調適光學在業餘+OTCCD +主動+調適_AO ?

[cnnman]

感謝大家的建議...

[peter]

聽說有新的QHY 類似 AO ?
 不知道是否類似 sbig 方式  

這是 SBIG 
https://telescopes.net/store/telescope-accessories/astro-imaging-accessories/adaptive-optics/sbig-adaptive-optics-ao-x.html

AO-X

[peter]

目前 業餘 AO 是 調整某鏡片  tip-tilt

 
wiki


主動光學（Active optics）是一種應用於地面大型光學望遠鏡上的技術，通過促動器時時改變主鏡鏡面的形狀，
以修正由於重力、溫度和風力造成的鏡面本身的形變對成像帶來的影響。
主動光學是相對於被動光學而言的，它能夠主動地改變鏡面形狀，克服由此產生的光學畸變。
和修正大氣湍流帶來的波前扭曲的自適應光學不同，大口徑的主鏡難以承受高頻的調整，因而主動光學器件的工作頻率較低，約為每秒幾次到幾十次。


自適應光學 Adaptive optics
一項使用可變形鏡面矯正因大氣抖動造成光波波前發生畸變，從而改進光學系統性能的技術
調適光學的目的是修復大氣亂流等因素對光波波前的扭曲。調適光學首先要檢測波前扭曲情況，
然後通過安裝在望遠鏡焦面後方的一塊小型的可變形鏡面對波前實時進行矯正。可變形鏡面後安裝有促動器。
調適光學與主動光學不同
後者(主動光學) 通過改變主鏡的形狀調整因重力形變等因素造成的像質扭曲，
前者(調適光學) 用於補償大氣亂流帶來的影響。

目前安裝在口徑8米左右的地面大型光學天文望遠鏡上的可變形鏡面尺寸為8到20厘米，促動器數量為數百個到數千個不等，
每次調整要在0.5到1毫秒的時間內完成，否則大氣抖動將造成波前扭曲情況發生改變。
調適光學需要以很高的頻率調整鏡面形狀，因而可變形鏡面尺寸一般比較小，對材料的要求很高

[peter]

CLOUDYNIGHT  討論
 https://www.cloudynights.com/topic/482963-adaptive-optics-for-amateurs/


這  Orion SteadyStar Adaptive Optics Guider
 跟sbig  ao 是否類似 ?



The SBIG and Orion "adaptive optics" works more like the image stabilization in consumer cameras.

[peter]

光傲科技提供荷蘭OKO公司全套閉環自適應光學系統，用于實時修正光學系統的像差，產生精準的波面，應用領域包括科學儀器、天文光學、眼科光學、激光光學、光學對心系統等

http://www.light-all.com/content/zh-tw/product/spectra-imaging-optics/AO-optics.aspx


http://www.okotech.com/ao-systems


catwww4.pdf  

促動器可以修正波前變形
 鏡子能糾正我們的畸變有多好？
關於該問題的良好答案需要關於像差波前的空間和時間光譜的信息。膜鏡通常可以很好地校正平滑的連續像差。37-ch MMDM提供所有3階像差的高質量校正，並且在校正5階像差方面相當不錯。79-ch MMDM將校正高達5階的像差。具有19和37通道的PDM將以相對大的幅度校正低階像差。


https://youtu.be/5e2HoS3woy0

[peter]

AO-5 Product Preview - Stellar Products

http://www.stellarproducts.com/adaptive/AO5lit.htm

不知 跟先前sbig  ao 是否類似?

[peter]

AO
http://familystar.org.tw/index.php?option=com_smf&Itemid=45&topic=9055.0

[peter]

https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=3208

2014
https://www.cloudynights.com/topic/482963-adaptive-optics-for-amateurs/

[peter]

orion  AO  + OAG

https://www.telescope.com/Astrophotography/Astrophotography-Accessories/Orion-SteadyStar-Adaptive-Optics-Guider/pc/-1/c/4/sc/61/p/53076.uts

Orion SteadyStar Adaptive Optics Guider


=>  https://familystar.org.tw/index.php?option=com_smf&Itemid=45&topic=18587.0

[peter]

TI DLP MEM CHIP  不知道 能否修正波前 ?

