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自適應光學(xué)
用于反射望遠鏡鏡面的補償系統
自適應光學(xué)（adaptive optics），指一種用于大反射望遠鏡的鏡面的一種補償系統，可以通過(guò)快速反應的的支撐系統使鏡面發(fā)生形變來(lái)補償大氣抖動(dòng)引起的星象閃爍。
基本信息
| 外文名 | adaptive optics |
| 原理 | 中波前畸變的最有前景的技術(shù) |
| 造成 | 補償由大氣湍流或其他因素造成 |
基本簡(jiǎn)介
沿革內容
自從天文望遠鏡誕生400年以來(lái)，它從小型手控的光學(xué)器材發(fā)展到由計算機控制的龐大復雜儀器。其間，有兩個(gè)參數極其重要：望遠鏡的口徑（聚光能力）和角分辨率（圖像的清晰度）。對于一架在太空中使用的性能絕佳的望遠鏡來(lái)說(shuō)，分辨率直接與口徑的倒數成正比。從遙遠星球發(fā)出的平面波波前將被望遠鏡轉換成完美的球面波波陣面從而成像。像的角分辨率只受到衍射的限制--我們可以稱(chēng)之為衍射極限。
實(shí)際上大氣的影響和望遠鏡的質(zhì)量問(wèn)題都會(huì )扭曲球面波前，造成成像過(guò)程中的相位錯誤。即使是在最好的觀(guān)測地點(diǎn)，地面上可見(jiàn)光波段望遠鏡的角分辨率都無(wú)法超過(guò)10到20厘米口徑的望遠鏡，這僅僅是因為大氣湍流的緣故。對于一臺口徑四米的望遠鏡來(lái)說(shuō)，大氣湍流使其空間分辨率降低了一個(gè)數量級（與衍射極限相比），同時(shí)星像中心的清晰度降低了100多倍。這源于大氣擾動(dòng)造成的波前在時(shí)間和空間的不穩定--也是人類(lèi)發(fā)送哈勃到太空進(jìn)行觀(guān)測的的最主要原因--避免大氣湍流的影響。此外，像質(zhì)的好壞也受到工業(yè)技術(shù)問(wèn)題以及由機械、溫度和望遠鏡光學(xué)效應而引起的波前扭曲的影響。
光學(xué)的使用
最顯然的應用是直接利用濾鏡成像。所有的自適應光學(xué)系統都提供這一基礎模式，但經(jīng)常配備附加的掃描濾鏡（圓形可變?yōu)V波器），這樣做是為了取得豐富的數據（二維的平面空間和一維的光譜）。考慮到大氣湍流是隨著(zhù)時(shí)間不斷改變的，在短時(shí)間內獲得豐富的觀(guān)測資料及數據聽(tīng)起來(lái)就顯得異常誘人。這可以利用全視場(chǎng)攝譜儀（IFS）做到。加拿大-法國-夏威夷望遠鏡（CFHT）的CMOS系統在可見(jiàn)波段的觀(guān)測和西班牙卡拉阿托天文臺的3D在紅外波段的觀(guān)測是這一方面的先驅。類(lèi)似的設備同樣安裝于8米望遠鏡，尤其是安裝于雙子星望遠鏡（Gemini）的GMOS系統在可見(jiàn)波段的應用以及安裝于甚大望遠鏡（VLT）的SINFONI -SPIFFI系統在紅外波段的應用。
自適應光學(xué)系統有很大的技術(shù)挑戰。其中包括快速低噪聲的傳感器（為了能使用比較昏暗的引導星來(lái)進(jìn)行矯正）；高能、可信且易于操作的鈉激光器；超高速處理器，要求每秒的運作此時(shí)達109到1010次；可變形鏡面，帶寬幾千赫茲和上千個(gè)觸動(dòng)器；大型的二級自適應透鏡。后者在熱波段尤其有趣，任何一小塊附加的鏡面都加大由設備造成的原本已經(jīng)很大的熱背景。
基于自然引導星的自適應光學(xué)系統正幫助現代的8到10米望遠鏡不斷取得接近衍射極限的成像質(zhì)量以及分光數據。可見(jiàn)光波段的改正已相當理想，但是至今仍然無(wú)法到達衍射極限。人造引導星自適應光學(xué)系統被應用于不少天文臺，而且這個(gè)數字正不斷的增加。但是人造引導星在極高天空覆蓋率下的穩定應用仍然沒(méi)有實(shí)現。MCAO技術(shù)仍在襁褓階段。
