自適應光學系統
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
自適應光學系統的實例教程
自適應光學的基本原理簡單但很強大。自適應光學系統使用一個波前傳感器來測量進入的波前。波前傳感器對進入的波前進行測量并計算校正值，然后將其應用于光學元件中，對波前進行實時校正。光學元件和系統的關鍵部分主要是一個由連接到光學表面的執行器陣列組成的可變形鏡，這個光學表面隨執行器的運動而變形。
可以基于如磁、靜電或壓電等不同的方法來驅動可變形鏡。如今，最常用的方法是微機電系統（MEMS）可變形鏡。最近，科學家們正在探索一些新的理論，如微光機電系統（MOEMS）和鐵磁流體反射鏡。
用超大型望遠鏡制作的 HIC59206 星的圖像，經過自適應光學系統的校正。來源：Wikimedia Commons。本文件經 Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license 授權使用。
使用 COMSOL 多物理場仿真軟件模擬自適應光學系統
使用多物理場仿真對自適應光學系統進行設計有很多好處，特別是對帶有不同 MEMS 執行器的可變形鏡進行設計。COMSOL Multiphysics 仿真軟件平臺是對這類自適應光學系統中的關鍵部件進行建模的理想工具。
自適應光學，特別是它在天文系統中的應用，曾經是我們多次在用戶年會上重點討論的話題。現代天體物理學是一門高科技科學，它從工業和研究之間的緊密聯系中獲取能量，用于解決宏大的科學項目中的各種工程挑戰。
天體物理學科學和工程的一個挑戰是開發大型先進望遠鏡，其鏡面直徑從幾米到高達 40 米。例如，目前正在夏威夷 Mauna Kea 天文臺建造的30 米望遠鏡，由于采用了創新的自適應光學系統，光學性能將比哈勃太空望遠鏡好近十倍。
展開 概述
這篇文章介紹了如何在OpticStudio中使用多重結構創建反射式自適應光學系統。本文詳細介紹了：
如何通過縮放光闌鏡面的偏心來模擬一組鏡面陣列
如何使用公差功能生成隨機的波前差來模擬大氣不均勻性對成像的影響
如何補償該影響引入的像差以得到最優的幾何和衍射點擴散函數
如何使用求解功能簡化系統的設置和調整參數的過程
（聯系我們獲取文章附件）
介紹
在本文介紹的自適應反射光學系統中，反射拋物鏡由多個子反射鏡組成，其中每個子反射鏡可以調整自身的空間位置和旋轉方向來一定程度的矯正像差。特別是對于處在大氣環境中的望遠鏡系統來說，自適應系統可以有效的降低大氣層不均勻性引入的像差。OpticStudio可以在非序列或混合序列模式下模擬自適應反射光學系統。本文將展示如何在序列模式下使用多重結構對該系統進行建模。
下圖兩幅動畫展示了序列模式下自適應光學系統中反射元件的傾斜和偏心：
首先，我們需要在系統輸入波前上引入隨機的波前差來模擬大氣不均勻性對輸入光的影響。其次，我們需要調整每個反射元件的z軸位置以及繞元件中點的旋轉角度，使像面上的像差最小。在下圖給出的2×2報告圖 (2×2 Report Graphic) 中，左上圖描述了系統在輸入波前上引入的隨機像差，它是由蒙特卡洛算法自動生成的隨機波前差。其中，其它圖表動畫對比了不同輸入波前差的情況下，自適應光學系統矯正像差之前和之后的幾何PSF和衍射PSF分析結果。
前提假設和設計目標
對于本文示例系統，我們作如下前提假設：
我們將只模擬望遠鏡的主鏡，即反射拋物面。不考慮望遠鏡系統中的其他元件，例如次級反射鏡等。這主要是為了減少示例的復雜度，但如果需要分析也可以快速添加。
每個子鏡面不會產生形變。這同樣是為了減少示例的復雜度，如需要也可快速添加。
展開 概述