Texas Instruments' DLP Pico chips

Pixel-Shifting DLP Chip
https://www.soundandvision.com/content/texas-instruments-chips



https://www.researchgate.net/figure/Pixel-shifting-on-DLP-technology-SAMPLING-SEQUENCE-In-figure-7-the-sampling-sequence-for_fig2_320166802

探測波前扭曲的傳感器一般採用夏克-哈特曼波前傳感器，由於讀出速度達到每秒數百次到上千次，因此需要藉助觀測目標附近一顆足夠亮的導星（通常要求亮於15等）來探測實際的波前扭曲。

Shack-Hartmann原理的波前传感器，主要用于实时测量大气湍流引起的波前失真


Shack–Hartmann wavefront sensor

WIKI
https://en.wikipedia.org/wiki/Shack%E2%80%93Hartmann_wavefront_sensor


https://www.researchgate.net/figure/Principle-of-the-Shack-Hartmann-wavefront-sensor-top-undistorted-wavefront-and_fig1_258516995


==

 Integrated adaptive optics system for small telescopes

https://skyandtelescope.org/sky-and-telescope-magazine/the-challenge-of-adaptive-optics/

[peter]

hartSci  AO

 HartSCI’s ClearStar AO™ system represents a paradigm shift in high resolution imaging.


沈：　　　細光纖測量星點的每個profile後再重組回去

[peter]

AI  判斷 大氣 波前扭曲情況 修復大氣湍流

大气湍流退化图像的复原研究

基于生成逆推的大气湍流退化图像复原方法
https://m.fx361.cc/news/2024/0218/23045232.html


2024-02-18崔浩然苗壮王家宝余沛毅王培龙

大氣湍流是影响远距离成像质量的重要因素。虽然已有的深度学习模型能够较好地抑制大气湍流引起的图像像素几何位移与空间模糊，但是这些模型需要大量的参数和计算量。为了解决该问题，提出了一种轻量化的基于生成逆推的大气湍流退化图像复原模型，该模型包含了去模糊、去偏移和湍流再生成三个核心模块。其中，去模糊模块通过高维特征映射块、细节特征抽取块和特征补充块，抑制湍流引起的图像模糊；去偏移模块通过两层卷积，补偿湍流引起的像素位移；湍流再生成模块通过卷积等操作再次生成湍流退化图像。在去模糊模块中，设计了基于注意力的特征补充模块，该模块融合了通道注意力机制与空间混合注意力机制，能在训练过程中关注图像中的重要细节信息。在公开的Heat Chamber与自建的Helen两个数据集上，所提模型分别取得了19.94 dB、23.51 dB的峰值信噪比和0.688 2、0.752 1的结构相似性。在达到当前最佳SOTA方法性能的同时，参数量与计算量有所减少。实验结果表明，该方法对大气湍流退化图像复原有良好的效果。


https://wenku.csdn.net/answer/40do8u4aqv?ydreferer=aHR0cHM6Ly93d3cuZ29vZ2xlLmNvbS50dy8%3D

[peter]

調適光學系統的運作流程大致如下：
a.  測量波前： 望遠鏡會對準一個明亮的參考星（稱為導星），或者用雷射在天空中製造一顆人工導星。
b.  檢測變形： 波前感測器Wavefront Sensor會測量來自導星的光波波前扭曲情況。
c.  即時校正： 這些數據會被傳送到電腦，電腦會即時計算需要修正的量，並控制一個可變形鏡面 deformable mirror 。
d.  修正波前： 可變形鏡面上的促動器會以極高的頻率（每秒數百到數千次）微調鏡面形狀，藉此抵銷大氣造成的波前扭曲。
e.  產生清晰影像： 經過校正後的星光波前恢復平整，最終在感光元件上形成清晰銳利的影像。

