基于复合型夏克哈特曼波前传感器的太阳自适应光学系统.pdf

本发明公开了一种基于复合型夏克-哈特曼波前传感器的太阳自适应光学系统，该系统由倾斜镜、变形镜、精跟踪波前传感器、复合型夏克-哈特曼波前传感器以及波前控制器组成。所述的复合型夏克-哈特曼波前传感器拥有两套微透镜阵列，可以根据不同强度的大气湍流和不同的探测信标，选择相应子孔径数的微透镜阵列进行波前探测与校正；当大气湍流较弱时，使用太阳米粒组织作为探测信标，选择子孔径较少的微透镜阵列像进行波前探测，当大气湍流较强时，使用太阳黑子作为探测信标，此时选择子孔径数较多的微透镜阵列像进行波前探测。本发明在没有增加硬件复杂度的情况下，提高太阳自适应光学系统性能，扩展系统的应用范围。

1.  一种基于复合型夏克-哈特曼波前传感器的太阳自适应光学系统，其特征在于：包括准直镜(1)、第一反射镜(2)、倾斜波前校正器(3)、高阶波前校正器(4)、光学匹配镜(5)、分光镜(6)、复合型夏克-哈特曼波前传感器(7)、第二反射镜(8)、精跟踪波前传感器(9)以及波前控制器(10)；准直镜(1)将望远镜过来的光准直成合适的口径，并保证高阶波前校正器(4)位于瞳面的共轭位置；准直后的光经第一反射镜(2)反射至倾斜波前校正器(3)和高阶波前校正器(4)后，由光学匹配镜(5)缩束成符合后端光学系统要求的口径；缩束后的光束经分光镜(6)分为两束，其中一束直接进入复合型夏克-哈特曼波前传感器(7)，另一束经第二反射镜(8)进入精跟踪波前传感器(9)；波前控制器(10)对精跟踪波前传感器(9)和复合型夏克-哈特曼波前传感器(7)获得的波前信息进行处理，并控制倾斜波前校正器(3)和高阶波前校正器(4)对大气湍流引起的波前像差进行实时校正。

2.  根据权利要求1所述的基于复合型夏克-哈特曼波前传感器的太阳自适应光学系统，其特征在于：所述的复合型夏克-哈特曼波前传感器(7)包含第一匹配系统(11)、分光镜(12)、第一光调节器(13)、第二光调节器(14)、第一微透镜阵列(15)、第二微透镜阵列(16)、第二匹配系统(17)、第三匹配系统(18)、第三反射镜(19)、第四反射镜(20)、反射棱镜(21)和探测相机(22)；入射光经过第一匹配系统(11)后，由分光镜(12)分为两束，其中一束进入第一光调节器(13)和第一微透镜阵列(15)，经第二匹配系统(17)、第三反射镜(19)和反射镜棱镜(21)成像在探测相机(22)上，另一束光进入第二光调节器(14)和第二微透镜阵列(16)，经第三匹配系统(18)、第四反射镜(20)和反射镜棱镜(21)成像在CCD探测相机(22)上。

3.  根据权利要求2所述的基于复合型夏克-哈特曼波前传感器的太阳自适应光学系统，其特征在于：第一匹配系统(11)是透射或者反射式，用于匹配入射光和哈特曼微透镜的口径，并确保哈特曼微透镜阵列位于望远镜系统的瞳面共轭位置。

4.  根据权利要求2所述的基于复合型夏克-哈特曼波前传感器的太阳自适应光学系统，其特征在于：分光镜(12)为比例分光镜或者二色分光镜，用于将入射光分为两束。

5.  根据权利要求2所述的基于复合型夏克-哈特曼波前传感器的太阳自适应光学系统，其特征在于：第一光调节器(13)、第二光调节器(14)为衰减片或滤光片，或者是衰减片加滤光片，用于调节后续波前探测中使用的光的波长和能量。

6.  根据权利要求2所述的基于复合型夏克-哈特曼波前传感器的太阳自适应光学系统， 其特征在于：第一微透镜阵列(15)和第二微透镜阵列(16)具有不同的子孔径数，对探测波前具有不同的空间采样率；当大气湍流较弱时，使用太阳米粒组织作为探测信标，选择子孔径较少的微透镜阵列像进行波前探测，当大气湍流较强时，使用太阳黑子作为探测信标，此时选择子孔径数较多的微透镜阵列像进行波前探测。

