
Vverh: Vvedenie
Dalee: Deformiruemye zerkala
1. Poluchenie izobrazhenii pri turbulentnosti
- 1.1. Ideal'nyi teleskop
- 1.2. Funkciya rasseyaniya tochki
- 1.3. Kriterii razreshayushei sposobnosti
- 1.4. Opticheskaya peredatochnaya funkciya
- 1.5. Poluchenie izobrazhenii skvoz' atmosferu: dlinnye ekspozicii
- 1.6. Statistika turbulentnosti
- 1.7. Postoyannaya vremeni atmosfery
- 1.8. Izoplanaticheskii ugol
- 1.9. Mody Zernike
- 1.10. Statistika atmosfernyh koefficientov Zernike
1.1. Ideal'nyi teleskop
Forma izobrazheniya tochechnogo istochnika (zvezdy) v ideal'nom teleskope
bez atmosfery opredelyaetsya tol'ko difrakciei i opisyvaetsya
funkciei Eiri:
![]() |
(1) |
-
- intensivnost' sveta v fokal'noi ploskosti kak funkciya uglovoi koordinaty
;
-
- dlina volny sveta;
-
- diametr apertury teleskopa;
-
- tak nazyvaemaya funkciya Besselya.
Pervoe temnoe kol'co nahoditsya na uglovom rasstoyanii
ot
centra. Chasto eto rasstoyanie schitaetsya meroi razresheniya ideal'nogo
teleskopa.
Izobrazhenie
astronomicheskogo ob'ekta
mozhno rassmatrivat' kak mnozhestvo izobrazhenii tochek, kazhdoe
iz kotoryh opisyvaetsya funkciei Eiri. Eto mozhno zapisat' kak
svertku:
![]() |
(2) |

Vopros: Kak organichennoe difrakciei razreshenie zavisit ot dliny volny?
Vopros: Vychislite ogranichennoe difrakciei razreshenie chelovecheskogo glaza.
1.2. Funkciya rasseyaniya tochki
Chto proizoidet, esli teleskop ne idealen? Izobrazhenie tochechnogo
istochnika ne budet tak horosho, kak funkciya Eiri, razreshenie uhudshitsya
eshe sil'nee.
No uravnenie izobrazheniya vse ravno ostanetsya v sile! Takim obrazom,
funkciya rasseyaniya tochki (PSF)
- eto vse, chto nuzhno dlya harakteristiki izobrazheniya. Shirina PSF -
eto mera razresheniya.
Zamechanie 1.
My neyavno prodpolagaem, chto v privedennyh vyshe uravneniyah
opisyvaet izobrazhenie zvezdy edinichnoi intensivnosti, t.e.
integral
po
raven 1. Takim obrazom, uravnenie izobrazheniya sohranyaet polnyi
potok ot astronomicheskogo ob'ekta, tol'ko po-raznomu raspredelyaet
ego po pikselam.
Zamechanie 2. My predpolozhili, chto PSF imeet odinakovyi vid po vsemu polyu zreniya. Eto uslovie nazyvaetsya izoplanatizmom. Dlya astronomicheskih izobrazhenii eto ne vsegda spravedlivo, osobenno pri ispol'zovanii AO, tak kak PSF medlenno izmenyaetsya po polyu. V etom sluchae uravnenie izobrazheniya mozhno primenyat' k chastyam polya zreniya.
1.3. Kriterii razresheniya
Forma PSF mozhet byt' nepravil'noi; kak v etom sluchae kolichestvenno izmerit' razreshenie?
1. Polnaya shirina na urovne poloviny maksimuma (FWHM) PSF.
2. Chislo Shtrelya
,
to est' central'naya intensivnost' PSF po sravneniyu s central'noi
intensivnost'yu funkcii Eiri. Chem vyshe chislo Shtrelya, tem luchshe razreshenie.
Ogranichennoe difrakciei izobrazhenie - samoe luchshee, tak kak vsegda
.
3. Energiya v kruge.
Po opredeleniyu, integral PSF raven 1. Integral ot PSF v kruge radiusom
nazyvaetsya energiei v kruge. Eta harakteristika vazhna pri
nablyudeniyah slabyh ob'ektov, kogda neobhodimo kak mozhno luchshe
skoncentrirovat' fotony.
Primer PSF s ispravleniem turbulentnosti pokazan na risunke nizhe.

