自适应光学波前校正试验指导书

自适应光学波前校正实验指导书实验任务通过实验学习自适应光学系统的基本原理、构成、型式及应用领域。掌握哈 特曼-夏克波前传感器的工作原理和使用方法，实现对波前相位的测量。掌握薄 膜变形镜的工作原理和控制方法，实现对光学系统初始误差的校正。 实验目的(1) 了解自适应光学系统的基本组成和工作原理。(2) 掌握哈特曼-夏克波前传感器的工作原理和使用方法。(3) 掌握变形镜的工作原理和控制方法。实验要求(1) 运用哈特曼-夏克波前传感器对变形镜各个致动器的影响函数进行测量并记 录测量结果。(2) 运用哈特曼-夏克波前传感器测量光学系统初始误差。(3) 根据测量的变形镜影响函数和光学系统初始误差计算出变形镜补偿该初始 误差所需的电压，然后控制变形镜对误差进行补偿。实验设备光纤耦合激光光源(635nm), 37单元薄膜变形镜，变形镜控制箱，哈特曼- 夏克波前传感器，成像探测器，控制计算机。准直透镜，分光棱镜，成像透镜， 光阑，缩束系统，反射镜等。实验提示1. 自适应光学系统原理及应用高分辨率成像是人类长期追求的目标，但传统光学技术无法解决动态波前扰 动对像质的影响问题。影响光学系统波前质量的误差源按时间频率可以分为低频 和高频两大类。属低频误差的有：系统内部误差，温度、重力变形及机械变形， 加工与装配误差等，这些误差的频带通常低于0.1Hz。属高频误差的有：外界空 气热影响，来自阵风的反射镜变形，跟踪误差，大气湍流及激光经大气时的热晕 等，其带宽的范围由1Hz至1000Hz。如何克服以上动态波前误差的影响是光学 工作者不懈研究的课题。1953 年，天文学家 Babcock 提出实时校正光束的动态畸变的概念和工作原 理。其核心是在光学系统中引入一个表面形状可变的光学元件(波前校正器)和 一个波前误差传感器，用波前传感器测量出不断变化的波前误差，根据测量结果 由控制系统控制波前校正器对波前误差进行校正。如果这一过程足够快，就可以 用不断变化的波前校正量来校正不断变化的动态波前误差，这就是自适应光学的 基本思想。过去通常称误差补偿带宽小于 0.1Hz 的系统为主动光学系统，而补偿 高频误差的系统为自适应光学系统。但是这两类系统在理论和技术上是基本相同 的，所以目前大部分学者已经把这两者合为自适应光学范畴进行讨论。一个典型的自适应光学系统如图 1 所示。由光源（例如一颗恒星）发出的 光波经过长距离传播后可近似为理想平面波，受扰动介质（如大气湍流）的影响， 理想平面波变为随时间和空间都不断变化的畸变波前，自适应光学系统利用波前 传感器（如哈特曼-夏克波前传感器）探测波前相位信息，然后波前控制器在极 短的时间内分析由波前传感器采集的数据并计算出波前校正器（如变形镜）补偿 该波前畸变所需的校正电压，随后通过驱动波前校正器对畸变波前进行补偿修 正，从而重新获得理想的平面波前，最终在成像系统的焦面上得到一个清晰的像。图 1 自适应光系统原理图自适应光学系统的原理并不复杂，但要付诸实施却不容易，这是由动态波前 误差的特性决定的。动态波前误差是一个空间时间变量，其时间空间特性决 定了对自适应光学系统的高要求，即波前探测器和波前校正器的基本单元的尺度 要与波前误差的空间尺度相匹配，控制系统的响应时间要小于波前误差变化的时 间尺度，而控制的精度要达到波长的十分之一左右。由于要求控制回路多、速度 快、精度高，决定了自适应光学系统的复杂性和高难度。自适应光学发展的早期主要致力于发展专用元器件，如各种波前校正器和波 前传感器等，同时也进行了一些理论算法的研究和系统预研。到上世纪七、八十 年代，随着光电技术及电子计算机等诸多高新技术的发展和应用，自适应光学才 开始进入实用研究阶段。九十年代以后，自适应光学技术开始大量应用在天文和 军事领域，使得光学观测能力达到接近衍射极限的水平。同时，随着自适应光学 的发展和理论的完善，自适应光学系统还被应用于激光、通讯、遥感、医疗等多 个领域中。发展自适应光学的原动力主要来自天文观测和军事上的需要。 