Приведение видимой Вселенной в фокус с Robo-AO

Влияние атмосферной турбулентности на астрономических изображений была впервые признана веков назад Христиан Гюйгенс ⁴ и Исаак Ньютон ^5. Первый концептуальный адаптивной оптики проектов, чтобы компенсировать влияние турбулентности были опубликованы независимо Гораций Бэбкок ⁶ и Владимир Линник ⁷ в 1950-х годах. Министерство обороны США тогда финансировал разработку первой адаптивной оптики систем в 1970-х годах с целью визуализации иностранные спутники во время холодной войны ^8. Гражданское астрономическое сообщество прогресс развивающихся систем в 1980-х годах, однако после рассекречивания военных исследований по адаптивной оптики в 1992 (см. ^9), произошел взрыв, в обоих количество и сложность астрономических систем ^10.

Большинство из примерно двадцати видимых и инфракрасных телескопов с апертурой сегодня более 5 метров equippeD с адаптивной оптики систем (например, ссылки. ^11-19). Как телескопы становятся больше, и, следовательно, более способные на сбор света, есть большие успехи в разрешение и чувствительность при использовании адаптивной оптики. К сожалению, большого телескопа адаптивной оптики систем чрезвычайно сложны и ограничены в своей деятельности в ближнем инфракрасном диапазоне за счет современных технологий, они требуют команд вспомогательного персонала, часто с большими накладными расходами наблюдения, и доступ к этим редким и ценным ресурсам также ограничены.

На другом конце спектра размеров, существует более ста телескопов в 1-3 классе метра, но очень немногие из них оснащены адаптивной оптики. Исправление атмосферной турбулентности, даже при коротких длинах волн видимого спектра, становится послушным с учетом современных технологий на этих небольших телескопов, потому что они смотрят через гораздо меньший объем атмосферной турбулентности (рис. 1). Общий объем турбулентности яnduced оптические весы ошибки практически пропорционально с телескопом диаметром первичного зеркала и обратно пропорциональна длине волны наблюдения. То же самое адаптивной оптики технология, которая используется в ближнем инфракрасном свете на больших телескопов можно использовать с видимым светом на скромных размеров телескопов. Кроме того, многие телескопы такого масштаба были либо модернизированы (например, исх. ²⁰⁾ или недавно построенных с полностью робота, дистанционное и / или автономных возможностей (например, ссылка ^21), что значительно повышает экономическую эффективность этих средств. Если оснащена адаптивной оптики, эти телескопы бы предложить убедительные платформы преследовать многих областях астрономической науки, которые в противном случае нецелесообразно или невозможно с большой телескоп адаптивной оптики системы ^22. Дифракционной целевые обследования десятков тысяч целями ^23,24, долгосрочный мониторинг ^25,26 и быстрых переходных характеристик в переполненном поля ²7, возможно с адаптивной оптики на эти скромные отверстий.

Для изучения этого нового пространства открытием, мы разработали и внедрили новые экономические адаптивно-оптической системы на 1-3 метра класса телескопов, Robo-AO (ссылки ^2,3; рис. 2). Как и в других лазерных адаптивных оптических систем, Robo-AO включает в себя несколько основных систем: лазерные системы; набор электроники, а также инструмент установлен на фокуса Кассегрена телескоп (за главное зеркало; рис. 3), что дома высокой скорости оптического затвора, датчик волнового фронта, корректоров волнового фронта, научных инструментов и калибровки источников. Robo-AO дизайн, приведенные здесь показано, как типичная лазерной адаптивной оптики система работает на практике.

