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光从天文对象必须穿越地球的湍流大气中,然后才可以通过地面望远镜拍摄。能够直接在理论上的最大角分辨率成像,必须使用的ROBO-AO的自适应光学系统采用先进的技术,如。
地面光学望远镜的角分辨率湍流大气中的降解效果是有限的。在的情况下的气氛中,一个典型的望远镜的角分辨率仅受限衍射, 即 ,感兴趣的波长λ,其主镜的孔径,D的大小除以。例如,哈勃太空望远镜(HST),一个2.4米的主镜,角分辨率在可见光波段〜0.04弧秒。的气氛是由在稍微不同的温度下的空气,因此,不同的折射率,不断混合。光波被弯曲,因为他们通过的不均匀的气氛。当望远镜在地面上的重点光波,瞬间的图像出现分散的,随着时间的函数。其结果,长曝光获取的图像使用地面望远镜 - 4倍的直径甚至望远镜ETER HST - 出现模糊,并有大约0.5至1.5弧秒的最好的角分辨率。
天文自适应光学系统补偿大气湍流的影响。首先,对输入的非平面波的形状决定使用波前传感器测量附近的一个耀眼的明星。接着,在光学系统中,如可变形反射镜的元素,被命令纠正的入射光波的形状。其他更正的速度足以跟上动态变化的气氛,最终产生衍射极限的图像通过望远镜看起来。
的波阵面传感器测量的保真度是基于如何传入的光的空间和时间采样1。更细的取样要求明亮的参考对象。虽然最亮的恒星可以作为参考对象成像目标,从几个到几十在最佳条件下的弧秒的路程,最有趣的天文目标没有足够明亮的恒星附近。一种解决方案是一个高功率的激光束聚焦的方向的天文目标来创造一个人工的参考公知的形状,也被称为“激光导星'。 ROBO-AO 2,3激光自适应光学系统采用一个10瓦的紫外线激光聚焦在距离10公里,以产生激光引导星。波前传感器测量的激光导星〜0.1弧秒,在1.5米望远镜的角分辨率的衍射极限的图像驱动的自适应光学校正。
大气湍流对天文成像的影响被首次发现世纪前由惠更斯和牛顿5。在20世纪50年代,最初的概念自适应光学系统设计,以弥补动荡的影响发表了独立,霍勒斯·巴布科克6和弗拉基米尔·林尼克7。美国国防部资助的第一个自适应光学系统的发展在20世纪70年代冷战时期的8颗外国卫星成像的目的。平民天文学界取得了进展开发系统,但在20世纪80年代后解密的军事研究自适应光学技术在1992年(注释9),有爆炸的数量和复杂性都在天文系统10。
与孔大于5米约第二十的可见光和红外线的望远镜今天的大部分已配备D自适应光学系统( 例如文献11-19)。随着望远镜越来越大,从而更能够收集光,有更大的收益时使用自适应光学分辨率和灵敏度。不幸的是,大望远镜的自适应光学系统是非常复杂的,并在其经营的限制,近红外波段,由于目前的技术,他们需要的技术支持人员的团队,经常用较大的观察间接费用,这些稀缺和宝贵的资源也有限的。
的大小光谱的另一端,有超过一百年在1-3米级的望远镜,但很少,这些都配有自适应光学系统。校正大气湍流,即使在较短的可见光波长,通过大气湍流的一个更小的体积( 图1),因为它们看起来变得易于处理与目前的技 术对这些较小的望远镜。湍流-的总量EP3受体激动剂诱导光学错误尺度的比例与望远镜主镜直径成反比的观测波长。可以使用相同的自适应光学系统的技术,用于用近红外光上的更大的望远镜,用可见光对中等大小的望远镜。此外,这种规模的许多望远镜是被改造的( 如文献20)或新建成完全的机器人,远程和/或自主能力( 如文献21),显着地提高这些设施的成本效益。如果配备了自适应光学系统,这些望远镜提供了一个强大的平台,以追求天文科学的许多领域,是不切实际或不可能的,否则大望远镜的自适应光学系统22。衍射有限的几十万人的目标23,24,长期监测25,26和快速的瞬态特性有针对性的调查,在拥挤的领域27,都是有可能的自适应光学系统对这些温和的孔。
为了探讨这一新发现的空间,我们已经设计并实施新的经济自适应光学系统为1-3米级望远镜,ROBO-AO(参考文献2,3, 图2)。至于与其他激光自适应光学系统,机器人-AO包括几个主要系统:激光系统;一套电子和一个仪器安装在望远镜的卡塞格伦焦点(后面的主镜; 图3),容纳一个高速快门光学,波前传感器,波前校正器,科学仪器和校准源。 ROBO-AO设计中所描述的说明了一个典型的激光自适应光学系统是如何在实践中运作。
