大口径望远镜可见光近衍射极限成像新途径

自适应光学技术利用可改变面形的能动镜面实时补偿大气湍流、光学系统的波前像差，使光学系统具有自动适应外界条件变化、始终保持良好工作状态的能力，广泛应用于天文高分辨观测、激光大气传输和生物医学成像等领域。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，主要由专门的变形反射镜、倾斜反射镜、波前传感器和多类中继光学元件等组成。由于望远镜与自适应光学系统各自的光学元件多、光路距离长，导致天文高分辨成像系统存在体积庞大、静态像差大、光能利用率低等问题，不利于对暗弱星体的高时空波前探测与校正。为了克服以上缺陷，美国天文学家Beckers首次提出了变形次镜（Deformable Secondary Mirror, DSM）的概念，即将望远镜的次镜改造为变形镜用于波前校正，以实现望远镜与自适应光学系统的深度融合。此后，基于音圈电机的变形次镜(Voice Coil DSM, VCDSM)在MMT、LBT、Magellan和VLT等多座著名的大口径地基天文望远镜上率先得到应用，成功验证了变形次镜技术。与此同时，中国科学院光电所研制了一块73单元的压电驱动变形次镜(Piezoelectric DSM, PDSM)，并于2016年在1.8-m望远镜上首次对恒星观测，验证了压电驱动变形次镜技术路线用于天文观测的可行性。与VCDSM相比，PDSM的结构更为简洁，不需要额外的驱动器位置传感器、驱动器内部控制电子设备和冷却系统等。 

中国科学院光电所自适应光学研究团队介绍了光电所研制的新型241单元PDSM及其在丽江观测站1.8-m自适应望远镜上的应用。241单元变形次镜(PDSM-241)配备了一个直径为320 mm的石英反射镜，如图1所示，通光孔径为270 mm，包含241个压电驱动器，通过改变其镜面面形进行波前校正。PDSM-241自校正后的镜面像差RMS约为10 nm。图2展示了丽江1.8-m自适应望远镜的结构：PDSM-241与六足定位机构（Hexapod）组合在一起构成组合波前校正装置，实现大行程、高精度的精密跟踪与高阶像差校正。被大气湍流扭曲的恒星光束首先经过主镜反射，然后由PDSM-241、Hexapod组合波前校正装置进行波前畸变校正，之后通过第三镜反射到耐氏焦点的波前传感器和成像相机。

 
　

图1. (a) PDSM-241的结构框架；(b) 驱动器布局（通光口径: 270 mm）；(c) PDSM-241自整平后的波前像差图 

图2. 1.8-m自适应望远镜及光学平台示意图 

利用PDSM-241对波前像差的有效闭环校正，丽江1.8-m自适应望远镜获取了恒星的高分辨图像，其中可见光R波段（中心波长~640 nm）部分图像如图3所示，成像分辨力达到1.25倍衍射极限，成像斯特列尔比接近0.5。 

图3. 恒星HIP49669的可见光R波段短曝光图像(2022-04-28)。图像均以线性尺度展示，峰值经过归一化处理。 

(a) SR = 0.491, FWHM = 0.0937”；(b) SR = 0.481, FWHM = 0.0953” 

瞄准大口径光学望远镜的高集成度、高分辨力发展需求，该项研究在高性能压电驱动变形次镜的研制与天文观测应用方面取得了显著进展，使大口径地基望远镜的结构进一步简化，成像分辨力进一步提升。相关研究在天文观测、激光传输等领域具有重要价值。 

该工作以“High-resolution visible imaging with piezoelectric deformable secondary mirror: experimental results at the 1.8-m adaptive telescope” 为题发表在Opto-Electronic Advances 2023年第12期。该项工作获得了国家自然科学基金数理学部重点项目的支持。