Ядро Robo-AO лазерная система с модуляцией добротности 10-W ультрафиолетового лазера установлены в закрытых собраний проектор на стороне телескопа. Начиная с самого лазера, лазерныйПроектор затем включает в себя избыточные затвора, в дополнение к внутренним затвором лазера, для дополнительной безопасности; полуволновой пластинки для регулировки угла прогнозируемых линейной поляризации и восходящей чаевые наклона зеркала и стабилизации видимое положение лазерного луча на небе и для коррекции телескопа изгиб. Би-выпуклой линзы на регулируемом этапе фокус расширяет лазерный луч, чтобы заполнить 15 см выходной апертурой объектива, который оптически сопряженных с наконечником наклона зеркала. Выход линза фокусирует лазерный луч на линии прямой видимости расстояние до 10 км. Как лазерными импульсами (~ 35 нс каждые 100 мкс) распространяются через атмосферу от проектора, крошечная доля разброса фотонов Рэлея с молекулами воздуха и возвращение к телескопе (рис. 2В). Возвращение рассеянных фотонов происходят по всему пути вверх лазера, и в противном случае появляются в полосу, что бы сделать фронта измерения неточны. В адаптивной оптики инстrument, высокая скорость ячейки Поккельса оптического затвора ²⁸ используется для передачи лазерного света только возвращаются из только узкий срез атмосферы вокруг 10 км фокуса проектора, в результате чего лазерный появляется в месте. Переключение ячейки Поккельса управляется одними и теми же часами мастера, как импульсный лазер, с задержкой на счет за время прохождения лазерного импульса в атмосфере. В конечном счете, только примерно один из каждых трлн фотонов начала обнаруживается датчиком волнового фронта. Тем не менее, это лучистого потока достаточно для работы адаптивной оптики системы.

Ультрафиолетовый лазер имеет дополнительное преимущество, которое невидимо для человеческого глаза, в первую очередь за счет поглощения в роговицу и хрусталик ^29. Как таковая, она не в состоянии вспышки слепых пилотов и считается Класс 1 лазерной системы (т.е. не в состоянии производить разрушительных уровней радиации во время работы и освобождаются от любых мер контроля ³⁰⁾ для всех возможныхэкспозиции лиц в пролетавших самолетов, устраняя необходимость в человеческой сыщиков на территории, как правило, требуется Федерального авиации в США ^31. К сожалению, возможность для лазерных повредить некоторые спутники на низкой околоземной орбите может существовать. По этой причине, рекомендуется для безопасности и ответственностью относится к лазерной координации деятельности с соответствующим ведомством (например, с Стратегического командования США (USSTRATCOM) в США ^32).

Волнового фронта датчиком, который измеряет входящий лазерный свет в Robo-AO инструмент Кассегрена известен как Шака-Гартмана датчика ^33, и включает в себя массив линз, оптических реле и датчик изображения. Линз массив преломляющих оптических элементов, плоские, с одной стороны, с сеткой квадратный выпуклых линз, на другой стороне. Он находится в таком положении, оптически сопряженных с входным зрачком телескопа. Когда «возвращение света" из йэлектронной лазера проходит через lenslest массива, образы на небе лазерных создаются в фокусе каждого из линзы в массиве (рис. 4). Этот образец лазерного изображения, затем оптически передаются УФ-оптимизированный прибор с зарядовой связью (ПЗС) камеры. Боковое положение ху каждого изображения дает меру локальный градиент или "наклона" световой волны через каждую линзу массива. Отношение сигнал-шум каждой позиции измерения с Robo-AO колеблется от 6 до 10 в зависимости от зенитного угла и, увидев условия (6,5 электронов шума детектора в каждом из четырех пикселей с отношением сигнал в диапазоне от 100 до 200 фотоэлектронов на изображении в измерения).

Общая форма световой волны рассчитывается путем умножения измеренных склонов предварительно вычисленные матрицы реконструктор волнового фронта. Реконструктор матрица создана первая делает модель ученика геометрии, которая подразделяется на линзового растра. Индивидуальные ортонормированный базисфункции (в данном случае диск гармонических функций вплоть до ^11-го радиального порядка, в общей сложности 75 функций;. ссылка ³⁴⁾ реализуется по модели и 2-D наименьших квадратов решения наиболее подходящую плоскость через каждую линзу в массиве рассчитывается. Хотя это приближение к средним градиентом, разница незначительна на практике, с выгодой легко обработке геометрии частично освещенные линзы по краям прогнозам ученика. Влияние матрицы полученные таким, который преобразует единицы амплитуд для каждой базисной функции с наклоном смещение для каждого объектива. Реконструктор матрица будет создано путем принятия псевдо-обратной матрицы влияния использованием сингулярного разложения. Как только форма световой волны, как известно, в терминах коэффициентов базиса, компенсационные обратная форма может быть командовал на высоких порядков корректор волнового фронта. В процессе проведения измерений, то, применяя коррекцию, и повторять этот циклснова и снова, является примером интегрального контроля цикла. Robo-AO выполняет свой контроль цикла в размере 1,2 кГц, необходимо идти в ногу с динамикой атмосферы. Масштабный коэффициент (также известный как коэффициент усиления интегрального контроля цикла) меньше, чем 1, и обычно близко к 0,6, применяется для коррекции сигнала для поддержания стабильности управления циклом в то же время минимизировать остаточную ошибку исправил светом.