Vopros: Predpolozhim, chto PSF stala v dva raza uzhe, kak izmenitsya chislo Shtrelya?
Vopros:
Kakim budet chislo Shtrelya, esli polovine ob'ektiva ideal'nogo
teleskopa dat' fazovuyu zaderzhku v
?
1.4. Opticheskaya peredatochnaya funkciya
Drugoi sposob opisaniya uravneniya izobrazheniya - eto ispol'zovanie preobrazovanii Fur'e (FT, budem oboznachat' ih til'doi). Svertka stanovitsya proizvedeniem, i
![]() |
(3) |



nazyvaetsya opticheskoi peredatochnoi
funkciei
(OTF).
Ona opisyvaet izmenenie modulya i fazy FT ob'ekta v processe polucheniya
izobrazhenii. Modul' OTF nazyvaetsya
modulyacionnoi peredatochnoi funkciei (MTF).
Dlya astronomicheskih (nekogerentnyh) izobrazhenii,
.
Obychno MTF umen'shaetsya s uvelicheniem chastoty, poetomu melkie
(vysokochastotnye) detali v izobrazhenii oslablyayutsya i v konechnom schete
teryayutsya.
Izvestno, chto dlya lyuboi opticheskoi sistemy
dlya
, gde
nazyvaetsya chastotoi otsechki
,
- maksimal'nyi razmer apertury. Eto oznachaet,
chto informaciya o prostranstvennyh chastotah vyshe
bezvozvratno teryaetsya.
Chtoby uvidet' malen'kie ob'ekty, nuzhny bol'shie teleskopy!
Sootnoshenie mezhdu PSF i OTF - eto preobrazovanie Fur'e, poetomu
esli vy znaete odnu funkciyu, vy znaete i druguyu, eto razlichnye
predstavleniya odnogo yavleniya. Iz svoistv preobrazovaniya Fur'e sleduet,
chto
(normirovka PSF), i chto chislo Shtrelya proporcional'no integralu
OTF po chastotam.
Vopros: Kakoi minimal'nyi razmer teleskopa potrebuetsya, chtoby razreshit' zabor s promezhutkami mezhdu plankami 10 sm s rasstoyaniya v 5 km?
1.5. Poluchenie izobrazhenii skvoz' atmosferu: dlinnye ekspozicii
Atmosfernuyu turbulentnost' mozhno rassmatrivat' kak sluchainuyu fazovuyu
aberraciyu, prilozhennuyu k teleskopu. Eti aberracii postoyanno izmenyayutsya
so vremenem, i tak zhe vedet sebya PSF. Zdes' my rassmotrim srednyuyu
PSF, sootvetstvuyushuyu dlinnym ekspoziciyam. Iz teorii sleduet vyrazhenie
![]() |
(4) |