机器人AO激光系统的核心是一个Q开关10-W紫外激光器安装在一个封闭的投影机组件侧上的望远镜。用激光,激光本身起投影机然后采用一个冗余的快门,除了激光的内部快门,额外的安全性;一个半波板来调整投影的线性偏振的角度;和一个上行链路小费-倾斜反射镜到两个稳定的明显的激光光束的位置在天空并校正望远镜挠曲。甲双凸透镜上一个可调聚焦阶段扩大的激光束,以填补一个15厘米输出光圈镜头,这是光学共轭的前端倾斜镜。的输出透镜聚焦的激光线的视线距离为10公里。由于激光脉冲(〜35 ns的长每隔100μs)通过大气传播距离投影机,瑞利散射的光子对望远镜( 图2B)关闭空气分子和回报的一小部分。返回的散射光子源自沿向上的整个路径的激光,否则将出现的条纹,它们将使得波阵面的测量不精确。内的自适应光学INSTrument,一个高速普克尔盒光学快门28被用于传输激光光只从仅有一个狭窄的切片周围的气氛的10公里的投影焦点返回,导致在激光作为光点出现。普克尔盒的切换是由相同的主时钟驱动作为脉冲激光,通过大气中的激光脉冲的往返时间,考虑到延迟。最终,大约只有通过波前传感器检测到在每万亿光子推出的。即便如此,这是辐射通量足以操作的自适应光学系统。
的紫外线激光器具有额外的好处,即对人眼的,主要是由于在角膜和透镜29的吸收看不见。因此,它是无法闪光盲的飞行员,被认为是所有可能的1类激光系统( 即不能在运行过程中产生有害的辐射水平,并免除任何控制措施,30)风险的人在上空的飞机,省去了位于酒店内的人的检举,通常需要由联邦航空管理局在美国31。不幸的是,激光破坏的可能性,一些在地球低轨道的卫星可能存在。出于这个原因,它被推荐用于安全和责任问题协调激光与一个适当的机构( 例如美国战略司令部(美国战略司令部)在美国32)。
波前传感器,其测量的输入激光光机器人AO卡塞格伦仪器内已知的Shack-Hartmann传感器33,并包括一个小透镜阵列,光学继电器和成像传感器。小透镜阵列的折射率的光学元件,平面一侧上,与方形凸透镜的另一侧上的一个网格。它位于在光学共轭位置的入射光瞳的望远镜。当“回光”从日E激光穿过的lenslest阵列,在阵列中的( 图4)的各透镜的焦点上的天空激光创建图像。然后这种图案的激光图像光学中继到的UV-优化的电荷耦合器件(CCD)摄像机。各图像的横向的xy位置给出的局部梯度的措施或“斜率”通过每个透镜阵列的光的波。的Robo-AO的各位置测量的信号 - 噪声比的取值范围从6至10,根据天顶角,看到条件(6.5电子在每个的四个像素中的检测器噪声的信号范围从100至200的光电子的每幅图像每测量)。
然后,计算出的光的波的整体形状由一个预先计算的波前重构矩阵乘以测量的斜坡。通过首先作出瞳孔的几何形状的模型,是由小透镜阵列劏重构矩阵创建。个人邻正常的基础上实现的功能(在这种情况下,磁盘的谐波功能到第 11径向为了,共75功能;文献34)超过横跨每个透镜的模型和一个2-D的最小二乘解的最佳拟合平面阵列中的计算。虽然这是一个近似的平均梯度,不同的是在实践中可以忽略不计的,在投影光瞳的边缘容易地处理的部分照射的透镜的几何形状与利益。单位振幅转换为每个基函数的边坡偏移量为每一个镜头,矩阵,由此衍生的影响。重构用奇异值分解的影响矩阵的伪逆矩阵,然后创建。一旦形状的光波中已知的术语的基组的系数,补偿逆形状可以命令上的高次波前校正器。进行测量的过程中,然后施加一个校正,并重复此周期一遍又一遍,是一个例子的一个不可分割的控制环路。机器人AO执行其控制环路1.2千赫的速率时,要保持与大气中的动态。小于1的比例因子(也被称为积分控制环路的增益),以及通常地接近0.6,被施加到校正信号,以维持稳定的控制环路,同时仍然最小的剩余误差校正光。
ROBO-AO内的高阶波前校正器是一种微机电系统(MEMS)的可变形反射镜35。 ROBO-AO使用120致动器调整的照射面的镜子,足够的空间分辨率,准确地满足计算的校正形状。致动器有一个最大的表面偏差的振幅为3.5μm,这对应于最多至7微米的光的相位补偿。在典型的天文观测站的大气条件,该补偿的长度大于5西格玛幅度的动荡引起的光学误差,因此导致在重大修正净空。此外,可变形反射镜可以补偿静电所产生的成本减少动态范围从仪器和望远镜的光学误差。