Старший корректор волнового фронта в Robo-AO является микро-электро-механических систем (MEMS) деформируемого зеркала ^35. Robo-AO использует 120 приводов для регулировки освещенной поверхности зеркала, достаточным пространственным разрешением, чтобы точно соответствовать расчетным исправление формы. Приводы имеют максимальную амплитуду отклонения поверхности 3,5 мкм соответствует оптическая компенсация фазы до 7 мкм. В обычных атмосферных условиях в астрономических обсерваториях, эта компенсация длины более 5 сигмаАмплитуда турбулентности индуцированные оптические ошибки и, следовательно, приводит к значительным запасом коррекции. Кроме того, деформируемого зеркала может компенсировать статические оптические ошибки, связанные с инструментом и телескоп за счет сокращения динамического диапазона.

Одна тонкость с помощью лазера в качестве зонда в атмосфере является невозможность измерения астрономических движений изображения ^36. Возвращение лазерного света рассматривается примерно с той же позиции, из которого он спроектирован и поэтому должна всегда появляться в том же месте на небе. Любой общий наклон измеряется в возвращении волны лазерного света на датчик волнового фронта преобладают механические ошибок наведения. Наклона сигнал используется для управления восходящей линии лазерной системы чаевых наклона зеркала, при этом сохраняя Шака-Гартмана картина сосредоточена на датчик волнового фронта. Исправление астрономических движений изображения обрабатываются отдельно с наукой камеры, как описано ниже.

Robo-AO используетчетыре внеосевых параболических (ОАП) зеркала для передачи света от телескопа на науку камер achromatically (рис. 3). Реле путь включает в себя быстрый наконечник наклона зеркала исправления, а также атмосферный корректор дисперсии (АЦП) ^37, состоящий из пары вращающихся призм. ADC решает конкретный вопрос, связанный с объектами наблюдения через атмосферу, которые не являются прямо над головой: атмосфера действует как призма и преломляет свет в зависимости от длины волны, при этом общий эффект становится все сильнее, как телескоп пункта ниже по высоте, в результате чего изображение – Особенно те, которые были заточены под коррекция адаптивной оптики – появляются вытянуты в направлении, перпендикулярном к горизонту. ADC можно добавить противоположное количество дисперсии входящего света, фактически отрицая влияния атмосферных призматических дисперсии (рис. 5). В конце реле OAP видимый дихроичным которая отражает свет λ <950 нм для электронно-умножение прибор с зарядовой связью (EMCCD) камеры во время передачи инфракрасного света к инфракрасной камеры. EMCCD камера имеет возможность захвата изображения с очень низким электронные (детектор) ^38,39 шума, с частотой кадров, что снижает внутри экспозиции изображения движения ниже дифракционного угловым разрешением. По повторного центрирования и укладки серии этих образов, с длинной экспозицией изображение может быть синтезирован с минимальным шумом казни. EMCCD камера может быть использована для стабилизации изображения движения на инфракрасную камеру; измерения положения отображаемого астрономических источников могут быть использованы для непрерывного командовать быстрый наконечник наклона повторно указать изображение в нужное место. Впереди каждой камеры представляет собой набор фильтров колеса с соответствующим набором астрономических фильтров.

Внутренние симулятор телескопа и источником интегрирована в Robo-AO система калибровки инструмента. Она может одновременно моделировать ультрафиолетовоголазерный фокус в 10 км и черного тела на бесконечности, соответствующие координационные отношение принимающей телескопа и положение выходного зрачка. Первый раз в зеркало Robo-AO направляет весь свет от вторичного зеркала телескопа на адаптивно-оптической системы. Раз зеркала также установлен на моторном этап, который может быть переведен из способов раскрыть внутреннюю телескопа и источником симулятор.

В то время как Robo-AO система предназначена для работы в полностью автономно, каждая из многих шагов наблюдения адаптивной оптики может быть выполнена вручную. Этот шаг-за-шагом процедуры, наряду с кратким объяснением, подробно описана в следующем разделе.