OTF atmosfery svyazana so statistikoi atmosfernyh fazovyh aberracii,
tak nazyvaemoi
fazovoi strukturnoi funkciei
(smotri sleduyushii razdel):
![]() |
(5) |
Vopros: Predpolozhim, chto forma atmosfernoi PSF - gaussova. Kakova sootvetstvuyushaya forma strukturnoi funkcii?
Vopros:
Zavisit li forma atmosfernoi PSF ot strukturnoi funkcii v oblasti, gde
and
?
1.6. Statistika turbulentnosti
Iskazhennyi atmosferoi volnovoi front mozhno predstavit' kak smyatyi list bumagi. Volna, prihodyashaya ot zvezdy, pered vhozhdeniem v atmosferu ploskaya. Zatem nekotorye ee chasti prohodyat cherez vozduh teplee srednego (men'shii pokazatel' prelomleniya) i uhodyat vpered, drugie chasti otstayut, i ploskii volnovoi front deformiruetsya. Zadacha adaptivnoi optiki - skompensirovat' eti iskazheniya. No vnachale my dolzhny opisat' ih v statisticheskom smysle.
Vozduh obladaet nekotoroi dispersionnoi sposobnost'yu, no obychno
etim prenebregayut, i vozmusheniya opticheskogo puti
rassmatrivayutsya kak ahromatichnye.
Odnako,
faza opticheskoi volny
sil'no zavisit ot dliny volny
!
Govorya o vozmusheniyah, my predpolagaem, chto ih srednee znachenie ravno
nulyu,
(uglovye skobki oboznachayut statisticheskoe usrednenie).
Hotya sluchainye processy, podobnye
obychno opisyvayutsya korrelyacionnymi ili kovaricionnymi funkciyami,
v issledovaniyah atmosfery predpochitayut
strukturnye funkcii.
Strukturnaya funkciya - eto srednyaya raznost' mezhdu dvumya znacheniyami
sluchainogo processa:

![]() |
(6) |
Vopros:
Kakovo sootnoshenie mezhdu strukturnoi funkciei i funkciei kovariacii
?
Vopros:
Kak atmosfernaya
zavisit ot
dliny volny
?
Kolmogorovskaya model'
turbulentnyh iskazhenii zadaet opredelennuyu formu fazovoi strukturnoi
funkcii, a imenno
![]() |
(7) |



Eta model', hotya ona i mozhet pokazat'sya primitivnoi, yavlyaetsya osnovaniem vsei teorii polucheniya izobrazhenii skvoz' turbulentnost', vklyuchaya adaptivnuyu optiku. Konechno, model' ploho rabotaet na bol'shih (bol'she neskol'kih metrov) i malyh (men'she 1 sm) rasstoyaniyah, no okazyvaetsya, chto eto ne ochen' vazhno.
Vorpos:
Kakovo srednekvadratichnoe razlichie atmosfernoi fazy na dline bazy
v radianah i v dlinah voln?
Vopros: Esli sm na dline volny 0.5 mikron, to chemu ravno
na dline volny 2.2 mikrona?
Teper' my podstavim etu model' v atmosfernuyu OTF dlya dlinnyh ekspozicii, i poluchim ee v forme:
![]() |
(8) |


![]() |
(9) |

Chislo Shtrelya atmosfernoi PSF tochno takoe zhe, kak dlya ideal'nogo
teleskopa diametrom
(eto prichina poyavleniya strannogo koefficienta 6.88)
Takim obrazom, dlya bol'shogo teleskopa
,
chislo Shtrelya ravno prosto
.
Vopros: Chemu ravno chislo Shtrelya dlya izobrazheniya s dlinnoi ekspoziciei dlya 4-m teleskopa pri kachestve izobrazheniya 1 sekunda na dlinah voln 0.5 i 2.2 mikrona?
Radius Frida
inogda otozhdestvlyayut s harakternoi shkaloi atmosfernyh vozmushenii.
Eto ne sovsem verno: my vidim, chto zakon Kolmogorova ne imeet
kakoi-libo harakternoi shkaly. Odnako, tol'ko vozmusheniya s razmerom
poryadka
imeyut znachenie dlya izobrazhenii s dlinnymi ekspoziciyami.
Na men'shih razmerah iskazheniya mnogo men'she, chem
, na bol'shih razmerah
stanovitsya takim bol'shim, chto
atmosfernaya OTF ravna nulyu.
Lokal'naya velichina turbulentnyh fluktuacii indeksa prelomleniya v
vozduhe opisyvaetsya strukturnoi postoyannoi indeksa prelomleniya
kotoryi izmeryaetsya v strannyh edinicah,
m
.
Zavisimost'
ot vysoty nazyvaetsya profilem turbulentnosti. Kachestvo izobrazheniya
zavisit ot summarnogo vliyaniya vseh sloev atmosfery:
![]() |
(10) |


