本发明专利技术属于自适应光学领域，是一种装备于大口径望远镜的光束折叠式紧凑型液晶自适应光学系统。采用多个离轴抛物面镜和反射镜组合替换透镜元件，达到缩小系统体积的目的。为高效利用光能，采用两个液晶校正器分别校正P、S偏振光。由于哈特曼探测器与两个液晶校正器为开环控制，在响应矩阵测量时必须切换为闭环控制，通过移动第四离轴抛物面镜14、利用光学参数完全相同的第一、第二分色镜5和18以及第一、第二纸屏22、23的光学组合，实现开环到闭环的光路切换，如图1所示，完成快速振镜4、第一液晶校正器10和第二液晶校正器11的响应矩阵测量，且光路切换前后三个校正器与哈特曼波前探测器19的光轴传递精度不受影响。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于自适应光学领域，是一种改进的光束折叠结构、紧凑型液晶自适应光学成像系统。涉及两个相同参数的分色镜设计，是离轴抛物面镜、反射镜、分色镜、PBS分束器等光学元件与液晶波前校正器、哈特曼波前探测器、自适应光学控制器的组合，具体地说是一种装备于大口径地基望远镜的光束折叠式高精度液晶自适应光学成像系统。
技术介绍
与望远镜连接的液晶自适应光学系统可以对大气引起的光学波前畸变进行实时补偿校正、恢复望远镜的高分辨率成像，因此在大口径地基望远镜中具有重要应用。但是，随着望远镜口径的增加，液晶自适应光学系统中的光学元件尺寸也相应增大，如果仍然采用简单的透射式结构则系统体积会显著增加。这些变化不仅增加了透射式光学元件的加工难度和系统制备后期的装调难度，对液晶自适应光学系统的运行条件也提出了更高要求。因此，中国专利技术专利申请文件(CN103969824A，CN103969825A)针对上述问题，提出采用反射式光学元件对光束进行折叠，大幅缩小系统结构。为高效利用光能，上述系统设置哈特曼探测器与液晶校正器为开环控制自适应光路，随之带来一个麻烦，即在启动自适应系统的初始化时必须切换为闭环控制自适应光路，以完成对液晶校正器响应矩阵的测量，相当于一般仪器的归零校准。这个切换要在哈特曼探测器之前移入一个与其光轴成45°角的反射镜，如图1所示，其中180即为该反射镜，在此系统中称为第五反射镜，19为哈特曼波前探测器，100为液晶校正器，当液晶校正器响应矩阵的测量结束后再将第五反射镜180移出光路，这样有可能造成进入哈特曼探测器的光轴移位或偏摆，产生液晶校正器响应矩阵的测量误差，使自适应系统的校正标准偏移，成像质量受影响；另外14为第四抛物面镜，切换为闭环控制自适应光路时第四抛物面镜14也须从光路中移出，但此元件的后续光路中只有成像CCD相机15，即使来回移动第四抛物面镜14对光轴对准精度略有影响，也只是使屏幕上的成像位置略有平移，不会造成图像质量下降；图1中的其它元件是，1为第一反射镜、2为第一抛物面镜，3为第二反射镜，4为快速振镜，5为以700nm波长分色的短波通分色镜，6为第二抛物面镜，7为第三反射镜，8为第一透镜，9为PBS偏振分束器，12为第四反射镜，13为第三离轴抛物面镜，14为可上下移动的第四离轴抛物面镜，15为成像CCD相机，16、17分别为第二、第三透镜，21为点光源氙灯，位于第一抛物面镜2和望远镜的共焦点处。液晶校正器响应矩阵的获得方法参见中国专利技术专利(ZL200610173382.3)，“无偏振光能量损失的液晶自适应光学系统”。在液晶自适应光学系统中要求哈特曼探测器与液晶校正器的光轴对准程度非常严格。因此在系统需要切换光路时，所移动的光学元件应该对二者间的光轴传递无任何影响才是最佳设计。
技术实现思路
本专利技术在哈特曼探测器之前设置一个分色镜来替代
技术介绍
系统中哈特曼探测器之前的反射镜，使测量液晶校正器响应矩阵时，从开环控制到闭环控制自适应光路切换也不会造成进入哈特曼探测器的光轴移位或偏摆，目的是提供一种装备于大口径地基望远镜的光束折叠式高精度液晶自适应光学成像系统。本专利技术的基本思想是，将图1中第五反射镜180替换为与分色镜5相同的光学元件，这样在测量液晶校正器响应矩阵时只需要移出第四抛物面镜14即可从开环切换到到闭环控制自适应光路，不会影响哈特曼探测器与液晶校正器之间的光轴传递，然后在透镜组16、17之间插入遮拦屏阻隔探测支路的光束进入哈特曼波前探测器19，保证只有经过液晶校正器作用的光束进入到哈特曼探测器中，准确测得液晶校正器的响应矩阵。为了更好地理解本专利技术，下面详述本专利技术的主光学系统。如图2所示，主光学系统由第一反射镜1、第一离轴抛物面镜2、第二反射镜3、快速振镜4、第一分色镜5、第二离轴抛物面镜6、第三反射镜7、第一透镜8、PBS偏振分束器9、第一液晶校正器10、第二液晶校正器11、第四反射镜12、第三离轴抛物面镜13、第四离轴抛物面镜14、成像CCD相机15、第二透镜16、第三透镜17、第二分色镜18、哈特曼波前探测器19、工控机20组成。