7.  根据权利要求2所述的基于复合型夏克-哈特曼波前传感器的太阳自适应光学系统，其特征在于：第二匹配系统(17)和第三匹配系统(18)是透射式或者反射式，用于将经微透镜汇聚后的光成像在同一个探测相机(22)的不同的靶面位置，并根据设计要求，满足像素空间采用率。

基于复合型夏克-哈特曼波前传感器的太阳自适应光学系统
技术领域
本发明涉及一种太阳自适应光学系统，特别是一种基于复合型夏克-哈特曼波前传感器的太阳自适应光学系统。
背景技术
太阳大气高分辨力成像观测是开展太阳物理研究的重要组成部分，太阳自适应光学系统已成为地基大口径太阳望远镜的标配装置。与夜天文自适应光学系统不同，太阳自适应光学系统需要利用相关夏克-哈特曼波前传感器对太阳表面的低对比度扩展目标进行波前探测，如太阳活动区的黑子和宁静区的米粒组织等，尤其是米粒组织，覆盖整个太阳宁静区表面。
太阳自适应光学系统的波前探测精度受到大气湍流和相关夏克-哈特曼波前传感器的空间采样率两个方面的影响，波前传感器的空间采样率越高，每个子孔径对应空间尺度越小，受到子孔径划分后对应区域衍射极限的限制，太阳表面米粒结构的对比度将会更低，从而降低相关哈特曼波前传感器的探测精度。一般情况下，在使用太阳米粒组织作为信标进行波前探测时，夏克-哈特曼波前传感器的子孔径对应大气湍流空间尺度要求大于8厘米(Thomas R.Rimmele and Jose Marino,solar adaptive optics,Living Rev.Solar Phys.,8,(2011),2)，这就限制了传统太阳自适应光学系统的空间校正能力。当使用太阳活动区的黑子作为探测信标时，由于黑子对比度较高，一般不受上述限制。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：针对太阳观测中自适应光学系统空间采样率受限的问题，提出一种基于复合型夏克-哈特曼波前传感器的太阳自适应光学系统。该系统引入具有两种不同子孔径数的复合型夏克-哈特曼波前传感器，针对不同探测目标和大气湍流强度，提供两种不同的空间采样率的波前探测结果，用于系统闭环；当大气湍流较弱时，使用太阳米粒组织作为探测信标，选择子孔径较少的微透镜阵列像进行波前探测，当大气湍流较强时，使用太阳黑子作为探测信标，此时选择子孔径数较多的微透镜阵列像进行波前探测。在没有增加硬件复杂度的情况下，提高太阳自适应光学系统性能，扩展系统的应用范围。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：基于复合型夏克-哈特曼波前传感器的太 阳自适应光学系统，包括准直镜1、第一反射镜2、倾斜波前校正器3、高阶波前校正器4、光学匹配镜5、分光镜6、复合型夏克-哈特曼波前传感器7、第二反射镜8、精跟踪波前传感器9以及波前控制器10。准直镜1将望远镜过来的光准直成合适的口径，并保证高阶波前校正器4位于瞳面的共轭位置；准直后的光经第一反射镜2反射至倾斜波前校正器3和高阶波前校正器4后，由光学匹配镜5缩束成符合后端光学系统要求的口径；缩束后的光束经分光镜6分为两束，其中一束直接进入复合型夏克-哈特曼波前传感器7，另一束经第二反射镜8进入精跟踪波前传感器9。波前控制器10对精跟踪波前传感器9和复合型夏克-哈特曼波前传感器7获得的波前信息进行处理，并控制倾斜波前校正器3和高阶波前校正器4对大气湍流引起的波前像差进行实时校正。
所述的复合型夏克-哈特曼波前传感器7包含第一匹配系统11、分光镜12、第一光调节器13、第二光调节器14、第一微透镜阵列15、第二微透镜阵列16、第二匹配系统17、第三匹配系统18、第三反射镜19、第四反射镜20、反射棱镜21和探测相机22；入射光经过第一匹配系统11后，由分光镜12分为两束，其中一束进入第一光调节器13和第一微透镜阵列15，经第二匹配系统17、第三反射镜19和反射镜棱镜21成像在探测相机22上，另一束光进入第二光调节器14和第二微透镜阵列16，经第三匹配系统18、第四反射镜20和反射镜棱镜21成像在CCD探测相机22上。