.
Na etom risunke pokazan primer profilya turbulentnosti v otnositel'nyh edinicah v Serro Paranal (sploshnaya liniya). Dolya turbulentnoi energii do dannoi vysoty pokazana shtrihovoi liniei. Hotya v etom primere znachitel'naya chast' turbulentnosti skoncentrirovana v dvuh sloyah, vse zhe okolo 1/3 obshei energii ravnomerno raspredeleno po vsem vysotam.
Vopros: Ispol'zuya eto sootnoshenie,
naidite, kak
i kachestvo izobrazheniya zavisyat ot zenitnogo ugla
.
1.7. Atmosfernaya postoyannaya vremeni
Chasto turbulentnost' mozhno smodelirovat' kak ekrany,
dayushie postoyannyi sdvig fazy,
kotorye peremeshayutsya vetrom pered teleskopom. Znaya prostranstvennye
svoistva fazovyh ekranov (strukturnuyu funkciyu) i skorost' vetra,
mozhno ustanovit' vremennoe povedenie vozmushenii.
Atmosfernaya postoyannaya vremeni
opredelyaetsya kak
![]() |
(11) |


Vopros:
Vzyav tipichnoe znachenie
=20 m/s,
kakoi budet atmosfernaya postoyannaya vremeni na dlinah voln 0.5 i
2.2 mikrona pri kachestve izobrazheniya 1 sekunda?
Izobrazheniya astronomicheskih ob'ektov, poluchennye s ekspoziciyami
ili koroche, nazyvayutsya izobrazheniyami s korotkimi ekspoziciyami.
Oni sootvetstvuyut fiksirovannym (zamorozhennym) atmosfernym aberraciyam.
Dlya bolee dlinnyh ekspozicii aberracii usrednyayutsya, i dlya ekspozicii,
namnogo dlinnee
mozhno poluchit' PSF dlya dlinnyh ekspozicii.
1.8. Izoplanaticheskii ugol
Atmosfernaya PSF dlya dlinnyh ekspozicii ne zavisit ot napravleniya
(izoplanatichna), tak kak turbulentnost' i ee strukturnaya funkciya
statisticheski odinakovy v pole zreniya. Odnako momental'nye
atmosfernye fazovye aberracii zavisyat ot napravleniya: dlya
uglovogo rasstoyaniya 10 sekund smeshenie lucha zreniya teleskopa
v atmosfernom sloe na vysote 10 km sostavit 0.5 m.
Standartnoe opredelenie atmosfernogo izoplanaticheskogo ugla
- eto
![]() |
(12) |




