中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

高对比度成像为系外行星探测等领域的关键技术，其终极目标是直接探测位于极强目标源近距离处的微弱光信号。在高对比度成像应用中，光学系统的波前畸变是制约系统成像对比度的关键。本文主要研究了光学波像差对高对比度成像系统的影响，其中高阶波像差是导致系统点扩散函数（point spread function，PSF）图像上产生散斑噪声，是制约超高对比度性能的关键因素。超高对比度成像应用通常需要高密度、千单元及以上的可变形镜（Deformable Mirror，DM）作为高精度波像差校正的执行单元。然而，受到地面集成装配工艺缺陷或空间环境辐射等潜在因素的影响，DM促动器容易出现不期望的“坏点”（非正常工作的促动器，Misfunctioned Actuator）或者甚至完全不工作的促动器，导致其部分区域不能够正常驱动DM的薄膜镜面产生形变。对此，本文针对DM上不同坏点分布模式对高对比度成像仪器开展了系统性的建模和影响分析，基于焦面迭代优化算法完成了系统性的理论研究和数值模拟仿真工作。
本文系统梳理了高对比度成像技术的研究背景与发展现状，设计并搭建了一套基于DM波像差闭环校正的高对比度成像仿真平台，重点模拟了促动器坏点对系统调制与校正性能的影响。在此基础上，本文采用随机并行梯度下降（Stochastic Parallel Gradient Descent，SPGD）数值优化算法，构建了“基准建立—像差引入—闭环校正—性能评估”的完整暗区优化仿真分析平台。首先建立系统预期的理论成像对比度，即利用SPGD算法对系统静态像差进行预校正，生成理想的高对比度成像“暗区”作为后续对性能影响评判和比较的基准。然后，在设定一定数量坏点起始状态，分别引入“随机位置、中心区域位置以及中心与边缘位置”三种不同的坏点分布模式，然后通过SPGD对上述存在坏点初始工况开展迭代优化校正，最终达到最优对比度（不收敛）。最后，系统比较校正后的暗区性能与初始无坏点的理论对比度基准，系统分析了坏点在不同位置和布局工况下，通过迭代优化之后，对系统最终成像对比度性能的影响。
研究结果表明：1）数值优化算法对典型的波像差具有良好的校正能力，在无坏点工况下，系统能够实现3.5×10−9的平均成像对比度。2）随机坏点多数分布在DM边缘位置时，对校正收敛的效果无影响，系统性能无明显衰退；3）当坏点分布于中心区域时，系统性能衰退较为显著，双象限优化对比度退化至9.0×10− 9，且靠近系统PSF中心区域突破10−8。4）当坏点同时分布在中心与边缘区域时，系统最终成像对比度性能退化程度弱于集中分布在中心区域工况，进一步说明坏点位于不同位置对系统的实际影响。因此得出以下结论：DM位于中心区域促动器故障对系统的影响远大于边缘区域，这对实际工程应用提供了重要指导，即应优先保障中心促动器的可靠性，并对其出现问题采取及时有效的故障预案。该研究系统性分析了DM促动器坏点对最终高对比度成像性能影响，对空间超高对比度成像的工程应用具有重要价值。