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    研究提出基于焦面復制方法的超級自適應光學系統非共光路波像差及靜態波像差校正技術

      系外行星與宿主恒星的光強對比度相差懸殊,通常在10-6~10-10量級,且兩者角距離多在一個角秒以內,對應儀器幾個衍射限(λ/D),這需要星冕儀充分發揮作用才能夠直接獲取系外行星的圖像,進而打開行星大氣光譜的研究窗口。在地基天文觀測中,超級自適應光學系統(簡稱ExAO)能夠將波像差校正到極限,從而保證星冕儀對恒星光抑制作用發揮到極致,包括對大氣擾動引入的動態波像差的實時校正(頻率高達上千赫茲)和系統自身的靜態波像差的精確控制。

      傳統自適應光學(AO)因波前探測光路和成像光路存在差異,被稱為非共光路波像差(Non-Common Path Error,簡稱NCPA)。由于波前檢測子系統無法檢測到成像子系統內的靜態像差,AO系統在閉環校正過程中也無法對其進行測量和校正。導致系統難以達到最佳的像質,限制地基星冕儀觀測性能。在用的ExAO系統觀測斯特列爾比(Strehl Ratio,SR)在紅外波段(2.2μm)可以達到0.9以上,星冕儀最佳成像對比度達到10-6@0.3-0.5″。

      針對上述技術難題,中國科學院南京天文光學技術研究所系外行星高對比度成像團隊自2009年起提出了一系列基于瞳面和焦面方法的靜態像差和非共光路像差校正技術。在此基礎上,該研究團隊提出并發展了一種基于焦面點擴散函數(Point Spread Function, PSF)復制的技術靜態像差校正技術。該技術能夠快速、精確的校正NCPA波像差,并對共光路部分存在的靜態像差作進一步修正。該技術的核心是,利用點光源產生的高質量PSF圖像作為參考圖像,通過迭代優化算法控制可變形鏡改變其面型,將參考PSF復制到AO系統科學成像路徑,實現對系統內靜態像差的校正。實驗結果表明,校正后SR從初始的0.312提高到0.995。該技術的特色在于其校正穩定、快速且能夠獲得全局的校正結果,特別適用于系統存在較大初始波像差的情況(多由變形鏡初始面型導致)。

      相關研究成果已經發表在2022年第3期《中國光學》上。研究工作得到國家自然科學基金系列重點項目項目以及載人空間站工程巡天空間望遠鏡系外行星成像星冕儀等的支持。

      論文鏈接 

    焦面PSF圖像與波前圖像(a):初始圖像,(b):校正后圖像,(c):參考圖像,(d)校正后的波前圖像


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