CN111399211A - 一种基于变形次镜的太阳大视场高分辨力成像望远镜 - Google Patents

一种基于变形次镜的太阳大视场高分辨力成像望远镜 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于变形次镜的太阳大视场高分辨力成像望远镜，包括主镜、主镜温控系统、热视场光阑、变形次镜、六轴并联机构、中继反射镜组、大视场波前探测器、大视场成像探测器等，使用变形次镜和六轴并联机构组合实时校正地表层大气湍流波前畸变。典型太阳活动区大小为1角分到2角分，传统自适应光学望远镜受到等晕区的限制，高分辨力成像视场只有10角秒左右，无法满足太阳活动区的大视场高分辨力观测要求；为了实现更大视场的高分辨力成像，本发明提出使用望远镜主光学系统中的变形次镜和六轴并联机构对地表层大气湍流进行校正，可以在大口径(2m～8m)太阳望远镜上实现2角分以上视场的高分辨力成像，满足对太阳活动区的整体实时高分辨力成像。

Description

一种基于变形次镜的太阳大视场高分辨力成像望远镜
技术领域
本发明涉及一种太阳自适应光学望远镜，特别涉及一种基于变形次镜的太阳大视场高分辨力成像望远镜。
背景技术
太阳的高分辨力成像对于太阳物理研究、空间环境监测和空间天气预报等都具有重要的意义。典型的太阳活动区视场的跨度达1角分～2角分(Thomas R.Rimmele,SolarAdaptive Optics,Living Rev.Solar Phys.8:2,p68,2011)，研究其演变过程需要大视场的高分辨力监测，以获得太阳活动区高度动态化的精细结构，发现太阳耀斑和日冕物质抛射等太阳爆发活动的动力学起源。然而，传统太阳自适应光学望远镜的高分辨力成像视场受到大气等晕区的限制，只有10角秒左右(McKechnie T.S.Atmospheric IsoplanaticAngle,General Theory of Light Propagation and Imaging Through the Atmosphere,Springer Series in Optical Sciences,196,Springer,Cham，2016)。地表层自适应光学技术由于只校正能量最集中、强度最大的地表层附近的湍流，校正效果虽不能达到衍射极限，但可以实现大视场范围内的高分辨力成像。现有地表层自适应光学望远镜受限于望远镜与自适应光学系统相对独立的结构，其典型高分辨力成像视场也大约只有40角秒至1角分(Deqing Ren,et al.Solar Ground-Layer Adaptive Optics,PUBLICATIONS OF THEASTRONOMICAL SOCIETY OF THE PACIFIC,127:469–478,2015；Ling Kong,etal.Prototype of solar ground layer adaptive optics at the 1m New Vacuum SolarTelescope,CHINESE OPTICS LETTERS,14(10),100102,2016)，无法满足对较大太阳活动区的非扫描连续大视场高分辨力观测。究其原因为现有地表层自适应光学望远镜将变形镜放置在望远镜后端光学系统构造的瞳面共轭位置附近，在瞳面共轭位置的构造过程中面临如下局限：光束在传输过程中不损失信息，则整个光学系统需要满足一定的空间带宽积，对于大口径太阳望远镜，如果构造小尺寸的瞳面共轭位置，则边缘视场在瞳面处的入射角将会很大，考虑像差控制，镀膜等因素，中继光学系统的设计难度很大；如果构造足够大尺寸的瞳面共轭位置以减小入射视场角，则中继光学系统又将异常庞大和复杂。因此，现有地表层自适应光学望远镜无法满足对太阳活动区的整体实时高分辨力成像观测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种利用望远镜主光学系统进行大视场波前校正的太阳大视场高分辨力成像望远镜，实现更大视场的高分辨力成像能力，为太阳物理的研究、空间环境监视和空间天气预报提供大视场高分辨力图像。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于变形次镜的太阳大视场高分辨力成像望远镜，该望远镜包括主镜、主镜温控系统、热视场光阑、变形次镜、六轴并联机构、中继反射镜组、分光镜、大视场波前探测器、大视场成像探测器、工控计算机、高压放大器；其中，
来自望远镜观测视场范围外的太阳光线，经过主镜反射后，被位于望远镜主镜焦点位置附近的热视场光阑反射出望远镜系统；
来自望远镜观测视场范围内的太阳光线，首先经过主镜反射，穿过热视场光阑的中心小孔，再经变形次镜和中继反射镜组连续反射后变为平行光或接近平行光线，再经过分光镜后分为两束，其中一束进入大视场波前探测器，另一束进入大视场成像探测器；
工控计算机根据大视场波前探测器采集的图像计算地表层大气湍流波前像差信号，再根据地表层大气湍流波前像差信号计算控制电压，并将其发送给高压放大器，用于分别控制变形次镜和六轴并联机构，联合校正望远镜的静态像差和大气湍流引入的动态像差。
