CN102981269B - 一种基于太阳自适应光学系统的大视场扫描成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于太阳自适应光学系统的大视场扫描成像装置，包括：准直器（1）、波前校正器DM（2）、光学中继器（3）、扫描反射镜（4）、分光镜（5）、波前探测器（6）、成像系统（7）、波前控制器（8）和数据处理计算机（9）组成。本发明通过在传统自适应光学系统中创造一个共轭于地面层的出瞳位置，并在该位置增加一个扫描反射镜。通过对扫描反射镜两个维度角度的控制，实现对大视场目标的有效分割和分别校正；最终通过数据融合的办法，实现太阳自适应光学系统对大视场活动区的校正能力。本发明没有明显增加太阳自适应光学系统复杂性，扩展了太阳自适应光学系统的校正能力。

Description

一种基于太阳自适应光学系统的大视场扫描成像装置

技术领域

本发明涉及一种对大视场观测目标进行自适应光学校正后的扫描成像装置，特别是基于太阳自适应光学系统的大视场扫描成像装置。

背景技术

太阳自适应光学系统是目前国内外绝大多数太阳望远镜，尤其是大口径太阳望远镜成功实现对太阳表面活动区观测的必要手段之一。大气湍流，尤其是地表层的大气湍流会严重影响太阳望远镜的成像质量，降低对太阳表面观测的分辨能力。为了能够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观测性能，需要为其配备相应的自适应光学系统。配备了太阳自适应光学系统的太阳望远镜，不仅能在良好视宁度条件下对太阳表面进行接近衍射极限的高分辨力成像，即使在中等视宁度条件下，也能够获得较好、甚至接近衍射极限的高分辨力观测，从而满足对太阳活动区长时间、高精度观测需求。

然而，由于受等晕区限制，太阳自适应光学系统波前探测和校正视场仅有10角秒甚至更小，这仅相当于太阳活动区典型大小的很小一部分。随着太阳物理的发展以及人类对日地空间环境监测的需求提高，对整个太阳活动区进行高分辨力成像监测对推动太阳物理学的进步以及日地空间环境监测具有重要意义。然而，太阳活动区视场一般较大，达到1角分至5角分，传统太阳自适应光学系统将无法实现对整个太阳活动区的有效校正以及高分辨力成像观测。为了突破等晕区限制，1988年美国人J.Beckers首次提出采用多层共轭自适应光学技术（MCAO,Multi-ConjugateAdaptive Optics）扩展自适应光学对大视场目标的波前校正能力（J.M.Beckers,Increasing the size of the isoplanatic patch with multi-conjugate adaptive optics,1988），这一技术在夜天文自适应光学领域成功应用后，于2003年首次成功应用于太阳望远镜中，并获得较大视场的自适应光学校正后的太阳表面成像结果（Berkefeld等人，Multi-conjugate solar adaptive optics with the VTT and GREGOR,2003），并在随后的几年中在DST等太阳望远镜上应用。MCAO技术成功突破了传统自适应光学技术对大视场自适应光学的校正能力限制，实现对太阳较大局部区域表面的高分辨力成像，为太阳活动区高分辨力成像提供了可能。当然，MCAO技术相对传统自适应光学技术而言，其光学结构庞大，数据处理过程复杂，控制难度较大，且代价昂贵，为此，在要求相对较低的空间环境监测和实时性要求不高的高分辨力观测领域，其造价和复杂性将不能满足系统的需求。

本发明基于以上背景，提出一种基于太阳自适应光学系统的大视场扫描成像装置，通过在传统自适应光学系统中创造一个共轭于地面层的出瞳位置，并在该位置增加一个扫描反射镜。通过对扫描反射镜两个维度角度的控制，实现对大视场目标的有效分割和分别校正；最终通过数据融合的办法，实现太阳自适应光学系统对大视场活动区的校正能力。本发明在没有明显增加太阳自适应光学系统复杂性条件下，提出大视场扫描校正装置，扩展了太阳自适应光学系统的校正能力，创新性和实用性明显。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对传统太阳自适应光学系统受到等晕区限制，其波前探测和校正视场较小，无法实现对太阳望远镜全视场范围进行自适应光学波前校正并进而获得对太阳表面局部区域的大视场高分辨力成像结果这一问题，提出一种相应的解决办法，试图突破等晕区对传统太阳自适应光学波前校正能力的限制。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种基于太阳自适应光学系统的大视场扫描成像装置，该装置包括准直器、波前校正器DM、光学中继器、扫描反射镜、分光镜、波前探测器、成像系统、波前控制器和数据处理计算机；其中：