1982 年世界 上第一台实用化的天文观测自适应光学望远镜被安装在美国夏威夷的 Maui 岛 上，用于美国空军探测基地进行空间观测。该系统工作于可见光波段，探测灵敏 度达到7等星。1987-1990年，欧洲南方天文台（ESO）在法国空间研究院和 Laserdot 公司的协助下，开展了被称为 COME-ON 的自适应光学系统的研制工作。 该系统采用双波长工作，利用哈特曼 -夏克传感器在可见光区域测量波前误差， 在近红外波段校正波前误差和进行红外观测；系统采用19单元变形镜，带宽为 9Hz。这一系统相继于1989年在法国浩特（Haute）省天文台的1.5m望远镜上和 1990年在智利拉一西拉（La-Sila）的ESO3.6m望远镜上试验成功。这是自适应 光学系统首次在天文观测上得到应用，被认为是天文观测技术发展的里程碑。目 前世界上多数大型地基天文望远镜都已经采纳或计划安装自适应光学系统来改 善像质。军事应用方面，1991年美国用LACE卫星试验SWAT计划成功，达到60cm 口径接近衍射极限分辨率的水平，并成功同时运用了合作信标和激光瑞利导星信 标两种工作方式。美国的KH-12系列侦察卫星采用自适应光学技术实现了 0.1m 的超高分辨率。 2001 年美国在“白沙”靶场成功将万瓦级车载固体战术激光武 器系统用于导弹拦截试验，并用自适应光学系统对大气引起的波前畸变进行了补 偿。我国对自适应光学的研究起步于 1979年，主要研究单位有中科院成都光电 技术研究所、北京理工大学、中科院安徽光机所、南京紫金山天文台等。以成都 光电技术研究所为代表，目前已独立自主地成功研制了多套自适应光学系统，取 得了令人瞩目的成就，研究水平处于世界先进地位。中科院成都光电技术研究所 在 1985 年建立了国际上第一套用于激光核聚变装置的校正激光波前误差的自适 应光学系统；1990 年研制的 21 单元自适应光学系统与云南天文台 1.2 米望远镜 对接，实现了对星体观测的全程大气湍流校正，获得了分辨双星的清晰照片，使 我国成为继美国和德国之后第三个实现大气湍流校正的国家；1997 年将自适应 光学系统和精密跟踪系统相结合，实现了对动态目标0.1”0.15”的跟踪精度； 1998年 12 月红外自适应光学系统在北京天文台 2.16 米望远镜上成功应用，实现 了红外波段大气湍流校正； 2000 年研制了视网膜高分辨率观测用的自适应光学 系统，在世界上第二个获得活体人眼视觉细胞实时成像。2002 年成都光电所与 南京大学合作，研制了国内首套太阳观测倾斜校正自适应光学系统，使我国成为 国际上少数几个拥有自适应光学太阳望远镜的国家之一。北京理工大学于 1996 年出版了国内第一部自适应光学专著； 2000年研制成功微小型自适应光学系统， 可用于改善空间光学遥感器光学像质及用于校正畸变激光束波面，该成果入选我 国高科技发展计划（ 863 计划）十五周年成果展。我国于 1997 年开始实施 LAMOST 望远镜（大天区面积多目标光纤光谱望远镜）计划，该望远镜采用自 适应光学技术控制主镜分块镜面的拼接和非球面面形的校正。2008 年 10 月， LAMOST 望远镜正式竣工，成为世界上光谱获取率最高的望远镜。传统的自适应光学系统比较复杂，成本也很高昂，因此只能在一些大型的光 学系统中应用，难以普及。目前自适应光学系统正在向微型化、集成化和民用领 域发展。一方面自适应光学系统正在被简化，如采用无波前传感器的校正系统。 另一方面，性能好且造价低廉的新型波前校正器也开始进入实用阶段。2008 年， 美国研制完成4096单元连续表面MEMS变形镜，动态范围可达4“m带宽达 2.5KHz。MEMS变形镜具有低成本、低功耗、体积小、校正单元多的特点，为 自适应光学开辟了新的应用方向。2. 哈特曼-夏克波前传感器原理及变形镜影响函数测量哈特曼-夏克（H-S）传感器由微透镜阵列和探测器组成，每个微透镜对应探 测器上的一个子探测区。当以参考波前（近似平面波）入射到微透镜阵列时，在 探测上形成近似等间距排列的光斑阵列，此时记下光斑质心位置作为参考。