調適光學在業餘的使用 : 調適光學系統在專業天文台已是標配，但在業餘天文學領域，其應用仍存在一些挑戰：
a.  高昂的成本： 一套完整的調適光學系統包含了波前感測器、可變形鏡面、高速電腦運算單元等高精密組件，價格不菲，遠超出一般業餘愛好者的預算。
b. 技術複雜度：系統的安裝校準和操作需要專業知識，對業餘玩家來說門檻較高。
c. 口徑限制： 調適光學最能發揮作用的場合是大型望遠鏡，因為口徑越大，受大氣擾動影響越明顯。對口徑較小的業餘望遠鏡而言，其效益相對有限。

然而，這並不代表業餘天文學家完全無法從相關技術中受益。
以下是幾個值得關注的面向：

1. 主動光學與影像疊加
雖然真正的「調適光學」仍屬高階，但「主動光學」（Active Optics）的概念已經在一些業餘設備中有所體現。主動光學主要用於校正望遠鏡本身的重力形變、溫度變化或機械應力造成的像質扭曲，頻率比調適光學低。對於業餘天文攝影而言，最常見的「調適」方式是高速影像疊加（lucky imaging）。這項技術利用相機的高速快門，在數分鐘內拍攝數百甚至數千張短曝光影像。由於曝光時間極短，每張照片都可能捕捉到幾個「視寧度」良好的瞬間。軟體會自動篩選出最清晰的影像，並將它們疊加起來，從而獲得比單一長曝光照片更銳利的結果。這項技術尤其適用於行星、月球和太陽的攝影。

2. 導星系統的進化
儘管不是完整的調適光學，但高精度的自動導星系統在業餘天文攝影中扮演著至關重要的角色。自動導星系統會追蹤視野中的一顆亮星，並即時校正望遠鏡的追蹤誤差，確保星點在長時間曝光下不會拖曳成線條。這與調適光學中追蹤導星的原理有異曲同工之妙。

3. 軟體後製的輔助
對於沒有調適光學硬體的業餘天文攝影師來說，強大的後製軟體扮演著「事後調適光學」的角色。透過反卷積（deconvolution）等影像處理技術，可以一定程度上銳化影像，還原部分因大氣模糊而損失的細節。

對業餘天文攝影的影響 :
總結來說，調適光學在業餘天文學的應用仍處於萌芽階段，但其背後的原理和技術正在以不同的形式影響著業餘觀測：
1.  提升行星和月面細節： 即使沒有昂貴的調適光學硬體，高速影像疊加技術也能讓業餘天文攝影師拍出令人驚豔的行星表面細節，遠超傳統長曝光照片。
2.  強化深空天體解析度： 對於較亮的深空天體如行星狀星雲或球狀星團，高階的主動光學或影像疊加技術也能有效提高影像的銳利度。
3.  推動技術發展： 隨著科技進步調適光學的成本有望降低，未來或許會出現專為業餘市場設計的入門級套件，讓更多人能體驗到無大氣擾動的觀測效果。

給業餘愛好者的建議 :對於希望提升觀測品質的業餘天文愛好者，與其直接追求昂貴的調適光學設備，不如先從以下幾點著手：
1.  選擇好的觀測地點： 盡量選擇視寧度好的地點，遠離光害和城市熱島效應。高海拔地區或海邊通常有較穩定的氣流。
2. 投資高性能的赤道儀和自動導星系統： 穩定的追蹤是長時間曝光的基礎，能有效減少星點拖曳。
3.  學習高速影像疊加技術： 這是目前最經濟有效的「調適」方式，能顯著提升行星和月面攝影的品質。
4.  關注未來的技術發展： 隨著科技進步，可以關注市面上是否有針對業餘市場的調適光學套件或相關技術問世。

[peter]

