自適應(yīng)光學(xué)波前校正試驗(yàn)指導(dǎo)書

1、自適應(yīng)光學(xué)波前校正實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書實(shí)驗(yàn)任務(wù)通過實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的基本原理、構(gòu)成、型式及應(yīng)用領(lǐng)域。掌握哈 特曼-夏克波前傳感器的工作原理和使用方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)波前相位的測(cè)量。掌握薄 膜變形鏡的工作原理和控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)初始誤差的校正。實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私庾赃m應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的基本組成和工作原理。掌握哈特曼-夏克波前傳感器的工作原理和使用方法。掌握變形鏡的工作原理和控制方法。實(shí)驗(yàn)要求運(yùn)用哈特曼-夏克波前傳感器對(duì)變形鏡各個(gè)致動(dòng)器的影響函數(shù)進(jìn)行測(cè)量并記 錄測(cè)量結(jié)果。運(yùn)用哈特曼-夏克波前傳感器測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)初始誤差。根據(jù)測(cè)量的變形鏡影響函數(shù)和光學(xué)系統(tǒng)初始誤差計(jì)算出變形鏡補(bǔ)償該初始 誤差所需的電壓，然后控制變形鏡對(duì)誤

2、差進(jìn)行補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)設(shè)備光纖耦合激光光源(635nm)，37單元薄膜變形鏡，變形鏡控制箱，哈特曼- 夏克波前傳感器，成像探測(cè)器，控制計(jì)算機(jī)。準(zhǔn)直透鏡，分光棱鏡，成像透鏡， 光闌，縮束系統(tǒng)，反射鏡等。實(shí)驗(yàn)提示自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)原理及應(yīng)用高分辨率成像是人類長(zhǎng)期追求的目標(biāo)，但傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)無法解決動(dòng)態(tài)波前擾 動(dòng)對(duì)像質(zhì)的影響問題。影響光學(xué)系統(tǒng)波前質(zhì)量的誤差源按時(shí)間頻率可以分為低頻 和高頻兩大類。屬低頻誤差的有：系統(tǒng)內(nèi)部誤差，溫度、重力變形及機(jī)械變形， 加工與裝配誤差等，這些誤差的頻帶通常低于0.1Hz。屬高頻誤差的有：外界空 氣熱影響，來自陣風(fēng)的反射鏡變形，跟蹤誤差，大氣湍流及激光經(jīng)大氣時(shí)的熱暈 等，其帶寬的范

3、圍由1Hz至1000Hz。如何克服以上動(dòng)態(tài)波前誤差的影響是光學(xué) 工作者不懈研究的課題。1953年，天文學(xué)家Babcock提出實(shí)時(shí)校正光束的動(dòng)態(tài)畸變的概念和工作原 理。其核心是在光學(xué)系統(tǒng)中引入一個(gè)表面形狀可變的光學(xué)元件(波前校正器)和 一個(gè)波前誤差傳感器，用波前傳感器測(cè)量出不斷變化的波前誤差，根據(jù)測(cè)量結(jié)果 由控制系統(tǒng)控制波前校正器對(duì)波前誤差進(jìn)行校正。如果這一過程足夠快，就可以 用不斷變化的波前校正量來校正不斷變化的動(dòng)態(tài)波前誤差，這就是自適應(yīng)光學(xué)的 基本思想。過去通常稱誤差補(bǔ)償帶寬小于0.1Hz的系統(tǒng)為主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)，而補(bǔ)償 高頻誤差的系統(tǒng)為自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。但是這兩類系統(tǒng)在理論和技術(shù)上是基本相同 的

4、，所以目前大部分學(xué)者已經(jīng)把這兩者合為自適應(yīng)光學(xué)范疇進(jìn)行討論。一個(gè)典型的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示。由光源（例如一顆恒星）發(fā)出的 光波經(jīng)過長(zhǎng)距離傳播后可近似為理想平面波，受擾動(dòng)介質(zhì)（如大氣湍流）的影響， 理想平面波變?yōu)殡S時(shí)間和空間都不斷變化的畸變波前，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)利用波前 傳感器（如哈特曼-夏克波前傳感器）探測(cè)波前相位信息，然后波前控制器在極 短的時(shí)間內(nèi)分析由波前傳感器采集的數(shù)據(jù)并計(jì)算出波前校正器（如變形鏡）補(bǔ)償 該波前畸變所需的校正電壓，隨后通過驅(qū)動(dòng)波前校正器對(duì)畸變波前進(jìn)行補(bǔ)償修 正，從而重新獲得理想的平面波前，最終在成像系統(tǒng)的焦面上得到一個(gè)清晰的像。 光源圖1自適應(yīng)光系統(tǒng)原理圖自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)