当以畸变波前入射时,每个子透镜对应的光斑质心位置相对参考光斑可能产生X和Y 两个方向的移动，移动量即对应于畸变波前在子孔径内的平均斜率。在获得畸变 波前在子孔径内的平均斜率后,通过波前重构算法（模式法或区域法）即可获得 波前相位。图 2 哈特曼-夏克波前传感器原理图1r2:E探测器上光斑本实验采用的 Imagine-Optics 公司的哈特曼-夏克波前传感器微透镜阵列数为76*100，测量精度可达A/100在利用变形反射镜产生所需的波前之前,需要首先利用哈特曼 -夏克波前传感器对变形反射镜的影响函数进行测试。影响函数即变形镜的某个致动器施加单位电压时的形变。依次给变形镜的每个致动器加电压并利用哈特曼 -夏克波前传 感器测量影响函数，最后可以得到影响函数矩阵。3. 薄膜变形镜工作原理和控制方法薄膜变形镜（图4）是利用分布式电极对薄膜的静电吸引作用来实现对薄膜 面形的控制，具有体积小、重量轻、价格低的优点，工作频率可达500Hz以上。 由于电极与薄膜间仅有引力，没有斥力，薄膜变形镜工作时的零位，应为最大形 变量一半处的离焦面。另外，薄膜变形镜的面形与电压间为“平方线性叠加关系”， 即，单电极产生的形变量与电压平方成正比，多电极产生的形变量等于各电极单 独作用时所产生形变量之和。图 4 薄膜变形镜图 5 OKO 公司 37 单元薄膜变形镜本实验所用的 37 单元薄膜变形镜如图 5 所示。 37 单元变形镜的控制电压由 PCI 接口的 24 路 8 位数模转换卡产生，经放大倍数为 58 倍的高压放大器放大后 输出到变形镜。假设变形镜有 N 个致动器，第 n 个致动器施加单位电压所产生面形为 Yn(x,y),称为该致动器的影响函数。变形镜面形W (x,y)与致动器电压Vn间关 系可表示为：W (x, y)仝 V Y(x, y)(1)nnn=0假如变形镜面形的采样点数为M个，采样点坐标为(xm,ym), m=1M, M 个点处的高度值为y(xm,ym)，则可以列出变形镜面形方程组如下：W(xi，yi)= V1 yi(xi，yi)+ v2y2(Xi，yi)+ VNyN(X1, yi) W (x2, y2)= V1 yi( x2, y2)+ V2 y2(X2,+ Tn(2)W(XM , yM ) = V1 VW , yM H V2y2(XM + In M )该式可简写为：W=YV( 3)式中，W为变形镜面形的一维矩阵表达，V为电压矩阵，Y为影响函数矩阵。变形反射镜面形取决于各致动器所施加的电压，因此，变形反射镜控制问题 的核心，是根据所需面形求取各致动器驱动电压。用广义逆矩阵的方法求解线性 方程组即可得到变形镜的控制电压：V=Y+W( 4)式中，V为求得的控制电压向量，W为希望产生的面形，Y+为影响函数矩阵Y 的广义逆矩阵，也即控制矩阵。4. 利用变形镜校正光学系统初始误差自适应光学系统搭建完成后，由于光学元件存在像差，特别是变形镜的初始 面形误差可能较大，因此需要用变形镜对系统的初始误差进行校正。本实验采用 的自适应光学系统光路如图 6 所示。点目标发出的光被准直透镜 L1 准直后形成 平行光束入射到变形镜，变形镜的发射光波一路经缩束系统后进入哈特曼 -夏克 波前传感器，一路经成像透镜后聚焦于 CCD 相机靶面。夏克哈特曼波前传感器分束镜1图 6 自适应光学系统光路实验步骤：（1）用哈特曼-夏克波前传感器测量变形镜各个致动器的影响函数，计算出影 响函数矩阵和控制矩阵。（2）用哈特曼-夏克波前传感器测量光学系统的波前误差并将其化为列向量的 形式。（3）控制CCD相机采集变形镜校正前的光斑图像。（4）计算出变形镜补偿光学系统波前误差所需的控制电压向量并控制变形镜 产生变形。（5）用哈特曼-夏克波前传感器测量校正后光学系统的残余波前误差。（6）控制CCD相机采集变形镜校正后的光斑图像。预期结果：用哈特曼测量得到的 37单元变形镜各个致动器的影响函数如图 7 所示图 7 37 单元变形镜各个致动器影响函数变形镜补偿前后 CCD 探测器上的光斑如图 8 所示。校正后光斑的能量集中度显 著提高。图8变形镜校正前（左图）和校正后（右图）CCD上的光斑图像