自适应光学概述

凯克1号激光器
激光深入无穷的宇宙
视网膜细胞成像
空间光通信技术
自适应光学与控制
弱光61单元自适应光学系统的控制优化 • 在自适应光学系统中,波前校正残余误差主要由未 完全补偿湍流所引起的误差和系统闭环噪声组成。 基于一阶比例-积分控制器分析了弱光61单元自适 应光学系统的控制特性。在此基础上,针对非 Kolmogorov湍流情况,提出一种根据实际测量的大 气湍流波前扰动功率谱来确定系统最优控制带宽 的新方法。应用这种方法对弱光61单元自适应光 学系统的波前校正残余误差进行了分析。
凯克望远镜—自适应光学 系统
用自适应光学系统观察恒星
自适应光学的原理
• 自适应光学的目的是修复大气湍流等因素对光波波前的扭曲。自适应 光学首先要检测波前扭曲情况，然后通过安装在望远镜焦面后方的一 块小型的可变形镜面对波前实时进行矫正。可变形镜面后安装有促动 器。自适应光学与主动光学不同，后者通过改变主镜的形状调整因重 力形变等因素造成的像质扭曲，前者用于补偿大气湍流带来的影响。 目前安装在口径8米左右的地面大型光学天文望远镜上的可变形镜面 尺寸为8到20厘米，促动器数量为数百个到数千个不等，每次调整要 在0.5到1毫秒的时间内完成，否则大气抖动将造成波前扭曲情况发生 改变。 • 自适应光学需要以很高的频率调整镜面形状，因而可变形镜面尺寸一 般比较小，对材料的要求很高。曾发生过变形镜无法承受高频调整而 碎裂的事故。此外，还要求促动器的数量足够多，由此还会带来成本 提高、运算量过大等一系列问题。目前，天文望远镜上的自适应光学 更多用于红外观测，而非可见光观测。可见光波段的自适应光学已经 广泛用于侦察卫星的小口径望远镜上。
• 自适应光学（Adaptive optics，缩写为AO）是一项使用可变形镜面矫 正因大气抖动造成光波波前发生畸变，从而改进光学系统性能的技术。 自适应光学的概念和原理最早是在1953年由海尔天文台的胡瑞斯· 拜 勃库克（Horace Babcock）提出的，但是超越了当时的技术水平所 能达到的极限，只有美国军方在星球大战计划中秘密研发这项技术。 冷战结束后，1991年5月，美国军方将自适应光学的研究资料解密， 计算机和光学技术也足够发达，自适应光学技术才得以广泛应用。配 备自适应光学系统的望远镜能够克服大气抖动对成像带来的影响，将 空间分辨率显著提高大约一个数量级，达到或接近其理论上的衍射极 限。第一台安装自适应光学系统的大型天文望远镜是欧洲南方天文台 在智利建造的3.6米口径的新技术望远镜。目前越来越多的大型地面 光学/红外望远镜都安装了这一系统，比如位于夏威夷莫纳克亚山的8 米口径双子望远镜、3.6米口径的加拿大-法国-夏威夷望远镜、10米口 径的凯克望远镜、8米口径的日本昴星团望远镜等等。自适应光学已 经逐步成为各大天文台所广泛使用的技术，并为下一代更大口径的望 远镜的建造开辟了道路。
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自适应光学系统的构成
自适应光学的应用
• 1.直接利用滤镜成像—加拿大-法国-夏威夷望远镜 （CFHT）的CMOS系统在可见波段的观测和西班牙卡拉 阿托天文台的3D在红外波段的观测是这一方面的先驱。 • 2.基于自然引导星的自适应光学系统正帮助现代的8到10 米望远镜不断取得接近衍射极限的成像质量以及分光数据。 • 3.波音公司的YAL-1机载激光系统，是使用适应光学技术 的空中激光武器载具。 • 4.自适应光学也应用在检查人眼视网膜的技术上。
自适应光学
1.自适应光学是补偿由大气湍流或其他因素造成的 成像过程中波前畸变的最有前景的技术 。
2.自适应光学（AO）是由大气引起的波面误差由 一个可变形的镜面进行实时校正的光学技术，是 一个快速增长的多学科领域，包括物理、化学、 电子和计算机科学。AO系统用于校正（形成）一 束光的波前。
自适应光学简介
控制ห้องสมุดไป่ตู้法设计与仿真
• 对自适应光学系统中的控制算法设计进行了整体 研究。首先对自适应光学系统各模块的物理特性 进行了分析,并在此基础上建立了系统整体的数学 模型。针对传统处理含有纯滞后环节系统近似方 法的不足,文章采用直接求解系统传递函数幅频和 相频解析函数的方法来对系统特性进行分析,通过 比较系统的开环特性、闭环特性、误差和噪声传 递特性等对三种控制方法(积分控制、PI控制和 Smith控制)的控制品质进行了分析。分析和仿真 结果表明,Smith控制方法对自适应光学系统能够 达到较好的控制效果,为实际系统的设计提供了理 论指导。
自适应光学控制系统的有效带宽分 析
• 自适应光学技术用在透过大气的目标成像或激光 大气传输的光学系统中，实时校正由大气湍流扰 动引起的随机波前相位畸变，提高光束质量。由 于大气湍流的变化速度较快，要求自适应光学系 统有足够高的控制带宽。目前国际上的自适应光 学系统普遍采用简单的比例积分（ＰＩ）控制器， 并且用闭环带宽作为衡量自适应光学系统对大气 湍流校正能力的主要指标。作者认为，有必要研 究自适应光学控制系统的带宽特点，分析限制控 制系统带宽的因素，并且在不加大硬件复杂性的 情况下，研究合理的高带宽控制器。
自适应光学系统
• 自适应光学（AO）是由大气引起的波面误差由一个可变形的镜面 进行实时校正的光学技术，是一个快速增长的多学科领域，包括物理、 化学、电子和计算机科学。AO系统用于校正（形成）一束光的波前。 历史上，该系统起源于天文学和国防，它可产生高分辨率的天文 图像；更清晰的图像产生对比度的额外增益，这对天文学家也有好处， 因为这意味着他们可以探测到其他方法无法观察到的暗淡的天体。当 天文学家在努力克服大气湍流的模糊效应时，国防承包商们却关心如 何保证他们的高功率激光器的光子可正确导向，从而击毁战略目标。 最近，由于在AO组件的精密度和简单化方面的改进，研究人员 已经利用这些系统在飞秒脉冲整形、显微镜、激光通信、视力矫正以 及视网膜成像等领域取得突破。虽然这些领域相差很大，由于不需要 的时变效应的存在，这些领域都将从自适应光学系统中受益。 通常，AO系统由3部分组成：（1）波前传感器，用于测量波前 偏移，（2）可变形镜片，可改变形状以校正高度畸变的波前，及（3） 实时控制软件，用波前传感器收集到的信息计算可变形镜片应该采用 的合适的形状，以抵消畸变的波前。 •