5、的原理并不復(fù)雜，但要付諸實(shí)施卻不容易，這是由動(dòng)態(tài)波前 誤差的特性決定的。動(dòng)態(tài)波前誤差是一個(gè)空間一時(shí)間變量，其時(shí)間一空間特性決 定了對(duì)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的高要求，即波前探測(cè)器和波前校正器的基本單元的尺度 要與波前誤差的空間尺度相匹配，控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間要小于波前誤差變化的時(shí) 間尺度，而控制的精度要達(dá)到波長(zhǎng)的十分之一左右。由于要求控制回路多、速度 快、精度高，決定了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性和高難度。自適應(yīng)光學(xué)發(fā)展的早期主要致力于發(fā)展專用元器件，如各種波前校正器和波 前傳感器等，同時(shí)也進(jìn)行了一些理論算法的研究和系統(tǒng)預(yù)研。到上世紀(jì)七、八十 年代，隨著光電技術(shù)及電子計(jì)算機(jī)等諸多高新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，自適應(yīng)光學(xué)

6、才 開始進(jìn)入實(shí)用研究階段。九十年代以后，自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)開始大量應(yīng)用在天文和 軍事領(lǐng)域，使得光學(xué)觀測(cè)能力達(dá)到接近衍射極限的水平。同時(shí)，隨著自適應(yīng)光學(xué) 的發(fā)展和理論的完善，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)還被應(yīng)用于激光、通訊、遙感、醫(yī)療等多 個(gè)領(lǐng)域中。發(fā)展自適應(yīng)光學(xué)的原動(dòng)力主要來自天文觀測(cè)和軍事上的需要。1982年世界 上第一臺(tái)實(shí)用化的天文觀測(cè)自適應(yīng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡被安裝在美國(guó)夏威夷的 Maui島 上，用于美國(guó)空軍探測(cè)基地進(jìn)行空間觀測(cè)。該系統(tǒng)工作于可見光波段，探測(cè)靈敏 度達(dá)到7等星。1987-1990年，歐洲南方天文臺(tái)（ESO）在法國(guó)空間研究院和 Laserdot公司的協(xié)助下，開展了被稱為COME-ON的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的

7、研制工作。 該系統(tǒng)采用雙波長(zhǎng)工作，利用哈特曼-夏克傳感器在可見光區(qū)域測(cè)量波前誤差， 在近紅外波段校正波前誤差和進(jìn)行紅外觀測(cè)；系統(tǒng)采用19單元變形鏡，帶寬為 9Hz。這一系統(tǒng)相繼于1989年在法國(guó)浩特（Haute）省天文臺(tái)的1.5m望遠(yuǎn)鏡上和 1990年在智利拉一西拉（La-Sila）的ESO3.6m望遠(yuǎn)鏡上試驗(yàn)成功。這是自適應(yīng) 光學(xué)系統(tǒng)首次在天文觀測(cè)上得到應(yīng)用，被認(rèn)為是天文觀測(cè)技術(shù)發(fā)展的里程碑。目 前世界上多數(shù)大型地基天文望遠(yuǎn)鏡都已經(jīng)采納或計(jì)劃安裝自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)來改 善像質(zhì)。軍事應(yīng)用方面，1991年美國(guó)用LACE衛(wèi)星試驗(yàn)SWAT計(jì)劃成功，達(dá)到60cm 口徑接近衍射極限分辨率的水平，并成功同時(shí)運(yùn)

8、用了合作信標(biāo)和激光瑞利導(dǎo)星信 標(biāo)兩種工作方式。美國(guó)的KH-12系列偵察衛(wèi)星采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了 0.1m 的超高分辨率。2001年美國(guó)在“白沙”靶場(chǎng)成功將萬瓦級(jí)車載固體戰(zhàn)術(shù)激光武 器系統(tǒng)用于導(dǎo)彈攔截試驗(yàn)，并用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)大氣引起的波前畸變進(jìn)行了補(bǔ) 償。我國(guó)對(duì)自適應(yīng)光學(xué)的研究起步于1979年，主要研究單位有中科院成都光電 技術(shù)研究所、北京理工大學(xué)、中科院安徽光機(jī)所、南京紫金山天文臺(tái)等。以成都 光電技術(shù)研究所為代表，目前已獨(dú)立自主地成功研制了多套自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，取 得了令人矚目的成就，研究水平處于世界先進(jìn)地位。中科院成都光電技術(shù)研究所 在1985年建立了國(guó)際上第一套用于激光核聚變裝置的校正