Vopros: Chemu raven
izoplanaticheskii ugol dlya
dlin voln 0.5 i 2.2 mikrona pri kachestve izobrazheniya 1 sekunda?
Eto yavlenie predstavlyaet ochen' bol'shuyu problemu dlya adaptivnoi optiki, tak kak ono ogranichivaet rasstoyanie mezhdu opornoi zvezdoi i issleduemym ob'ektom. Okazyvaetsya, chto dlya bol'shinstva ob'ektov net podhodyashih (yarkih i blizkih) opornyh zvezd, poetomu neobhodimy iskusstvennye lazernye opornye zvezdy. Kak al'ternativnyi metod, dlya uvelicheniya ispravlyaemogo polya zreniya mozhno popytat'sya primenit' trehmernoe ispravlenie turbulentnosti ( mul'ti-sopryazhennuyu adaptivnuyu optiku, MCAO).
1.9. Mody Zernike
V optike aberracii chasto predstavlyayut summoi special'nyh polinomov, nazyvaemyh polinomami Zernike. Sluchainye atmosfernye aberracii mozhno predstavit' v tom zhe vide; odnako, koefficienty etih aberracii (rasfokusirovki, astigmatizma i t.d.) budut sluchainymi funkciyami, izmenyayushimisya so vremenem.
Polinomy Zernike
opredelyayutsya v polyarnyh koordinatah
na okruzhnosti s edinichnym radiusom
.
Oni harakterizuyutsya
radial'nym poryadkom
i azimutal'nym poryadkom
(dlya dannogo
,
prinimaet znacheniya ot 0 do
).
Chasto vmesto dvuh indeksov
i
ispol'zuetsya posledovatel'naya numeraciya s odnim indeksom
.
Dlya dannogo radial'nogo poryadka
sushestvuet
polinomov Zernike.
Pervye mody Zernike nazvany tak zhe, kak izvestnye aberracii, i imeyut prostoi smysl (smotri tablicu pervyh 15 mod Zernike).
Preimushestva ispol'zovaniya mod Zernike vytekayut iz togo, chto oni
yavlyayutsya ortonormal'nymi, to est' skalyarnoe proizvedenie
ravno 1, esli
i ravno nulyu v drugih sluchayah. Skalyarnoe proizvedenie opredelyaetsya
kak integral po aperture teleskopa:
![]() |
(13) |
Teper' lyubaya fazovaya aberraciya
vnutri zrachka teleskopa mozhet byt' predstavlena kak
beskonechnaya summa polinomov Zernike
![]() |
(14) |
![]() |
(15) |
Chasto ogranichennoe chislo mod Zernike uzhe daet dostatochno horoshee predstavlenie atmosfernyh aberracii. Esli eti mody ispravlyayutsya adaptivnoi optikoi, to poluchaetsya izobrazhenie s kachestvom, prakticheski neotlichimym ot opredelyaemogo difrakciei.
Moda porshen' sootvetstvuet postoyannoi faze, kotoraya ne vliyaet na izobrazhenie. Obychno eta moda ignoriruetsya.
Vopros: 4-m teleskop , rasfokusirovan na 1 mm.
Vychislite voznikayushuyu aberraciyu
dlya dlin voln 0.5 i 2.2 mikrona.
Vopros:
Predpolozhim, chto atmosfernaya aberraciya soderzhit tol'ko sluchainye
naklony s odinakovymi amplitudami
.
Zapishite sootvetstvuyushuyu fazovuyu strukturnuyu funkciyu.
Ortonormal'nost' mod Zernike predostavlyaet prostuyu vozmozhnost'
vychislit' dispersiyu fazy, prointegrirovannuyu po zrachku. Dlya odnoi
mody eto
.
Dispersiya vseh mod ravna summe kvadratov koefficientov, nachinaya s vtorogo
(porshen' isklyuchaetsya).
1.10. Statistika atmosfernyh koefficientov Zernike
V ramkah modeli turbulentnosti Kolmogorova my mozhem poluchit'
statisticheskie svoistva koefficientov
,
sootvetstvuyushih atmosfernym fazovym aberraciyam.
Matematicheskie preobrazovaniya privodyat k prostoi formule:
![]() |
(16) |

i \ j | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
2 | 0.449 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.0142 | 0 | 0 |
3 | 0 | 0.449 | 0 | 0 | 0 | 0.0142 | 0 | 0 | 0 |
4 | 0 | 0 | 0.0232 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
5 | 0 | 0 | 0 | 0.0232 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
6 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.0232 | 0 | 0 | 0 | 0 |
7 | 0 | 0.0142 | 0 | 0 | 0 | 0.00619 | 0 | 0 | 0 |
8 | 0.0142 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.00619 | 0 | 0 |
9 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.00619 | 0 |
10 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.00619 |
Kak vy vidite, matrica Nollya pochti diagonal'naya (odnako dlya
bolee vysokih poryadkov eto uzhe ne tak). Pochemu koefficient
otsutstvuet? Dlya kolmogorovskoi turbulentnosti on beskonechen!
Odnako pervaya moda (porshen') ne imeet znacheniya dlya izobrazhenii.
Vopros: Dlya 4-m teleskopa i kachestva izobrazheniya 1 sekunda, vychislite srednekvadratichnuyu amplitudu naklona v radianah (dlya dliny volny 0.5 mikron). Perevedite ee v srednekvadratichnuyu amplitudu dvizheniya izobrazheniya zvezdy. Zavisit li eta amplituda ot dliny volny?
Chto proizoidet, esli my ispravim pervye mody s pomosh'yu adaptivnoi
optiki? Sootvetstvuyushie koefficienty obratyatsya v nuli, i polnaya
dispersiya fazy umen'shitsya. Oboznachaya usrednennuyu po zrachku dispersiyu fazy
kak
, my zapishem
![]() |
(17) |