进一步地，所述的六轴并联机构既具备对变形次镜的支撑与精密调整功能，又具备对倾斜、离焦和彗差像差的时间域低频部分的实时校正功能。
进一步地，所述的时间域低频部分，可通过对工控计算机计算得到的地表层大气湍流波前倾斜、离焦和彗差像差进行低通滤波或者时间域平均获取。
进一步地，所述的地表层大气湍流波前像差计算可通过求取大视场波前探测器不同视线方向入射光波前像差的平均值获取。
进一步地，所述的变形次镜可以是压电陶瓷或音圈电机驱动、连续反射表面或分块反射表面等不同技术手段制成的变形镜；既具备传统望远镜次镜的功能，又具备对倾斜、离焦和彗差像差的时间域高频部分及其它高阶像差的实时校正功能。
进一步地，所述的时间域高频部分，可通过对工控计算机计算得到的地表层大气湍流倾斜、离焦和彗差像差进行高通滤波，或者将所述的时间域低频部分减去而获取。
进一步地，所述的主镜温控系统用于控制主镜的温度，使其与环境温度接近。
进一步地，所述的大视场成像探测器可以是单台多视线夏克-哈特曼波前传感器，也可以是由对应不同光线入射方向的多台哈特曼波前传感器组合而成的大视场夏克-哈特曼波前传感器。
进一步地，所述的大视场成像探测器可以是一套或者多套成像系统并行运行，成像系统之间可以是光谱分光，也可以是强度分光。
本发明与现有技术相比有如下优点：
本发明使用变形次镜和六轴并联机构组合实时校正地表层大气湍流波前畸变，由此带来如下好处：
(1)位于望远镜主光学系统中的变形次镜能够提供波前校正的视场可达2角分以上，大于传统地表层自适应光学望远镜接近1角分的视场，满足对太阳活动区整体的高分辨力成像。
(2)不需要专门的倾斜镜、变形镜和与之匹配的中继光学系统，望远镜系统中反射镜面、分光镜面等光学元件的数量大幅度减少，由这些部件带来的光能损失、热辐射污染等问题随之得到有效抑制，提高了望远镜的波前探测与波前校正信噪比。
(3)太阳望远镜不同焦点的科学仪器均可以使用变形次镜和六轴并联机构进行波前校正，实现了波前校正器的共享。
(4)系统复杂度下降，结构更加紧凑、简单，对于整个系统的设计、加工、调试和运行阶段的技术要求也随之下降。
附图说明
图1为所述的一种基于变形次镜的太阳大视场高分辨力成像望远镜结构示意图。其中，1为主镜、2为主镜温控系统、3为热视场光阑、4为变形次镜、5为六轴并联机构、6为中继反射镜组、7为分光镜、8为大视场波前探测器、9为大视场成像探测器、10为工控计算机、11为高压放大器。
图2为所述的一种大视场波前探测器8的一种实施方式示意图，由两台对应不同光线入射方向的夏克-哈特曼波前传感器WFS1和WFS2组成，P为瞳面。
图3为所述的变形次镜的一种结构示意图。其中，31为反射镜面，32为压电驱动器、33为刚性底座、34为外壳。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。
本实施例的示意如图1所示，一种基于变形次镜的太阳大视场高分辨力成像望远镜包括主镜1、主镜温控系统2、热视场光阑3、变形次镜4、六轴并联机构5、中继反射镜组6、分光镜7、大视场波前探测器8、大视场成像探测器9、工控计算机10、高压放大器11；其中，
来自望远镜观测视场范围外的太阳光线，经过主镜1反射后，被位于望远镜主镜焦点位置附近的热视场光阑3反射出望远镜系统；
来自望远镜观测视场范围内的太阳光线，首先经过主镜1反射，穿过热视场光阑3的中心小孔，再经变形次镜4和中继反射镜组6连续反射后变为平行光或接近平行光线，再经过分光镜7后分为两束，其中一束进入大视场波前探测器8，另一束进入大视场成像探测器9；
工控计算机10根据大视场波前探测器8采集的图像计算地表层大气湍流波前像差信号，再根据地表层大气湍流波前像差信号计算控制电压，并将其发送给高压放大器11，用于分别控制变形次镜4和六轴并联机构5，联合校正望远镜的静态像差和大气湍流引入的动态像差。
所述的六轴并联机构5既具备对变形次镜4的支撑与精密调整功能，又具备对倾斜、离焦和彗差像差的时间域低频部分的实时校正功能。
所述的时间域低频部分，可通过对工控计算机10计算得到的地表层大气湍流波前倾斜、离焦和彗差像差进行低通滤波或者时间域平均获取。
所述的地表层大气湍流波前像差计算可通过求取大视场波前探测器8不同视线方向入射光波前像差的平均值获取。
所述的变形次镜4可以是压电陶瓷或音圈电机驱动、连续反射表面或分块反射表面等不同技术手段制成的变形镜；既具备传统望远镜次镜的功能，又具备对倾斜、离焦和彗差像差的时间域高频部分及其它高阶像差的实时校正功能。图3为一种压电驱动式变形次镜的实施例结构示意图，它包括镜面31、压电驱动器32、刚性底座33和外壳34。其中镜面31用于光学反射；压电驱动器32用于改变镜面31的面形；刚性底座33用于支撑。
所述的时间域高频部分，可通过对工控计算机10计算得到的地表层大气湍流倾斜、离焦和彗差像差进行高通滤波，或者将所述的时间域低频部分减去而获取。
所述的主镜温控系统2用于控制主镜的温度，使其与环境温度接近。
所述的大视场成像探测器9可以是单台多视线夏克-哈特曼波前传感器，也可以是由对应不同光线入射方向的多台哈特曼波前传感器组合而成的大视场夏克-哈特曼波前传感器。
所述的大视场成像探测器9可以是一套或者多套成像系统并行运行，成像系统之间可以是光谱分光，也可以是强度分光。

