自适应光学与图像校正

自适应光学及相关图像校正技术克服了地球大气造成的模糊，使地面望远镜能够接近其全口径所能达到的清晰图像。

Definition

自适应光学是一种利用传感器、控制系统和可变形元件对大气和仪器波前畸变进行实时校正的技术，并辅以图像校正技术，从湍流大气中恢复衍射极限细节。

Scope

该领域涵盖了对畸变波前的测量、实时校正它们的变形镜和控制回路、在缺乏天然恒星时提供参考光的激光导星，以及通过斑点成像和幸运成像等后处理方法从短曝光中恢复分辨率。

Sub-topics

• 变形镜与校正
• 激光导星
• 散斑成像与幸运成像
• 波前传感

Core questions

• 大气如何降低望远镜图像的质量？
• 畸变波前是如何实时测量和校正的？
• 当附近没有亮星时，如何获得参考源？
• 在没有校正回路的情况下，短曝光如何恢复高分辨率？

Key theories

大气湍流与视宁度

具有不同折射率的湍流空气层扰乱了入射波前，将分辨率限制在视宁度而非衍射极限，并定义了自适应光学必须克服的相干尺度和时间尺度。

闭环波前校正

波前传感器测量畸变，变形镜在反馈回路中每秒施加数百次相反的形状，从而恢复清晰的图像。

参考源与等晕性

校正需要在小的等晕角内有一个明亮的参考源，这促使人们使用激光导星和多参考系统来扩展校正视场。

Clinical relevance

自适应光学使大型地面望远镜在近红外波长下的分辨率能够与空间望远镜媲美或超越，从而能够清晰成像恒星形成区、银河系中心、系外行星和太阳系天体表面，并且对于正在建造的超大型望远镜至关重要。

History

Babcock于1953年提出了自适应光学，但直到20世纪80年代和90年代，随着快速波前传感器、变形镜和计算机的成熟，部分通过解密的国防工作，它才变得实用。此后，激光导星和日益复杂的系统使自适应光学成为大型望远镜的标准配置。

Key figures

• Horace Babcock
• Francois Roddier
• John Hardy

Seminal works

• hardy1998
• roddier1999

Frequently asked questions

为什么星星会闪烁，自适应光学如何提供帮助？

闪烁和模糊的产生是因为湍流空气以不断变化的量弯曲星光。自适应光学每秒测量这种畸变多次，并用柔性镜施加相等且相反的变形，有效地抵消大气的影响并使图像更清晰。

自适应光学是否使空间望远镜变得不必要？

它大大缩小了在近红外波长上的差距，在这些波长下，配备自适应光学的大型地面望远镜在分辨率上可以与空间望远镜媲美或超越。但空间对于大气阻挡的波长以及最宽广、最稳定的视场仍然至关重要，因此这两种方法仍然是互补的。