具有大视场观测能力的太阳望远镜对太阳表面局部区域进行成像后，被放置在太阳望远镜像面位置后一定距离处的准直器准直成一定口径的平行光束，对应地表层共轭位置为出瞳位置A，在出瞳位置A处安装一个波前校正器DM用于校正太阳光经过地表层后引起的波前畸变，经波前校正器DM反射后的太阳光束进行光学中继器中，其作用是将出瞳位置A按照一定的口径比例进行光学中继，并形成与出瞳位置A相共轭的位置，即出瞳位置B，扫描反射镜被安装在共轭位置B处，其反射光束被分光镜分为反射光和透射光，并分别进入波前探测器和成像系统中，波前探测器将通过内置视场光阑将波前探测视场限制在较小范围内，并将波前测量结果通过波前控制器处理后控制波前校正器校正限定视场内的波前像差；待自适应光学系统完成对初始θ₀视场范围内波前畸变的校正后，成像系统完成对特定区域校正后的清晰图像采集；此时，通过控制扫描反射镜的调整机构，使之反射面产生一定角度△θ_x，y，从而实现自适应光学系统中心视场对应太阳局部区域的改变，通过再次对本次中心视场波前畸变进行自适应光学校正，并获得对应区域自适应光学校正后的清晰图像；如此往复，从而可以实现对太阳望远镜大视场观测范围进行自适应光学校正的目的，有效扩展太阳自适应光学系统对太阳局部区域高精度成像观测的能力。

本发明的原理：提出一种基于太阳自适应光学系统的大视场扫描成像装置，试图通过在传统太阳自适应光学系统中增加一个新的共轭位置以及相应的扫描反射镜，通过对扫描反射镜角度控制，实现对太阳活动区准实时、分区域分别校正，并通过数据融合办法获得对太阳活动区大视场高分辨力成像观测结果。

本发明提出技术具有如下优点：

（1）本发明提出的基于太阳自适应光学系统的大视场扫描成像装置，可以突破等晕区对自适应光学系统波前校正能力的限制，从而对太阳活动区进行准实时、大视场范围的高分辨力观测。

（2）本发明提出的基于太阳自适应光学系统的大视场扫描成像装置，结构简单、数据处理容易、控制措施简单明了，且成本较低，特别适用于对大视场、静态或准静态扩展目标进行准实时的自适应光学波前校正领域。

（3）本发明提出的基于太阳自适应光学系统的大视场扫描成像装置，采用位于共轭位置的单一扫描反射镜实现对太阳活动区的扫描成像，其控制关系明确，控制算法简单，不存在多反射镜控制时的耦合问题，简单易行。

（4）本发明提出的基于太阳自适应光学系统的大视场扫描成像装置，能够在实现对太阳活动区扫描成像的同时，不改变与地表层相共轭的各个出瞳位置，从而实现了在不改变任何光学元器件位置的前提下，同时完成对太阳活动区扫描成像和波前探测。

总之，本发明提出的基于太阳自适应光学系统的大视场扫描成像装置，通过对扫描反射镜两个维度角度的控制，实现对大视场目标的有效分割和分别校正；最终通过数据融合的办法，实现太阳自适应光学系统对大视场活动区的校正能力。本发明在没有明显增加太阳自适应光学系统复杂性条件下，提出大视场扫描校正装置，扩展了太阳自适应光学系统的校正能力，创新性和实用性明显。

附图说明

图1为传统太阳自适应光学原理示意图；

图2为基于太阳自适应光学系统的大视场扫描成像装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

一种基于太阳自适应光学系统的大视场扫描成像装置由准直器1、波前校正器DM 2、光学中继器3、扫描反射镜4、分光镜5、波前探测器6、成像系统7、波前控制器8和数据处理计算机9等组成。具有大视场观测能力的太阳望远镜10对太阳表面局部区域进行成像后，被放置在太阳望远镜10像面位置后一定距离处的准直器1准直成一定口径的平行光束，对应地表层共轭位置为出瞳位置A。在出瞳位置A处安装一个波前校正器DM 2用于校正太阳光经过地表层后引起的波前畸变。经波前校正器DM 2反射后的太阳光束进行光学中继器3中，其作用是将出瞳位置A按照一定的口径比例进行光学中继，并形成与出瞳位置A相共轭的位置，即出瞳位置B。扫描反射镜4被安装在共轭位置B处，其反射光束被分光镜5分为反射光和透射光，并分别进入波前探测器6和成像系统7中。波前探测器6将通过内置视场光阑将波前探测视场限制在较小范围内，并将波前测量结果通过波前控制器8处理后控制波前校正器2校正限定视场内的波前像差；待自适应光学系统完成对初始θ₀视场范围内波前畸变的校正后，成像系统7完成对特定区域校正后的清晰图像采集；此时，通过控制扫描反射镜4的调整机构，使之反射面产生一定角度△θ_x，y，从而实现自适应光学系统中心视场对应太阳局部区域的改变，通过再次对本次中心视场波前畸变进行自适应光学校正，并获得对应区域自适应光学校正后的清晰图像；如此往复，从而可以实现对太阳望远镜大视场观测范围进行自适应光学校正的目的，有效扩展太阳自适应光学系统对太阳局部区域高精度成像观测的能力。