一个微妙的到使用激光探针的气氛是无法衡量的天文图像运动36。返回的激光光被视为从大致相同的位置,从它是投影并因此应该总是出现在相同的位置上的天空。在返回激光的光波通过波前传感器测量的任何整体倾斜,主要是通过机械的指向误差。的倾斜信号是用来驱动激光系统的上行链路小费倾斜反射镜,从而保持的Shack-Hartmann波前传感器上的图案中心。修正天文图像运动另案处理用科学的摄像头,解释如下。
ROBO-AO使用离轴抛物面(OAP)反映继电器光从望远镜的科学彩色摄像机( 图3)。中继路径包括一个快速前端倾斜校正镜以及一个大气色散校正器(ADC)37由一对旋转棱镜。 ADC的气氛,是不直接的影响:大气作为一个棱镜,折射光的波长的函数,在整体搭配效果越来越强的望远镜的观测对象,通过解决一个特定的问题,指出在海拔较低,造成图像 - 特别是那些已被削尖的自适应光学校正 - 出现在地平线垂直的方向拉长。该ADC可以添加一个相反的色散量传入的光,有效地否定大气的棱柱形分散体( 图5)的效果。结束时的OAP继电器是一种可见的二向色性,反射光的λ<950 nm到电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)相机,同时发送的红外光对红外相机。 EMCCD相机捕捉影像的能力,具有非常低的噪音38,39电子(检测器),帧速率,从而降低了内部曝光的图片议案,低于衍射极限的角分辨率。通过重新定心和堆叠的一系列这些图像,可以合成的长曝光图像,以最小的噪音罚款。 EMCCD相机也可以用来稳定运动图像上的红外线摄像头的成像的天文源的位置的测量可以用来连续命令的快速倾斜尖重新指向到期望的位置的图像。每个摄像头前的是一套一套合适的天文过滤器的滤光轮。
一个内部的望远镜和源模拟器集成到机器人AO系统作为一个校准工具。同时,它可以模拟紫外线激光聚焦在无穷远10公里,黑体源,匹配的主机望远镜的焦比和出瞳位置。第一ROBO-AO倍镜内指示所有的副镜,望远镜的自适应光学系统的光。折叠镜也安装在机动化的阶段可以被翻译满分的方式以显示内部望远镜和源模拟器。
虽然机器人AO系统的目的是在一个完全自主的方式操作,每个自适应光学观察的许多步骤可以手动执行。这一步一步的过程,随着一个简短的说明,在下面的章节中详细介绍。
1。观察前程序
2。高阶自适应光学校正
3。观察可见(事后登记校正)
4。在红外观察(可见的提示倾斜校正)
5。夜程序结束
6。处理图像
机器人AO激光自适应光学系统是用来补偿大气湍流,并产生在可见光的衍射限制的分辨率的图像,和 近红外波长。 图1A显示了一个明星的形象,看到红色光通过未补偿大气湍流的图像宽度为1.0弧秒。 图1B显示了相同的星自适应光学系统校正后的图像的宽度减少到0.12弧秒,略大于一个完美的图像的宽度为0.10弧秒,在这个波长上的1.5-m望远镜。第一的艾里环,X射线衍射的结果,可以看出,作为微弱的环状结构的核心周围的图像。这大大改善角分辨率,使发现的二进制和多星系统( 例如 图1C和 观察文献40)和更暗的恒星在密集的领域,如检测球状星团梅西埃3(在近红外的, 图6中看到),否则将是不可能直接查看通过大气湍流。太阳能系统对象的特点,如云木星以及其过境月亮Ganymede的( 图7)的表面,也可以看出,与激光自适应光学观察时有更大程度的清晰度。
图1。 (A)的长曝光图像通过未补偿大气湍流中我看到的一颗恒星,M,V = 3.5, 在可见光波段的自适应光学校正。每个数字代表一个1.5×1.5弧的第二个字段的视图上天空。波段(λ= 700 - 810纳米),在P60的1.5米望远镜在帕洛马天文台。在一半最大值处的全宽度(FWHM)为1.0弧秒(B)</ STRONG>明星(A)激光自适应光学校正的ROBO-AO系统。恒星图像的核心具有未补偿的图像的峰值亮度的15倍,并具有半峰全宽为0.12弧秒(C)双星, 米 V = 8.4,为0.14弧秒的分离是通过使用显示ROBO-AO自适应光学系统。在每一种情况下,尖部 - 倾斜引导进行目标本身。