9、激光波前誤差的自適 應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)；1990年研制的21單元自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)與云南天文臺(tái)1.2米望遠(yuǎn)鏡 對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了對(duì)星體觀測(cè)的全程大氣湍流校正，獲得了分辨雙星的清晰照片，使 我國(guó)成為繼美國(guó)和德國(guó)之后第三個(gè)實(shí)現(xiàn)大氣湍流校正的國(guó)家；1997年將自適應(yīng) 光學(xué)系統(tǒng)和精密跟蹤系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)0.1”0.15”的跟蹤精度； 1998年12月紅外自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)在北京天文臺(tái)2.16米望遠(yuǎn)鏡上成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn) 了紅外波段大氣湍流校正；2000年研制了視網(wǎng)膜高分辨率觀測(cè)用的自適應(yīng)光學(xué) 系統(tǒng)，在世界上第二個(gè)獲得活體人眼視覺細(xì)胞實(shí)時(shí)成像。2002年成都光電所與 南京大學(xué)合作，研制了國(guó)內(nèi)首套太陽(yáng)觀測(cè)傾斜校正自適應(yīng)

10、光學(xué)系統(tǒng)，使我國(guó)成為 國(guó)際上少數(shù)幾個(gè)擁有自適應(yīng)光學(xué)太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡的國(guó)家之一。北京理工大學(xué)于1996 年出版了國(guó)內(nèi)第一部自適應(yīng)光學(xué)專著；2000年研制成功微小型自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)， 可用于改善空間光學(xué)遙感器光學(xué)像質(zhì)及用于校正畸變激光束波面，該成果入選我 國(guó)高科技發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）十五周年成果展。我國(guó)于1997年開始實(shí)施 LAMOST望遠(yuǎn)鏡（大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜望遠(yuǎn)鏡）計(jì)劃，該望遠(yuǎn)鏡采用自 適應(yīng)光學(xué)技術(shù)控制主鏡分塊鏡面的拼接和非球面面形的校正。2008年10月， LAMOST望遠(yuǎn)鏡正式竣工，成為世界上光譜獲取率最高的望遠(yuǎn)鏡。傳統(tǒng)的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)比較復(fù)雜，成本也很高昂，因此只能在一些大型的光 學(xué)系統(tǒng)

11、中應(yīng)用，難以普及。目前自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)正在向微型化、集成化和民用領(lǐng) 域發(fā)展。一方面自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)正在被簡(jiǎn)化，如采用無波前傳感器的校正系統(tǒng)。 另一方面，性能好且造價(jià)低廉的新型波前校正器也開始進(jìn)入實(shí)用階段。2008年， 美國(guó)研制完成4096單元連續(xù)表面MEMS變形鏡，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)4m帶寬達(dá) 2.5KHz。MEMS變形鏡具有低成本、低功耗、體積小、校正單元多的特點(diǎn)，為 自適應(yīng)光學(xué)開辟了新的應(yīng)用方向。哈特曼-夏克波前傳感器原理及變形鏡影響函數(shù)測(cè)量哈特曼-夏克（H-S）傳感器由微透鏡陣列和探測(cè)器組成，每個(gè)微透鏡對(duì)應(yīng)探 測(cè)器上的一個(gè)子探測(cè)區(qū)。當(dāng)以參考波前（近似平面波）入射到微透鏡陣列時(shí)，在 探測(cè)上形成近似等

12、間距排列的光斑陣列，此時(shí)記下光斑質(zhì)心位置作為參考。當(dāng)以畸變波前入射時(shí)，每個(gè)子透鏡對(duì)應(yīng)的光斑質(zhì)心位置相對(duì)參考光斑可能產(chǎn)生X和Y 兩個(gè)方向的移動(dòng)，移動(dòng)量即對(duì)應(yīng)于畸變波前在子孔徑內(nèi)的平均斜率。在獲得畸變 波前在子孔徑內(nèi)的平均斜率后，通過波前重構(gòu)算法（模式法或區(qū)域法）即可獲得 波前相位。圖2哈特曼-夏克波前傳感器原理圖本實(shí)驗(yàn)采用的Imagine-Optics公司的哈特曼-夏克波前傳感器微透鏡陣列數(shù) 為76*100，測(cè)量精度可達(dá)A/1Q0在利用變形反射鏡產(chǎn)生所需的波前之前，需要首先利用哈特曼夏克波前傳 感器對(duì)變形反射鏡的影響函數(shù)進(jìn)行測(cè)試。影響函數(shù)即變形鏡的某個(gè)致動(dòng)器施加單 位電壓時(shí)的形變。依次給變形鏡的

