高低层湍流校正顺序，使中高层大气波前校正器(6)位于低层大气波前校正器(I)后面；所述波前控制器(4)综合处理低层大气波前探测器(3)和中高层大气波前探测器(8)得到波前信息，通过层析算法分离出不同层湍流信息，并控制低层大气波前校正器(I)和中高层大气波前校正器(6)对大气湍流进行多层校正；成像系统(9)位于系统末端，用于采集系统校正补偿后高分辨图像；第一分光镜(2)与第二分光镜(7)主要用于分光，其中第一分光镜(2)位于低层波前校正器之后，经过分光后一路光进入后续光学系统，另一路光进入低层大气波前探测器；第二分光镜(7)位于中高层大气波前校正器(6)之后，经过分光后一路光进入成像系统(9)，另一路进入中高层大气波前探测器(8)； 带有波前畸变的光波进入后首先经过低层大气波前校正器(I)，校正等晕区内湍流累积的波前像差，由于不同方向的光波在地表层处趋于重合，低层大气波前校正器(I)又可视为校正地表层湍流引起的波前像差，随后第一分光镜(2)将光波分为两路，其中一路进入低层大气波前探测器(3)，低层大气波前探测器(3)探测到经过低层大气波前校正器(I)校正后的波前残差信息，该信息经波前控制器(4)处理后反馈控制低层大气波前校正器(I)产生新的校正波前面型，完成低层大气波前探测与校正的闭环控制；由第一分光镜(2)分出的另一路光波首先经过光学中继系统(5)，重新构造中高层大气湍流的共轭位置，随后进入中高层大气波前校正器￠)，中高层大气波前校正器(6)位于中高层湍流的共轭位置，对中高层湍流引起的波前像差进行校正；校正后的光波再由第二分光镜(7)分为两路，其中一路进入中高层大气波前探测器(8)，中高层大气波前探测器(8)对大视场范围内不同方向的湍流引起的波前畸变进行探测，每一次探测同时获得多路离轴波前像差，波前控制器(4)综合处理低层大气波前探测器(3)和中高层大气波前探测器(8)得到波前信息，通过层析算法分离出不同层湍流信息；其中中高层湍流引起的波前像差反馈控制中高层大气波前校正器(6)产生相应的校正面型，完成中高层大气波前探测与校正的闭环控制；经过两层校正后，由第二分光镜(7)引出的另一路光进入后端的成像系统(9)，最终实现大视场范围内高分辨成像。
2.根据权利要求I所述的太阳多层共轭自适应光学系统，其特征在于所述低层大气波前探测器(3)为波前探测器，所述波前探测器包括哈特曼波前探测器、干涉仪、曲率传感器或相位差传感器。
3.根据权利要求I所述的太阳多层共轭自适应光学系统，其特征在于所述中高层大气波前探测器(8)是多个波前探测器分别探测不同方向的波前信息，也可以是单个大靶面哈特曼波前探测器，每个子孔径对应较大视场，可以在子孔径内划分子区域，每个子区域对应不同方向不同视场。
4.根据权利要求I所述的太阳多层共轭自适应光学系统，其特征在于所述低层大气波前校正器(I)、中高层大气波前校正器(6)均采用变形反射镜，所述变形反射镜包括压电式变形反射镜、PMN变形反射镜、Bimorph变形反射镜及MEMS变形反射镜。
5.根据权利要求I所述的太阳多层共轭自适应光学系统，其特征在于所述波前控制器(4)利用层析算法计算得到中高层大气湍流引起的波前像差采用平均层析算法或大气层析算法。
6.根据权利要求5所述的太阳多层共轭自适应光学系统，其特征在于所述平均层析算法实现过程如下 将大气湍流等效为地表层湍流与中高层湍流两层，分别记为O[与Oh，低层大气波前探测器(3)探测等晕区内波前信息，记为(K，考虑到大气湍流主要集中在地表层，有
7.根据权利要求5所述的太阳多层共轭自适应光学系统，其特征在于所述大气层析算法为大气湍流根据系统设计需要等效为任意多层，记为Nel层，不同方向探测到的波前信息则为
8.根据权利要求I所述的太阳多层共轭自适应光学系统，其特征在于所述的光学中继系统(5)负责对高层大气湍流进行再成像，在低层大气波前校正器(I)后面构造新的高层大气湍流的共轭位置，所述光学中继系统(5)采用反射式光学镜组或折射式光学镜组。
9.根据权利要求I所述的太阳多层共轭自适应光学系统，其特征在于所述中高层大气波前校正器(6)为单层校正，或根据系统性能需要设计为多个波前校正器对不同高度大气湍流引起的波前像差进行补偿。
全文摘要
一种太阳多层共轭自适应光学系统，由低层大气波前探测器、中高层大气波前探测器、低层大气波前校正器、中高层大气波前校正器、波前控制器、光学中继系统、成像子系统以及其他必要的光学组件组成。系统以太阳表面黑子或米粒结构为信标，同时对多个区域进行波前探测，获得大视场范围内湍流引起的波前畸变，利用层析算法计算出不同湍流层引起的波前像差，最后控制位于相应湍流层共轭位置的波前校正器对大气湍流进行分层校正，最终实现大视场范围内高分辨成像。本发明通过光学中继系统调整高低湍流层共轭位置顺序，使低层湍流先得到补偿和校正，增加探测和校正的准确度。层析算法的使用降低不同湍流层波前像差的耦合引起的误差。
文档编号G02B26/06GK102621687SQ201210101260
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月9日 优先权日2012年4月9日
发明者张兰强, 朱磊, 顾乃庭, 饶学军, 饶长辉 申请人:中国科学院光电技术研究所