1. 波前感測器Wavefront Sensor：如何「看」到波前扭曲？

波前感測器是調適光學系統的「眼睛」，它的任務是精確地測量被大氣扭曲後的星光波前。目前最常用且最穩定的波前感測器是夏克-哈特曼波前感測器（Shack-Hartmann Wavefront Sensor, SHWS）。

夏克-哈特曼波前感測器的原理 : 想像一下，一道來自遙遠恆星的完美平面光波（理想情況下），當它穿越地球大氣層時，就像是穿過一塊不平整的玻璃，波前會變得凹凸不平。夏克-哈特曼感測器就是用來測量這個「不平整」的程度。
它的核心構造是一個微透鏡陣列（microlens array），這是一個由數百甚至數千個微小透鏡組成的陣列。
    分割波前： 當扭曲的波前入射到微透鏡陣列上，每個微透鏡都會將波前分割成一個個小區域，稱為子孔徑（subaperture）。
    聚焦光斑： 如果入射到微透鏡上的波前是完美的平面波，那麼每個微透鏡都會將光線聚焦到其焦平面上的固定位置，形成一個個整齊排列的光斑陣列（spot array）。

    測量偏移： 然而，由於波前扭曲，光線會以微小的角度偏離原來的方向。因此，每個微透鏡聚焦後的光斑位置都會相對於理想位置產生偏移。

    計算斜率： 感測器後方的CCD或CMOS相機會捕捉到這個光斑陣列。電腦會即時計算每個光斑相對於理想位置的位移量（displacement）。這個位移量與入射光波在該子孔徑內的平均**斜率（slope）**成正比。

    重建波前： 透過分析所有子孔徑的斜率資訊，電腦可以利用數學演算法（例如Zernike多項式）**重構（reconstruct）**出整個扭曲的波前形狀。

簡單來說，夏克-哈特曼感測器不是直接測量波前的形狀，而是透過測量光線的傾斜角度來間接推算出波前的高度起伏。

2. 可變形鏡面deformable mirror ：如何「動」手修正？

可變形鏡面是調適光學系統的「肌肉」，它的任務是根據波前感測器測量到的數據，以極高的頻率改變鏡面形狀，從而抵銷波前扭曲。

可變形鏡面的原理

可變形鏡面通常由一個柔性反射鏡面和背後的數十到數千個**促動器（actuators）**組成。促動器是可獨立控制的微型馬達或驅動元件。

    接收指令： 電腦在重建出波前形狀後，會計算出一個「修正波前」，這個修正波前與大氣造成的扭曲波前正好相反。

    驅動促動器： 電腦將這些修正量轉換成對應的電壓信號，驅動可變形鏡面背後的每一個促動器。

    改變鏡面形狀： 這些促動器會精準地推動或拉動鏡面，使其表面產生微米（micrometer）甚至奈米（nanometer）級別的形變。

    抵銷扭曲： 透過這種方式，可變形鏡面可以即時產生一個與入射光波扭曲波前相反的「鏡像」形狀。當扭曲的星光波前反射到這個可變形鏡面上時，其凹凸不平的形狀就被「拉平」了。

    形成校正後波前： 最終，校正後的平面波前被送到望遠鏡的感光元件（如CCD相機），從而獲得清晰銳利的影像。

促動器的類型  : 可變形鏡面所使用的促動器有多種類型，其中最常見的是：
a.   壓電式促動器（Piezoelectric actuators）： 這是最常見的類型。壓電材料（PZT）在施加電壓時會產生形變。這種促動器反應速度快、精度高，非常適合用於高速的調適光學系統。
b.    MEMS微機電系統（MEMS-based）： 這些是透過半導體製程製造的微型鏡面，具有體積小、重量輕、成本較低等優點，但行程範圍（形變量）相對較小。

總結來說，調適光學系統的原理就是一個高速的閉迴路回饋系統：
波前感測器（眼睛） -> 電腦（大腦） -> 可變形鏡面（肌肉）

這個迴路以每秒數百到數千次的頻率不斷重複，即時追蹤並校正大氣擾動，讓地面望遠鏡的成像品質媲美太空望遠鏡。