Claims (9)

1.一种基于变形次镜的太阳大视场高分辨力成像望远镜，其特征在于：该望远镜包括主镜(1)、主镜温控系统(2)、热视场光阑(3)、变形次镜(4)、六轴并联机构(5)、中继反射镜组(6)、分光镜(7)、大视场波前探测器(8)、大视场成像探测器(9)、工控计算机(10)和高压放大器(11)；其中，
来自望远镜观测视场范围外的太阳光线，经过主镜(1)反射后，被位于望远镜主镜焦点位置附近的热视场光阑(3)反射出望远镜系统；
来自望远镜观测视场范围内的太阳光线，首先经过主镜(1)反射，穿过热视场光阑(3)的中心小孔，再经变形次镜(4)和中继反射镜组(6)连续反射后变为平行光或接近平行光线，再经过分光镜(7)后分为两束，其中一束进入大视场波前探测器(8)，另一束进入大视场成像探测器(9)；
工控计算机(10)根据大视场波前探测器(8)采集的图像计算地表层大气湍流波前像差信号，再根据地表层大气湍流波前像差信号计算控制电压，并将其发送给高压放大器(11)，用于分别控制变形次镜(4)和六轴并联机构(5)，联合校正望远镜的静态像差和大气湍流引入的动态像差。
2.根据权利要求1所述的一种基于变形次镜的太阳大视场高分辨力成像望远镜，其特征在于：所述的六轴并联机构(5)既具备对变形次镜(4)的支撑与精密调整功能，又具备对倾斜、离焦和彗差像差的时间域低频部分的实时校正功能。
3.根据权利要求2所述的一种基于变形次镜的太阳大视场高分辨力成像望远镜，其特征在于：对倾斜、离焦和彗差像差的时间域低频部分的实时校正功能，所述的时间域低频部分，可通过对工控计算机(10)计算得到的地表层大气湍流波前倾斜、离焦和彗差像差进行低通滤波或者时间域平均获取。
4.根据权利要求1所述的一种基于变形次镜的太阳大视场高分辨力成像望远镜，其特征在于：所述的地表层大气湍流波前像差计算可通过求取大视场波前探测器(8)不同视线方向入射光波前像差的平均值获取。
5.根据权利要求1所述的一种基于变形次镜的太阳大视场高分辨力成像望远镜，其特征在于：所述的变形次镜(4)可以是压电陶瓷或音圈电机驱动、连续反射表面或分块反射表面等不同技术手段制成的变形镜；既具备传统望远镜次镜的功能，又具备对倾斜、离焦和彗差像差的时间域高频部分及其它高阶像差的实时校正功能。
6.根据权利要求5所述的一种基于变形次镜的太阳大视场高分辨力成像望远镜，其特征在于：对倾斜、离焦和彗差像差的时间域高频部分及其它高阶像差的实时校正功能，所述的时间域高频部分，可通过对工控计算机(10)计算得到的地表层大气湍流倾斜、离焦和彗差像差进行高通滤波，或者将权利要求3所述的时间域低频部分减去而获取。
7.根据权利要求1所述的一种基于变形次镜的太阳大视场高分辨力成像望远镜，其特征在于：所述的主镜温控系统(2)用于控制主镜的温度，使其与环境温度接近。
8.根据权利要求1所述的一种基于变形次镜的太阳大视场高分辨力成像望远镜，其特征在于：所述的大视场成像探测器(9)可以是单台多视线夏克-哈特曼波前传感器，也可以是由对应不同光线入射方向的多台哈特曼波前传感器组合而成的大视场夏克-哈特曼波前传感器。
9.根据权利要求1所述的一种基于变形次镜的太阳大视场高分辨力成像望远镜，其特征在于：所述的大视场成像探测器(9)可以是一套或者多套成像系统并行运行，成像系统之间可以是光谱分光，也可以是强度分光。
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