許多最近的天文觀(guān)測成果都基于新的光學(xué)觀(guān)測技術(shù)。尤其是當甚大望遠鏡（VLT）投入使用后（干涉觀(guān)測法帶來(lái)了更清晰的像質(zhì)），自適應光學(xué)系統顯得更加重要。強大的集光能力和極小的分辨率（空間上的和光譜上的）將為未來(lái)地面天文觀(guān)測帶來(lái)最主要的進(jìn)步。更深入地，計劃和討論中的巨型光學(xué)望遠鏡（比如OWL）將依賴(lài)先進(jìn)的自適應光學(xué)技術(shù)來(lái)實(shí)現全部的天文觀(guān)測---在這些項目的建設初期望遠鏡就和自適應光學(xué)系統融為一體。
光學(xué)種類(lèi)
被動(dòng)光學(xué)
不久以前，天文望遠鏡依然是一種"被動(dòng)"的儀器。因為沒(méi)有內置的改正儀在觀(guān)測過(guò)程中主動(dòng)改善和調整像質(zhì)，能夠進(jìn)行人工調整的時(shí)間是在白天或夜幕初垂時(shí)。
盡管大家公認大氣擾動(dòng)所造成的影響無(wú)可避免，人們做了最大的機械上的改進(jìn)去修正望遠鏡本身的錯誤：光學(xué)玻璃的冷加工以及磨光技術(shù)均有了改進(jìn)；堅實(shí)的結構和玻璃被用來(lái)消除由于重力造成的透鏡變形；人們采用了低膨脹系數的玻璃來(lái)消除溫度所造成的影響；為了消除當地溫度的影響，發(fā)動(dòng)機和電子器件的熱耗散在夜晚被減到最小；同時(shí)用來(lái)保護望遠鏡免受風(fēng)吹造成震動(dòng)的圓頂在白天得到冷卻。對于這樣合理設計并被謹慎使用的中小型望遠鏡來(lái)說(shuō)，像質(zhì)仍然會(huì )受到大氣湍流的影響。
主動(dòng)光學(xué)
隨著(zhù)80年代新觀(guān)念的誕生（為了加強望遠鏡的集光能力，主鏡的口徑最好在4米以上），很顯然，以上所述的傳統的維護像質(zhì)、防止透鏡因重力而變形的方法由于受到價(jià)格和結構重量的限制已經(jīng)不再適用。為了改善大中型望遠鏡的像質(zhì)，主動(dòng)光學(xué)誕生了：在觀(guān)測過(guò)程中內置的光學(xué)修正部件對像質(zhì)進(jìn)行自動(dòng)調整，這些修正部件工作在相對較低的頻率。
光學(xué)介紹
自適應光學(xué)系統開(kāi)發(fā)者的工作是令人畏懼的——平面波波陣面透過(guò)了20千米的大氣湍流層，穿過(guò)大型天文望遠鏡，產(chǎn)生了幾微米的相位差。自適應光學(xué)系統必須通過(guò)分析有限的數據在每一毫秒內做出新的修正。另一個(gè)復雜的因素是：適用于自適應光學(xué)的視場(chǎng)大小--等暈角是相當小的（在可見(jiàn)波段只有幾角秒）。
考慮到相對較寬的波段和極小的天空覆蓋率，自適應光學(xué)采用了一塊直徑在8到20厘米小型可變形鏡面，這塊鏡面被安放在望遠鏡的焦點(diǎn)后方，不過(guò)近期來(lái)采用大型可變形鏡面的可能也越來(lái)越大了。選擇造成形變的觸動(dòng)器的數量必須綜合考慮改正度、觀(guān)測波段、參考星的選擇（見(jiàn)下文）以及可用預算。舉例來(lái)說(shuō)，對一臺口徑8米的望遠鏡在可見(jiàn)光波段（比如0.6/265m）做出近乎完美的改正需要大約6400個(gè)觸動(dòng)器，而相同的情況下在波長(cháng)為2/265m時(shí)只需要250個(gè)觸動(dòng)器。