设太阳望远镜观测口径为D，被准直器1准直后的平行光在出瞳位置A处的口径为d，望远镜观测视场为θ，出瞳位置B处的平行光束口径为d’，波前探测器限定的有效探测视场为θ₀，扫描反射镜扫描步距为△θ_x，y。由此，在扫描反射镜4所在的共轭位置B处，自适应光学系统及光学中继系统对望远镜的综合角放大率倍数设为M，其表达式为：

M=M1×M2=（D/d）×（d/d’）=D/d’（1）

其中M1和M2分别为传统自适应光学系统对望远镜的角放大率和中继系统对自适应光学系统的角放大率。

另一方面，当扫描反射镜4按照最小步距△θ_x，y进行扫描时，反射光束的实际指向角度的变化量为2△θ_x，y；根据公式（1）所示的大视场扫描自适应光学装置的综合放大率关系，波前探测器6实际接收到的探测光束有效视场为Mθ₀；为了能够实现对太阳望远镜观测视场范围内太阳表面区域进行连续空间的自适应光学校正后的高分辨成像观测，则扫描反射镜4的扫描步距需要满足如下关系：

$2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{x,y}\≤M{\mathrm{\θ}}_0\→\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{x,y}\≤\frac{M{\mathrm{\θ}}_0}{2}=\frac{1}{2}\×\frac{D}{d^{\′}}\×{\mathrm{\θ}}_0---\left(2\right)$

对于圆形通光口径，扫描反射镜4的扫描步距需要满足的关系为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{x,y}\≤\frac{\sqrt{2}}{2}\×\frac{M{\mathrm{\θ}}_0}{2}=\frac{\sqrt{2}}{4}\×\frac{D}{d^{\′}}\×{\mathrm{\θ}}_0---\left(3\right)$

实际应用中，为了更好的完成不同视场校正后高分辨力图像的数据融合，一般扫描步距可适当小于公式（2）或公式（3）所示的临界值。

其中，所述的准直器以及光学中继器，可以为反射式的光学元器件，也可以是透射式的光学元器件。

其中，所述的传统自适应光学系统是指包含波前校正器、波前控制器和波前探测器的经典自适应光学系统，其对应波前校正器和波前探测器并不限制于某一种或几种类型。

其中，所述的扫描反射镜4是指反射镜面可以绕镜面中心沿两个正交维度旋转的反射镜，其扫描机构可以采用电动控制，也可人为手动控制。

其中，所述的扫描反射镜4结构，其位置可以严格位于出瞳位置B处，也可以位于距离出瞳位置B较劲距离处，其误差容限取决于系统自身特点，只要能够满足扫描功能即可。

其中，成像系统7是指可以满足对太阳表面局部区域进行成像的系统，其包括成像器件和光电探测器及相应的数据采集器件；这里并不特指某种特定的成像和采集器件，只要能够完成成像和图像采集功能，均可认为是本发明所申明的成像系统。

其中，所述的成像系统7，其分辨力、成像波长和带宽可以根据实际需求进行选择；且成像系统可以对多个波长分别地、同时地对太阳表面同一区域成像观测。

其中，所述的波前校正器2和扫描反射镜4除了可以用在平行光束中，也可以用于锥光光路中，只要其对应的位置与地表层大气湍流相互共轭即可。

其中，该系统装置不仅可以应用于太阳自适应光学系统的扫描成像，也可以应用于具有大视场、静态或准静态目标观测的其他自适应光学系统中。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解到的替换或增减，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于太阳自适应光学系统的大视场扫描成像装置，其特征在于：该装置包括准直器(1)、波前校正器DM(2)、光学中继器(3)、扫描反射镜(4)、分光镜(5)、波前探测器(6)、成像系统(7)、波前控制器(8)、数据处理计算机(9)和具有大视场观测能力的太阳望远镜(10)；其中：

