大口径望远镜的衍射极限可见光成像

(a) PDSM-241 简图。(b) 驱动器布局（净空孔径：270 毫米）。(c) PDSM-241 的自校正像差。来源：Opto-Electronic Advances (2023)。DOI: 10.29026/oea.2023.230039

《光电子技术进展》（Opto-Electronic Advances）的一份新出版物讨论了大口径望远镜的衍射极限可见光成像问题。

自适应光学技术中使用的可变形镜面可以改变其表面，从而即时纠正光学系统的静态波前像差和大气湍流波前干扰。这样，光学系统就能自动适应环境变化，保持最佳性能。高分辨率天文观测、激光大气传输和生物医学成像都广泛使用自适应光学系统。

传统的天文自适应光学系统通常安装在独立于望远镜的平台上，主要由特殊的可变形反射镜、尖端倾斜反射镜、波前传感器和中继光学元件等组成。由于通过的光学元件多、光路长，因此存在系统体积大、静态像差大、光能利用率低等问题。

因此，这种结构不利于在高时空频率下测量和校正暗星的波面。

美国天文学家贝克斯（Beckers）首先提出了可变形副镜（DSM）的概念，即把望远镜的副镜转换成可变形的镜面，用于波前校正，以此来解决上述缺陷。这一概念实现了望远镜与自适应光学系统的深度集成。

此后，包括 MMT、LBT、麦哲伦和 VLT 在内的众多著名大口径地面天文观测台都成功地使用了音圈可变形副镜（VCDSM），显示了 DSM 技术的可行性。

1.8 米自适应望远镜草图。

恒星 HIP49669（2022-04-28）的可见光短曝光（R 波段）图像，图像以线性比例显示，峰值归一化为 1。SR=0.491, FWHM = 0.0937"; (b). SR=0.481，FWHM = 0.0953"。来源：Opto-Electronic Advances (2023)。DOI: 10.29026/oea.2023.230039

与此同时，光学与电子学研究所开始了压电 DSM（PDSM）技术的研究。随后，研究人员研制出了第一台73单元的PDSM样机，并于2016年成功安装在1.8米望远镜上进行星空观测。

实验证明，PDSM 技术在天文观测中是实用的。与 VCDSM 相比，PDSM 结构更加紧凑，不需要任何额外的冷却系统、内部控制电子设备或执行器位置传感器。本文介绍了光学与电子学研究所研制的新型241单元PDSM及其在丽江天文台1.8米自适应望远镜上的应用，该项目得到了国家自然科学基金重点项目的支持。

PDSM-241 配有一个直径为 320 毫米的石英镜，其净空孔径约为 270 毫米，由 241 个压电致动器驱动，以改变其表面进行波前校正。PDSM-241 的自校正像差约为 10 nm。

丽江 1.8 米自适应望远镜的结构涉及一个组合式波前校正装置，它将 PDSM-241 和 Hexapod 结合在一起，可以实现大行程和高精度的跟踪和高阶波前像差校正。1.8 米望远镜的主反射镜反射被大气湍流扭曲的恒星光束，然后由 PDSM-241 和 Hexapod 对其进行尖端倾斜和高阶波前像差校正。最后，三级反射镜将光束反射到纳斯迈焦点的波前传感器和高分辨率成像相机。

丽江 1.8 米自适应望远镜利用 PDSM-241 的高效闭环校正功能获取了高分辨率的恒星图像。图为可见光 R 波段（中心波长 640 nm）的图像，其成像分辨率达到衍射极限的 1.25 倍，成像斯特雷尔比（SR）接近 0.5。

为了满足大口径光学望远镜高集成度和高分辨率的需求，这项研究在高性能压电可变形副镜的开发和天文观测应用方面取得了令人瞩目的进展。这进一步简化了大口径高分辨率光学望远镜的结构，提高了成像分辨率，在天文学领域具有重要的应用价值。

参考资料

Youming Guo et al, High-resolution visible imaging with piezoelectric deformable secondary mirror: experimental results at the 1.8-m adaptive telescope, Opto-Electronic Advances (2023). DOI: 10.29026/oea.2023.230039

本文由光电查搜集整理，未经同行评议，请自行判断可信度。仅供学习使用。