大數量的觸動(dòng)器意味著(zhù)波前傳感器（用來(lái)測量波前扭曲的狀況）上需要同樣較大數量的圖像探測器（每個(gè)圖像探測器對應一塊二級透鏡），這說(shuō)明如果要在可見(jiàn)光波段進(jìn)行修正，參考星的亮度應該比在紅外波段進(jìn)行修正時(shí)大25倍左右。大部分現代天文觀(guān)測系統被設計用來(lái)提供紅外波段附近（1 到2 /265m）接近衍射極限的星像，同時(shí)對可見(jiàn)波段的星像進(jìn)行部分修正。不過(guò)，美國的一些衛星軍事系統也提供可見(jiàn)波段的完全修正（至少是口徑1米的望遠鏡）。
相關(guān)介紹
傳感器分類(lèi)
目前探測波前扭曲程度的傳感器主要有兩類(lèi)：沙克-哈特曼（Shack-Hartmann）波前傳感器，它通過(guò)由每一個(gè)附屬的圖像探測器產(chǎn)生的參考星星像來(lái)探測實(shí)際波前的扭曲情況。另一個(gè)是曲率探測系統，它的改正是通過(guò)雙壓電晶片自適應透鏡來(lái)完成的，透鏡由兩個(gè)壓電平面組成。對于這兩種方法來(lái)說(shuō)，波前探測的完成都基于引導星，或者說(shuō)是基于觀(guān)測對象本身（當觀(guān)測對象足夠亮時(shí)其本身就可以被當作一顆引導星）。波前扭曲的測量可以在可見(jiàn)波段進(jìn)行而在紅外波段應用，如果參考星很暗的話(huà)則直接在紅外波段（1 到2 /265m）進(jìn)行。
自適應光學(xué)的控制系統是一臺專(zhuān)門(mén)的計算機，它通過(guò)分析由波前傳感器采集的數據來(lái)對鏡面的形狀做出修正。分析必須在極短的時(shí)間內完成（0.5到1毫秒內），不然大氣情況的改變將使系統的改正因延誤而產(chǎn)生錯誤。
等暈角對自適應光學(xué)系統的影響很大，當波長(cháng)為2/265米時(shí)等暈角大約為20",但當波長(cháng)為0.6/265米的時(shí)候，等暈角只有5"左右，這個(gè)時(shí)候就很難在如此小的范圍內找到足夠亮的引導星。以上所述的情況在紅外波段要比可見(jiàn)波段改善許多：首先大氣湍流對長(cháng)波的影響較小，從而波前的扭曲較小，找一顆比較暗的引導星往往也能滿(mǎn)足要求；再加上紅外波段的等暈角一般比較大，于是紅外波段的自適應光學(xué)改正比可見(jiàn)波段要理想許多。
然而，即使是在2.2微米的波長(cháng)，適用于自適應光學(xué)的天空覆蓋率（相當于在目標天體周?chē)葧灲堑姆秶鷥日业揭活w引導星的概率）只有百分之0.5到1。于是自適應光學(xué)適用的對象一般是那些在視場(chǎng)附近存在比如行星或亮星團的天體。
現在，許多大中型望遠鏡都采用自適應光學(xué)系統，舉例來(lái)說(shuō)：第一個(gè)自適應光學(xué)系統---ADONIS，應用于歐洲南方天文臺（ESO）的3.6米望遠鏡；安裝于8米北半球雙子星（Gemini）望遠鏡的Hokupa'a自適應光學(xué)系統；應用于3.6米加拿大-法國-夏威夷望遠鏡（CFHT）的PUEO自適應光學(xué)系統；第一次實(shí)現激光引導星（見(jiàn)下文）, 安裝于西班牙卡拉阿托（CalarAlto）天文臺3.5米望遠鏡的ALFA自適應光學(xué)系統；雖然曾經(jīng)只利用自然引導星做自適應光學(xué)改正，但是很快開(kāi)始使用激光引導星，應用于里克天文臺的（Lick）3.5米沙因（Shane）望遠鏡的LLNL自適應光學(xué)系統；還有第一次應用于超大型望遠鏡凱克2號（Keck II）的Keck II 的自適應光學(xué)設備（AO facility）。另外有不少望遠鏡正在建設自適應光學(xué)系統，包括應用于甚大望遠鏡（VLT）的NAOS和SINFONI自適應光學(xué)系統。
激光引導星