13、每個(gè)致動(dòng)器加電壓并利用哈特曼-夏克波前傳 感器測(cè)量影響函數(shù)，最后可以得到影響函數(shù)矩陣。薄膜變形鏡工作原理和控制方法薄膜變形鏡（圖4）是利用分布式電極對(duì)薄膜的靜電吸引作用來實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜 面形的控制，具有體積小、重量輕、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，工作頻率可達(dá)500Hz以上。 由于電極與薄膜間僅有引力，沒有斥力，薄膜變形鏡工作時(shí)的零位，應(yīng)為最大形 變量一半處的離焦面。另外，薄膜變形鏡的面形與電壓間為“平方線性疊加關(guān)系”， 即，單電極產(chǎn)生的形變量與電壓平方成正比，多電極產(chǎn)生的形變量等于各電極單 獨(dú)作用時(shí)所產(chǎn)生形變量之和。圖 4 薄膜變形鏡圖5 OKO公司37單元薄膜變形鏡本實(shí)驗(yàn)所用的37單元薄膜變形鏡如圖5所示。3

14、7單元變形鏡的控制電壓由 PCI接口的24路8位數(shù)模轉(zhuǎn)換卡產(chǎn)生，經(jīng)放大倍數(shù)為58倍的高壓放大器放大后 輸出到變形鏡。假設(shè)變形鏡有N個(gè)致動(dòng)器，第n個(gè)致動(dòng)器施加單位電壓所產(chǎn)生面形為Yn (x,y),稱為該致動(dòng)器的影響函數(shù)。變形鏡面形W(x,y)與致動(dòng)器電壓Vn間關(guān) 系可表示為：w3,J)二丈 vy3,J)(1)n=0假如變形鏡面形的采樣點(diǎn)數(shù)為M個(gè)，采樣點(diǎn)坐標(biāo)為(xm,ym), m=1M, M 個(gè)點(diǎn)處的高度值為y(xm,ym)，則可以列出變形鏡面形方程組如下： w (x , j )=叮(x , j ) + 3 (x , j ) + + v j (x , j )1 1 11112 2 11N N 1

15、1 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark32 o Current Document w(x , j ) = v j (x , j ) + v j (x , j ) + + v j (x , j )/c、2 21 1 2 22222 N N 2 2(2): w (x , j ) = v j (x , j ) + v j (x , j ) + + v j (x , j )v M M 1 1 M M 2 2 M MN N M M該式可簡(jiǎn)寫為：W=YV(3)式中，W為變形鏡面形的一維矩陣表達(dá)，V為電壓矩陣，Y為影響函數(shù)矩陣。變形反射鏡面形取決于各致動(dòng)器所施加的電壓，因此

16、，變形反射鏡控制問題 的核心，是根據(jù)所需面形求取各致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電壓。用廣義逆矩陣的方法求解線性 方程組即可得到變形鏡的控制電壓：V=Y+W(4)式中，V為求得的控制電壓向量，W為希望產(chǎn)生的面形，Y+為影響函數(shù)矩陣Y 的廣義逆矩陣，也即控制矩陣。利用變形鏡校正光學(xué)系統(tǒng)初始誤差自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)搭建完成后，由于光學(xué)元件存在像差，特別是變形鏡的初始 面形誤差可能較大，因此需要用變形鏡對(duì)系統(tǒng)的初始誤差進(jìn)行校正。本實(shí)驗(yàn)采用 的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)光路如圖6所示。點(diǎn)目標(biāo)發(fā)出的光被準(zhǔn)直透鏡L1準(zhǔn)直后形成 平行光束入射到變形鏡，變形鏡的發(fā)射光波一路經(jīng)縮束系統(tǒng)后進(jìn)入哈特曼-夏克 波前傳感器，一路經(jīng)成像透鏡后聚焦于CCD相機(jī)靶面。圖6自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)光路實(shí)驗(yàn)步驟：（1）用哈特曼-夏克波前傳感器測(cè)量變形鏡各個(gè)致動(dòng)器的影響函數(shù)，計(jì)算出影 響函數(shù)矩陣和控制矩陣。（2）用哈特曼-夏克波前傳感器測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)的波前誤差并將