Polnaya neispravlennaya atmosfernaya fazovaya dispersiya (vse mody krome
porshnya) sootvetstvuet
.
Drugimi slovami, v teleskope s diametrom apertury
atmosfernaya fazovaya dispersiya sostavlyaet primerno 1 kvadratnyi radian.
Esli naklony ispravleny, to
.
Eto oznachaet, chto naklony sostavlyayut 87% polnoi dispersii fazy.
Ispravlyaya mody do radial'nogo poryadka 2, poluchim
,
radial'nyi poryadok 3 ostavlyaet neispravlennuyu dispersiyu
.
Kak vy vidite, dal'neishee umen'shenie dispersii fazy trebuet
ispravleniya vse bol'shego chisla mod Zernike.
Dlya bol'shogo chislo ispravlennyh mod
(
,
chto proishodit v real'nyh sistemah), ochen' polezna
asimptoticheskaya formula Nollya:
![]() |
(18) |
Vopros: Ispol'zuya znacheniya i
dannye vyshe, vychislite
.
Skol'ko mod nuzhno ispravit'? Optiki znayut, chto kogda ostatochnaya
faza men'she 1 radiana, kachestvo izobrazheniya priblizhaetsya k
ogranichennomu difrakciei. Teper' u nas est' vse, chtoby opredelit'
neobhodimoe chislo mod kak funkciyu diametra teleskopa, kachestva
izobrazheniya i dliny volny! Dostatochno zapisat'
i podstavit' syuda vse formuly ( popytaites' sdelat' eto!).
V rezul'tate poluchim
![]() |
(19) |
Vopros: Skol'ko mod Zernike neobhodimo ispravit' na 4-m teleskope dlya izobrazhenii na dlinah voln 0.5 i 2.2 mikrona pri kachestve izobrazheniya 1 sekunda?
Neobhodimo li ispravlyat' turbulentnost', ispol'zuya mody Zernike? Razumeetsya, net, fazovye aberracii mogut byt' izmereny i ispravleny s pomosh'yu lyubogo drugogo nabora bazovyh funkcii, ili voobshe bez vsyakih mod, neposredstvenno vozdeistvuya na volnovoi front. Okazyvaetsya, chto mody Zernike - eto vtoroi po kachestvu nabor mod (luchshii nabor nazyvaetsya modami Karunena-Loeva). Vybor zavisit ot chisla kontroliruemyh parametrov (mod), neobhodimogo dlya dostizheniya trebuemoi stepeni ispravleniya; dlya mod Zernike ono men'she, chem dlya lokal'nogo kontrolya volnovogo fronta.
Vyvody.
V etoi glave byli kratko izlozheny osnovy polucheniya izobrazheniya v
ideal'nom teleskope i s prisutstviem aberracii (PSF, OTF, ogranichenie
difrakciei, chislo Shtrelya). Zatem byli vvedeny osnovnye parametry
atmosfery, imeyushie otnoshenie k adaptivnoi optike (fazovaya strukturnaya
funkciya, kachestvo izobrazheniya,
,
postoyannaya vremeni i izoplanaticheskii ugol).
Issledovano razlozhenie sluchainyh fazovyh aberracii po modam Zernike.
Teper' my mozhem opredelit' chislo mod, kotorye neobhodimo ispravit'.
VVERH: Vvedenie
DALEE: Deformiruemye zerkala
Publikacii s klyuchevymi slovami:
adaptivnaya optika - atmosfera - volnovoi front
Publikacii so slovami: adaptivnaya optika - atmosfera - volnovoi front | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> |