[发明专利]一种用于太阳自适应光学的大视场高阶复合波前传感器

说明书

本发明提出了一种用于太阳自适应光学的大视场高阶复合波前传感器，包括像面分割器(1)、中继光路(2)、微透镜阵列(3)以及相应的探测相机(4)。像面分割器(1)将像面分割后导入不同的探测通道，每个探测通道包含中继光路(2)、微透镜阵列(3)以及探测相机(4)，对特定视场进行波前探测。其中，中心视场探测采用小视场高阶波前传感器，离轴视场采用大视场低阶波前传感器。本发明基于像面分割器对望远镜大视场像面进行切割，再使用多个离散的夏克‑哈特曼波前传感器对不同视场的波前进行探测，从而实现超大视场波前探测。本发明同时满足传统高阶自适应光学系统、大视场地表层自适应光学系统对波前探测器的不同需求。

技术领域

本发明属于自适应光学领域，主要涉及太阳自适应光学系统中的波前探测技术，尤其是针对兼顾大传统高阶太阳自适应光学系统和大视场低阶地表层自适应光学系统复合型波前探测技术，特别涉及一种用于太阳自适应光学的大视场高阶复合波前传感器。

背景技术

太阳自适应光学(AO)系统是国内外地基大口径太阳望远镜成功实现对太阳大气进行高分辨力成像观测的必要手段之一。地基太阳望远镜受到大气湍流的影响，空间分辨力通常不能超过20cm口径望远镜所能达到的分辨能力。为此，需要为其配备自适应光学系统，通过对大气湍流进行实时探测和补偿，充分发挥大口径太阳望远镜的成像能力，使之达到或接近衍射极限的观测性能。自适应光学系统分别是受到大气非等晕性限制，其校正视场十分有限，在可见光波段只有角秒量级，并不能满足太阳物理对角分量级太阳活动区的高分辨力成像观测需求。各种大视场自适应光学技术的提出，尤其是地表层自适应光学(GLAO)，很好的解决了这一矛盾。

地表层自适应光学沿用分层探测和校正的概念，校正占据大气湍流主要成分的地表层湍流。GLAO校正虽然达不到衍射极限，却能在大视场范围内提升系统成像质量，对于太阳活动区的大视场监视，具有重要的意义。由于不同视线的光线在经过大气层时，在地表层经过相同的区域，而在高层则相互分离，因此可以先探测多个视线方向累计的波前误差，再基于平均算法，就能把地表层湍流提取出来。当前主流观点认为，GLAO技术将在太阳观测中发挥重要作用。若能将传统自适应光学和GLAO相结合，实现对太阳活动区进行大视场监视、小视场衍射极限成像。将有重要的应用价值。由于GLAO和传统AO都采用单块波前校正器，两者可以共用，不同的地方在于波前传感器。

对于太阳自适应光学系统而言，波前探测需要采用基于互相关算法的相关夏克-哈特曼波前传感器。与夜天文自适应光学系统中对点源目标探测不同，相关夏克-哈特曼波前传感器每个子孔径需要对应一定的探测视场，这样，有一定扩展度的图像进行相关运算，才能提取不同子孔径的波前像差，对于太阳大视场自适应光学技术而言，可以通过增加波前传感器的探测视场，来实现大视场多视线波前探测(D.Soltau,T.Berkefeld,el alAstron.Nachr./AN323 3/4,236–240,2002)。然而，这种波前传感器面临子孔径数和探测视场的矛盾。为了保持相关算法的准确性，波前传感器需要维持一定的像素分辨率，在此前提下，特定探测视场的波前传感器，每个子孔径对应的相机靶面是一定的，子孔径数越多，探测视场越大，需要的探测相机靶面也就越大。但是受限于探测器技术本身，并且考虑到自适应光学系统对探测上千赫兹的时间帧频要求。两者之间必须做个取舍。通常而言，大视场波前传感器对应子孔径很少，不能进行高阶波前探测。并且，由于大视场夏克-哈特曼波前传感器子孔径数与变形镜的校正驱动器个数不匹配，为了测量控制系统传递函数，还需额外辅助一个与变形镜驱动器数相匹配的波前传感器。针对当前COMS相机的技术水平，这种大视场波前传感器仅能满足米级口径望远镜在角分量级视场的探测需求。对于更大口径望远镜或者更大视场(5～10角分量级)GLAO系统波前探测，只能通过切分焦面，配备多个独立的波前传感器来实现多视线波前探测。如美国四米太阳望远镜DKIST上大视场MCAO系统，就是通过切分焦面实现9个视线方向的波前探测(D.Schmidt,J.Marino,et al,SPIE Vol.107032018)。这种探测模式探测视场与系统成本和硬件复杂度同步增加。对于GLAO探测模式，探测的视场越多，平均算法得到的地表层湍流就越准确。DKIST望远镜的波前传感器并不是个理想的选择。