為了克服引導星的限制，最有效的方法是人為制造一顆引導星，這也被稱(chēng)為激光導星（LGS）。大氣中間層的鈉原子或一些其他位于低層大氣的微粒都能夠反射脈動(dòng)的激光從而造成狹小的光斑。前者反射的光集中在90千米的高度（納共振），后者大概集中在10到20千米（瑞利漫散）。這樣一個(gè)人造引導星可以離目標星無(wú)限地近，波前傳感器通過(guò)測量反射的激光來(lái)糾正來(lái)自目標星光束的波前的扭曲。
美國的一些簽有軍事合同的實(shí)驗室已經(jīng)宣布人造激光引導星在國防部高級研究項目處Maui光學(xué)站的60厘米望遠鏡[Defense Advanced Research Projects Agency （DARPA）, Maui Optical Station （AMOS）]和美國空軍星火光學(xué)1.5米望遠鏡（U.S. Air Force Starfire Optical Range）上成功應用。他們都取得了大約0.15角秒的分辨率并證明了激光探測的可能。主動(dòng)戰略防御組織（SDIO）和美國海軍宣布在圣地亞哥的一臺1米望遠鏡上像分辨率提高了近10倍。而對于一些用于天文（非軍事）的系統來(lái)說(shuō)，美國第一次完成了人造引導星的天文觀(guān)測，另外還有應用于3.5米ARC望遠鏡的芝加哥自適應光學(xué)系統（ChAOS）。
目前激光引導星仍有很多物理上的限制。首先是焦點(diǎn)等暈現象，也被稱(chēng)為圓錐效應，這個(gè)問(wèn)題在發(fā)展的初級階段就相當明顯。因為人造引導星一般位于較低的高度，散射的光被望遠鏡收集形成錐形光束，但是這樣的光束和來(lái)自遙遠觀(guān)測對象的星光經(jīng)過(guò)的湍流層的路徑并不相同，這將導致相位估計錯誤。解決的方法是在觀(guān)測對象周?chē)瑫r(shí)使用多顆人造引導星。通過(guò)鈉共振技術(shù)可以減小誤差，最終效果相當于一臺8米望遠鏡利用距離觀(guān)測目標10"的引導星進(jìn)行修正后得到的效果。對于2/265米波長(cháng)9等的觀(guān)測對象，這樣的結果還算合理。
更嚴重的是圖像的移動(dòng)或傾斜。人造星的中心在天空中看來(lái)是不動(dòng)的，但是觀(guān)測對象的位置看起來(lái)是橫向移動(dòng)的（也被稱(chēng)為傾斜）。最簡(jiǎn)單的解決方法是給自適應光學(xué)系統添加傾斜矯正器，但是這受限于有限的光子數據。更復雜的解決方法是使用兩套自適應光學(xué)系統，一套用于觀(guān)測對象，一套用于人造引導星。光子數據將隨著(zhù)第二個(gè)自適應光學(xué)系統的應用而大大增加。
通過(guò)前面所說(shuō)的第二項技術(shù)，對自然引導星亮度的要求降低了，于是在觀(guān)測對象周?chē)业揭活w自然引導星的概率跟著(zhù)增大，也就是天空覆蓋率的增大（如果一臺8米望遠鏡在1到2微米波段觀(guān)測，天空覆蓋率大約是百分之八十）。很明顯，望遠鏡口徑越大，天空覆蓋率就越大，因為口徑的增大帶來(lái)的像分辨率的增大得到了充分利用。另一方面，它暗含著(zhù)很大的技術(shù)難度，因為要求所有的部件都是相同的（可變形透鏡、波前傳感器和人造引導星等）。
應用多色激光器也是解決星像傾斜的一種方法，但這只適用于高度90千米的鈉共振散射。多色激光器激發(fā)位于不同狀態(tài)的鈉原子并利用大氣對不同波長(cháng)的光折射率的微小差異來(lái)做出修正。其主要的不足是由電離層飽和而造成的有限的反射。多色光引導星不需要任何的自然引導星，天空覆蓋率達到了百分之一百，但目前的實(shí)驗情況并不十分理想。
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