激光在大氣湍流中傳輸時會拾取大氣湍流導致的相位畸變，特別是在長距離傳輸的激光通信系統中。這種畸變會使傳輸激光的波前劣化。通過在系統中引入自適應光學系統，可以對激光傳輸時拾取的低頻畸變進行校正，從而顯著提升傳輸激光的Strehl ratio。 圖1.激光通信系統示意圖系統描述 本例介紹了大氣湍流像差對應命令phase/random/kolmogorov以及自適應光學命令adapt的使用。大氣湍流對于激光波前的影響可以采用Kolmogorov功率譜模型表征：
其中 是波陣面的光譜功率，r0為可視參數， f是空間頻率，L0是外部尺寸， Li是內部尺寸，這些參數的單位分別為rad，m，m-1。
自適應模型中，假設所有的驅動器都是一樣的并且均勻分布在一個正方形的口徑中，用戶可以自定義驅動器影響函數的空間寬度。對于空間波長大于用戶自定義空間寬度的成分，自適應默認完全校正。
引入自適應光學系統后，經過大氣傳輸的激光光斑的初始Strehl ratio從0.04被顯著提升到了0.87。
模擬結果 圖2.經過大氣傳輸的激光波前分布，此時對應的Strehl ratio為0.04
圖3.經過自適應光學矯正后的大氣傳輸激光波前分布，此時對應的Strehl ratio為0.87
展開 概述
激光在大氣湍流中傳輸時會拾取大氣湍流導致的相位畸變，特別是在長距離傳輸的激光通信系統中。這種畸變會使傳輸激光的波前劣化。通過在系統中引入自適應光學系統，可以對激光傳輸時拾取的低頻畸變進行校正，從而顯著提升傳輸激光的Strehl ratio。
圖1.激光通信系統示意圖
系統描述
本例介紹了大氣湍流像差對應命令phase/random/kolmogorov以及自適應光學命令adapt的使用。大氣湍流對于激光波前的影響可以采用Kolmogorov功率譜模型表征：
其中w2(f)是波陣面的光譜功率，r0為可視參數，f是空間頻率，L0是外部尺寸，Li是內部尺寸，這些參數的單位分別為rad，m，m-1。
自適應模型中，假設所有的驅動器都是一樣的并且均勻分布在一個正方形的口徑中，用戶可以自定義驅動器影響函數的空間寬度。對于空間波長大于用戶自定義空間寬度的成分，自適應默認完全校正。
引入自適應光學系統后，經過大氣傳輸的激光光斑的初始Strehl ratio從0.04被顯著提升到了0.87。
模擬結果
圖2.經過大氣傳輸的激光波前分布，此時對應的Strehl ratio為0.04
圖3經過自適應光學矯正后的大氣傳輸激光波前分布，此時對應的Strehl ratio為0.87
展開 本文詳細介紹了：</span></p><ul><li><span style="color: rgb(63, 63, 63);">如何通過縮放光闌鏡面的偏心來模擬一組鏡面陣列</span></li><li><span style="color: rgb(63, 63, 63);">如何使用公差功能生成隨機的波前差來模擬大氣不均勻性對成像的影響</span></li><li><span style="color: rgb(63, 63, 63);">如何補償該影響引入的像差以得到最優的幾何和衍射點擴散函數</span></li><li><span style="color: rgb(63, 63, 63);">如何使用求解功能簡化系統的設置和調整參數的過程</span></li></ul><h2><strong style="color: rgb(0, 122, 170);">介紹</strong></h2><p><span style="color: rgb(63, 63, 63);">在本文介紹的自適應反射光學系統中，反射拋物鏡由多個子反射鏡組成，其中每個子反射鏡可以調整自身的空間位置和旋轉方向來一定程度的矯正像差。特別是對于處在大氣環境中的望遠鏡系統來說，自適應系統可以有效的降低大氣層不均勻性引入的像差。OpticStudio可以在非序列或混合序列模式下模擬自適應反射光學系統。本文將展示如何在序列模式下使用多重結構對該系統進行建模。
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