图2。 ROBO-AO激光自适应光学系统。(A)的自适应光学和科学仪器安装在的机器人1.5米的P60帕洛玛天文台的望远镜卡塞格林焦点。本激光系统及辅助电子设备连接到(B)的Robo-AO UV激光束P望远镜管的相对两侧的平衡。的望远镜圆顶ropagating了。的长曝光照片在此,激光束是可见的,由于瑞利散射的空气分子的光的一小部分也散射回朝向望远镜被用来作为探针的气氛。激光束就会变成橙色的,因为UV光透射过的UV感光摄像头,用于拍摄照片的彩色滤光片的方式。 点击此处查看大图 。
图3。 ROBO-AO自适应光学系统和科学仪器。(A)的简化CAD模型。集中从望远镜二次反射镜( 橙色 )的光进入在中心的仪器通过一个小孔在被反射前由第一90度折叠镜朝向一个离轴抛物面(OAP)镜像的。此镜像望远镜的光瞳上的可变形反射镜表面。可变形反射镜反射后,UV分色分裂的激光光( 紫色 )和它定向到的激光的波前传感器。另外一个逆转的OAP反射镜内的波阵面传感器来校正非共同的路径引入的第一OAP镜反射的激光的10公里的共轭焦点的光学误差。的可见光和近红外光( 绿色 )通过紫外线分色OAP镜对由一个中继大气色散校正。然后,该光被反射的前端倾斜校正镜末期OAP反射镜的光聚焦朝向可见光分色。的可见光的分色反射可见光的光( 蓝 )的电子倍增CCD和发送的近红外光( 红色 )到折叠镜和最终的红外摄像机。合并后的紫外线,可见光和近红外光望远镜和源模拟器( 黄色 ),可向自适应光学系统和科学仪器将第一倍镜的方式。(B)相应的照片的工具包点击这里查看大图 。
图4。夏克-哈特曼传感器(A)的概念图。作为平面波穿过的小透镜阵列,以规则的图案形成的图像上的检测器( 蓝色 )。当一个非平面波穿过的小透镜阵列,波的局部梯度影响吨他由每个透镜阵列( 红色 )形成的图像的位置(B)模式的激光图像的Robo-AO的Shack-Hartmann波前传感器。的88个点中的每一个是从10公里如所形成的小透镜阵列的各透镜,望远镜光瞳的几何形状确定的整体图案形状的激光散射图像。每个图像的参考图像的位置( 程序1.6)给出了一个相对位移测量入射光波的局部梯度。 点击此处查看大图 。
图5。修正大气棱柱分散。自适应光学校正后的图像的11×16弧秒的子领域的球状星团梅西耶15日在望远镜仰角为45度。(A)自适应光学校正大气湍流的影响,大气棱柱分散依然影响着个别恒星的图像:图像清晰的地平线平行,而细长的垂直于地平线约1弧秒以上为λ= 400 - 950纳米。另外使用大气色散校正抵消大气棱柱形分散体(B)通过在两个方向上被回收,衍射限制的高分辨率成像的光谱带宽。
图6。图片的球状星团梅西耶3。(A)A 44×44圆弧的第二个字段的视图,长2分钟的未补偿的形象球状星团的核心梅西尔3在Z-波段(λ= 830 - 950纳米) (B)相同的I法师使用ROBO-AO揭示很多分,否则不能被视为与自适应光学校正。
图7。木星的图片。(A)A 0.033秒的未补偿快照木星(视直径为42弧秒)R-波段(λ= 560 - 670纳米)。(B)相同的图像与ROBO-AO激光自适应光学校正表面云的功能和更清晰的过境木卫三(Ganymede箭头)。
这里介绍的方法描述机器人AO激光自适应光学系统的手动操作。在实践中,机器人AO以自动化的方式操作;绝大多数的程序所控制的机器人的序列发生器,它自动执行相同的步骤。
ROBO-AO系统已经被设计为简单的复制,以温和的代价,与的材料(USD600K)和劳动,即使是1.5米望远镜的成本的一小部分。大约有20个世界各地的直径大于5米的光学望远镜,天文望远镜,预计在1-3米类数量远远超过一百年潜在的主机ROBO-AO克隆。在除了当前系统部署在P60的1.5米望远镜,希望很多克隆首先是正在开发的IGO望远镜2米42 在马哈拉施特拉邦,印度,和一个变种,使用明亮的恒星,而不是一个激光波前探测是是C在1米望远镜办法第十四条桌山,CA 43。衍射极限的科学的一场革命可能就在眼前。
作者宣称没有竞争的金融利益。
ROBO-AO系统的支持,合作伙伴机构,加州理工学院和大学之间的天文学和天体物理学中心,由美国国家科学基金会的补助金从批准号:AST-0906060,AST-0960343,山。古巴天文基金会和塞缪尔·奥欣的礼物。
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