进一步的，第一匹配系统11是透射或者反射式，用于匹配入射光和哈特曼微透镜的口径，并确保哈特曼微透镜阵列位于望远镜系统的瞳面共轭位置。
进一步的，分光镜12为比例分光镜或者二色分光镜，用于将入射光分为两束。
进一步的，第一光调节器13、第二光调节器14为衰减片或滤光片，或者是衰减片加滤光片，用于调节后续波前探测中使用的光的波长和能量。
进一步的，第一微透镜阵列15和第二微透镜阵列16具有不同的子孔径数，对探测波前具有不同的空间采样率；当大气湍流较弱时，使用太阳米粒组织作为探测信标，选择子孔径较少的微透镜阵列像进行波前探测，当大气湍流较强时，使用太阳黑子作为探测信标，此时选择子孔径数较多的微透镜阵列像进行波前探测。
进一步的，第二匹配系统17和第三匹配系统18是透射式或者反射式，用于将经微透镜汇聚后的光成像在同一个探测相机22的不同的靶面位置，并根据设计要求，满足像素空间采用率。
本发明与现有技术相比有如下优点：
本发明在太阳自适应光学系统中引入复合型夏克-哈特曼波前传感器，针对不同的大气湍流强度和探测目标(黑子或者米粒)，提供不同空间采样率的波前探测结果用于闭环校正， 在没有明显增加系统硬件复杂度的情况下，拓展了太阳自适应光学系统的适用范围。
附图说明
图1为本发明基于复合型夏克-哈特曼波前传感器的太阳自适应光学系统框图；
图2为本发明中复合型夏克-哈特曼波前传感器示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明包括准直镜1、第一反射镜2、倾斜波前校正器3、高阶波前校正器4、光学匹配镜5、分光镜6、复合型夏克-哈特曼波前传感器7、第二反射镜8、精跟踪波前传感器9以及波前控制器10。准直镜1将望远镜过来的光准直成合适的口径，并保证高阶波前校正器4位于瞳面的共轭位置；准直后的光经第一反射镜2反射至倾斜波前校正器3和高阶波前校正器4后，由光学匹配镜5缩束成符合后端光学系统要求的口径；缩束后的光束经分光镜6分为两束，其中一束直接进入复合型夏克-哈特曼波前传感器7，另一束经第二反射镜8进入精跟踪波前传感器9。波前控制器10对精跟踪波前传感器9和复合型夏克-哈特曼波前传感器7获得的波前信息进行处理，并控制倾斜波前校正器3和高阶波前校正器4对大气湍流引起的波前像差进行实时校正。
如图2所示，所述的复合型夏克-哈特曼波前传感器7包含第一匹配系统11、分光镜12、第一光调节器13、第二光调节器14、第一微透镜阵列15、第二微透镜阵列16、第二匹配系统17、第三匹配系统18、第三反射镜19、第四反射镜20、反射棱镜21和探测相机22；入射光经过第一匹配系统11后，由分光镜12分为两束，其中一束进入第一光调节器13和第一微透镜阵列15，经第二匹配系统17、第三反射镜19和反射镜棱镜21成像在探测相机22上，另一束光进入第二光调节器14和第二微透镜阵列16，经第三匹配系统18、第四反射镜20和反射镜棱镜21成像在CCD探测相机22上。
所述的第一匹配系统11可以是透射或者反射式，主要用于匹配入射光和哈特曼微透镜的口径，并确保哈特曼微透镜阵列位于望远镜系统的瞳面共轭位置。
所述的分光镜12为比例分光镜或者二色分光镜，主要用于将入射光分为两束。
所述的第一光调节器13和第二光调节器14为衰减片或滤光片，或者是衰减片加滤光片，主要用于调节后续波前探测中使用的光的波长和能量；
所述的第一微透镜阵列15和第二微透镜阵列16具有不同的子孔径数，对探测波前具有不同的空间采样率。当大气湍流较弱时，使用太阳米粒组织作为探测信标，选择子孔径较少 的微透镜阵列像进行波前探测，当大气湍流较强时，使用太阳黑子作为探测信标，此时选择子孔径数较多的微透镜阵列像进行波前探测。
所述的第二匹配系统17和第三匹配系统18可以是透射式或者反射式，主要用于将经微透镜汇聚后的光成像在同一个探测相机22的不同的靶面位置，并根据设计要求，满足像素空间采用率。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。