具有大视场观测能力的太阳望远镜(10)对太阳表面局部区域进行成像后，被放置在太阳望远镜(10)像面位置后一定距离处的准直器(1)准直成一定口径的平行光束，对应地表层共轭位置为出瞳位置A，在出瞳位置A处安装一个波前校正器DM(2)用于校正太阳光经过地表层后引起的波前畸变，经波前校正器DM(2)反射后的太阳光束进行光学中继器(3)中，其作用是将出瞳位置A按照一定的口径比例进行光学中继，并形成与出瞳位置A相共轭的位置，即出瞳位置B，扫描反射镜(4)被安装在共轭位置B处，其反射光束被分光镜(5)分为反射光和透射光，并分别进入波前探测器(6)和成像系统(7)中，波前探测器(6)将通过内置视场光阑将波前探测视场限制在较小范围内，并将波前测量结果通过波前控制器(8)处理后控制波前校正器(2)校正限定视场内的波前像差；待自适应光学系统完成对初始θ₀视场范围内波前畸变的校正后，成像系统(7)完成对特定区域校正后的清晰图像采集；此时，通过控制扫描反射镜(4)的调整机构，使之反射面产生一定角度△θ_x,y，从而实现自适应光学系统中心视场对应太阳局部区域的改变，通过再次对本次中心视场波前畸变进行自适应光学校正，并获得对应区域自适应光学校正后的清晰图像；如此往复，从而可以实现对太阳望远镜大视场观测范围进行自适应光学校正的目的，有效扩展太阳自适应光学系统对太阳局部区域高精度成像观测的能力。

2.根据权利要求1所述的基于太阳自适应光学系统的大视场扫描成像装置，其特征在于：设太阳望远镜观测口径为D，被准直器(1)准直后的平行光在出瞳位置A处的口径为d，望远镜观测视场为θ，出瞳位置B处的平行光束口径为d’，波前探测器限定的有效探测视场为θ₀，扫描反射镜扫描步距为△θ_x,y，由此，在扫描反射镜(4)所在的共轭位置B处，自适应光学系统及光学中继系统对望远镜的综合角放大率倍数设为M，其表达式为：

M＝M1×M2＝(D/d)×(d/d’)＝D/d’           (1)

其中M1和M2分别为传统自适应光学系统对望远镜的角放大率和中继系统对自适应光学系统的角放大率；

另一方面，当扫描反射镜(4)按照最小步距△θ_x,y进行扫描时，反射光束的实际指向角度的变化量为2△θ_x,y；根据公式(1)所示的大视场扫描自适应光学装置的综合放大率关系，波前探测器(6)实际接收到的探测光束有效视场为Mθ₀；为了能够实现对太阳望远镜观测视场范围内太阳表面区域进行连续空间的自适应光学校正后的高分辨成像观测，则扫描反射镜(4)的扫描步距需要满足如下关系：

$2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{x,y}\≤M{\mathrm{\θ}}_0\→\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{x,y}\≤\frac{M{\mathrm{\θ}}_0}{2}=\frac{1}{2}\×\frac{D}{d^{\text{'}}}\×{\mathrm{\θ}}_0---\left(2\right)$

对于圆形通光口径，扫描反射镜(4)的扫描步距需要满足的关系为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{x,y}\≤\frac{\sqrt{2}}{2}\×\frac{M{\mathrm{\θ}}_0}{2}=\frac{\sqrt{2}}{4}\×\frac{D}{d^{\text{'}}}\×{\mathrm{\θ}}_0---\left(3\right)$

3.根据权利要求2所述的基于太阳自适应光学系统的大视场扫描成像装置，其特征在于：实际应用中，为了更好的完成不同视场校正后高分辨力图像的数据融合，一般扫描步距可适当小于公式(2)或公式(3)所示的临界值。

4.根据权利要求1所述的基于太阳自适应光学系统的大视场扫描成像装置，其特征在于：所述的准直器以及光学中继器，为反射式的光学元器件，或者是透射式的光学元器件。

5.根据权利要求1所述的基于太阳自适应光学系统的大视场扫描成像装置，其特征在于：所述的扫描反射镜(4)是指反射镜面可以绕镜面中心沿两个正交维度旋转的反射镜，其扫描机构采用电动控制，或者采用人为手动控制。

6.根据权利要求5所述的基于太阳自适应光学系统的大视场扫描成像装置，其特征在于：所述的扫描反射镜(4)，其位置可以严格位于出瞳位置B处，也可以位于距离出瞳位置B较近距离处。

7.根据权利要求1所述的基于太阳自适应光学系统的大视场扫描成像装置，其特征在于：成像系统(7)是指能够满足对太阳表面局部区域进行成像的系统，其包括成像器件和光电探测器及相应的数据采集器件。

8.根据权利要求7所述的基于太阳自适应光学系统的大视场扫描成像装置，其特征在于：所述的成像系统(7)，其分辨力、成像波长和带宽根据实际需求进行选择；且成像系统对多个波长分别地、同时地对太阳表面同一区域成像观测。

9.根据权利要求1所述的基于太阳自适应光学系统的大视场扫描成像装置，其特征在于：该系统装置能够应用于太阳自适应光学系统的扫描成像，也能够应用于具有大视场、静态或准静态目标观测的其他自适应光学系统中。