五张图讲清楚什么是自适应光学
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五张图讲清楚什么是自适应光学

来源:www.lustervision.com    日期:2018-04-23    点击次数:

蒙眼的不只有猪油,还有大气层

抬起头,我们看到的星星们都是会闪的,为什么呢?因为它们真的是好不容易来到地球上的……宇宙空间中的各种尘埃、地球大气湍流、水汽、二氧化碳、臭氧等分子,阻挡了天体射到地球上的大部分波前。

当科学家在天文观测时,地面上的光学望远镜也会存在同样的问题。他们也只能在有限的几个波段中进行,J(1.2μm)、H(1.6μm)、K(2.2μm)、L(3.6μm)、M(5.0μm)、N(10.6μm)和Q(21μm)。

仅有这几个有限的观测窗口还不算完,要知道地球大气本身就有300K左右的温度,当观测波段>5μm时,大气将造成极强的背景噪声。如果要在这些窗口以外的波段进行天体红外观测,或者进行中、远红外探测,就必须到高空和大气外进行。

于是,对于地基光学望远镜来说,JHK三个窗口既可以避开大气中的辐射吸收,也可以避开由于热辐射导致的背景噪声,是最佳的观测窗口。

目前为止,凌云独家代理的法国Firstlight公司C-Red One深度制冷型短波红外相机是满足这三个窗口的完美选择。


自适应光学让我们摆脱大气的困扰

望远镜的集光能力随着口径的增大而增强,望远镜的集光能力越强,就能够看到更暗更远的天体。能让我们更加了解宇宙的早期。但这是对于地面上的天文望远镜说的。

对于一架在太空中使用的望远镜来说,分辨率却与口径成反比。因为在太空中,从遥远星球射来的波前完全不会被大气扰动扭曲,而是会成为一个接近完美的球面波阵。这样的像只会受到衍射极限的限制。这也就是为什么人类要发射哈勃太空望远镜到太空去观测的主要原因。

▲1990年由美国“发现者”号航天飞机发射的哈勃空间望远镜。其影像不会受到大气湍流的扰动,视相度绝佳又没有大气散射造成的背景光,还能观测会被臭氧层吸收的紫外线,是天文史上最重要的仪器之一。

于是,科学家们为了看的更加清楚,排除一些不必要的扰动和误差,引入了自适应光学系统,从而得到了清晰的图像。


Tips:什么是波前?

所谓波前,就是电磁波在传输的过程中,达到某一位置时,各点组成的一个面,这个面叫做波阵面。波阵面有各种曲面形状,比如球面波、平面波等。


五张图讲明白自适应光学如何工作


一个来自遥远恒星的波前,在经过大气层的阻挠后,终于被地面的望远镜捕捉到啦!欸?怎么总是晃来晃去看不准呢?

这时候就需要波前探测器了。所谓波前探测器,就是用来探测光的波前畸变,通过相机捕捉到的参考星星象来算出当前波前到底扭曲到了啥程度。目前主流的波前传感器是沙克-哈特曼(Shack-Hartmann)波前传感器。

所以相机的灵敏度直接决定了可以作为参考星的星体最低亮度。高灵敏度的相机,能够使用比较昏暗的引导星来进行矫正,从而大大提高了望远镜的天空覆盖率。

目前C-Red One可实现<1e-的极低噪声,最新发布的C-Red 2也可以实现1~10e-的低噪声,可极大地提高天文望远镜的巡天范围。

根据相机捕捉到的画面,波前探测器可以通过算法算出需要变形镜扭曲到怎样的程度,才能抵消掉波前的变形。

而这种分析必须在极短的时间内完成,通常在0.5~1ms内,不然大气的脾气你是知道的,系统将产生极大地延误。这样就需要相机有极高的帧速,通常是2000fps。极快的捕捉到波前畸变,从而给波前控制器和变形镜留出一些时间。

C-Red One在320×256分辨率下拥有3500fps的速度,64×64分辨率下甚至可以达到70000fps,是目前红外波前探测器的完美选择。

波前探测器将计算出的扭曲度指令发送给变形镜,变形镜由多个压电陶瓷制成的驱动器驱动,通过驱动器的驱动,将变形镜调整成不同的姿势,从而改变反射光束的方向,达到校正波前的效果。

调整好姿势的变形镜,就可以将之前扭曲的波前变为完美的平面波前。

在望远镜端,之前受大气阻挠的模糊图像已经可以完美的成像了!

这一过程听上去很简单,然而实现起来却无比复杂。

欧洲南方天文台在02年的时候,决定搞个全世界最大的自适应光学天文望远镜E-ELT。口径超过一个标准篮球场,高度超过英国大本钟。

▲到2024年,这个价值10.98亿的大家伙就要正式启用拍摄了。下面站着的人,可以看到这个大家伙究竟有多大。

该望远镜的主镜由近800片六角形镜面组成,其核心自适应变形镜面直径1.45米,使用众多六角形镜面拼接而成。

▲E-ELT所使用的变形镜。