望远镜的焦点24与第一离轴抛物面镜2共焦点，使从望远镜焦点24出射的发散光束到达第一离轴抛物面镜2处反射出平行光束，同时令第一反射镜1折叠望远镜焦点24到第一离轴抛物面镜2的光束；然后从第一离轴抛物面镜2反射出的平行光束由第二反射镜3再次折叠后到达与光轴成45°放置的快速振镜4上，快速振镜4的作用是对光波前倾斜进行自适应校正；去掉倾斜的光束可以无抖动地到达与所在光轴成45°放置的短波通第一分色镜5，第一分色镜5的作用是使望远镜接收的光能量按照波段分为两束，其中短波波段的光束透射、长波波段的光束90°折轴反射，形成互为垂直的长波光束和短波光束；透过的短波光束最终进入哈特曼波前探测器19，这段光路称为波前探测支路；而从第一分色镜5处90°折轴反射的长波光束经第一液晶校正器10和第二液晶校正器11分别自适应校正P、S偏振光的倾斜以外的波前高阶畸变、最终进入成像CCD相机15，这段光路称为校正成像支路。在波前探测支路，光路较短，通过共焦面的第二透镜16、第三透镜17进行缩束、形成直径与哈特曼波前探测器19的接收口径相同的平行光束，该平行光束透过光学参数与第一分色镜5完全相同的第二分色镜18而全部进入哈特曼波前探测器19。哈特曼波前探测器19的作用是探测快速振镜4校正了波前倾斜后的剩余光波前畸变，因此必须使快速振镜4与哈特曼波前探测器19共轭，即快速振镜4到第二透镜16的光路长度为第二透镜16的焦距，第三透镜17到哈特曼波前探测器19的距离为第三透镜17的焦距；第二分色镜18是与第一分色镜5完全相同的短波通分色镜，与光轴成45°放置，其作用是使透过第一分色镜5的探测支路短波光束能够最大限度透过进入哈特曼波前探测器19，另外还能在第四离轴抛物面镜14移出光路后，使第一分色镜5反射进入两液晶校正器10、11的光束也最大限度进入哈特曼波前探测器19，实现开环到闭环控制光路的简单切换，而不影响从第一液晶校正器10、第二液晶校正器11到哈特曼波前探测器19的光轴传递精度。在校正成像支路，光路较长，进一步分为两段：第一段是从第一分色镜5反射到入射第一液晶校正器10和第二液晶校正器11的入射光路，第二段是从第一液晶校正器10和第二液晶校正器11反射进入成像CCD相机15的反射光路；入射光路的光束首先由第二离轴抛物面镜6和第三反射镜7两次折束、偏心入射第一透镜8，且第二离轴抛物面镜6与第一透镜8共焦面形成缩束透镜组使光束直径调整为与液晶校正器接收口径相同本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种改进的光束折叠式液晶自适应光学成像系统的设计方法，其特征是：主光学系统由第一反射镜(1)、第一离轴抛物面镜(2)、第二反射镜(3)、快速振镜(4)、第一分色镜(5)、第二离轴抛物面镜(6)、第三反射镜(7)、第一透镜(8)、PBS偏振分束器(9)、第一液晶校正器(10)、第二液晶校正器(11)、第四反射镜(12)、第三离轴抛物面镜(13)、第四离轴抛物面镜(14)、成像CCD相机(15)、第二透镜(16)、第三透镜(17)、第二分色镜(18)、哈特曼波前探测器(19)、工控机(20)组成；辅助元器件有点光源(21)、第一纸屏(22)、第二纸屏(23)；第一离轴抛物面镜(2)的前焦点与望远镜的出射焦点(24)重合；第一分色镜(5)和第二分色镜(18)为光学参数相同的短波通分色镜，第一分色镜(5)的作用是使望远镜接收的光能量按照波段分为两束，其中短波波段的光束透射、长波波段的光束90°折轴反射，形成互为垂直的波前探测支路和校正成像支路，第二分色镜(18)的作用是使探测支路的短波波段光束透过进入哈特曼波前探测器(19)，另外还能在第四离轴抛物面镜(14)移出光路后，使通过两液晶校正器(10)、(11)的长波波段光束90°折轴反射进入哈特曼波前探测器(19)，实现开环到闭环控制光路的简单切换，而不影响从第一液晶校正器(10)、第二液晶校正器(11)到哈特曼波前探测器(19)的光轴传递精度；在波前探测支路，通过共焦面的第二透镜(16)和第三透镜(17)进行缩束、形成直径与哈特曼波前探测器(19)的接收口径相同的平行光束，该平行光束为短波光、能够透过第二分色镜(18)而全部进入哈特曼波前探测器(19)，快速振镜(4)到第二透镜(16)的光路长度为第二透镜(16)的焦距，第三透镜(17)到哈特曼波前探测器(19)的距离为第三透镜(17)的焦距；在校正成像支路，第二离轴抛物面镜(6)与第一透镜(8)共焦面；第三反射镜(7)的反射角度与第二离轴抛物面镜(6)的反射角度相同，使光束在到达第二离轴抛物面镜(6)前和从第三反射镜(7)出射后的光轴相互平行；第一透镜(8)的轴线相对第三反射镜(7)后的光束轴线上移一段距离，这段距离为第一透镜(8)焦距的0.035～0.052倍，使得通过第一透镜(8)的光束为偏心入射，然后产生2°～3°的倾斜出射，以这个入射角通过PBS偏振分束器(9)被分成透射P偏振光和反射S偏振光，分别在平行S偏振方向和P偏振方向设置第一液晶校正器(10)和第二液晶校正器(11)的e光光轴、即液晶取向方向；经两个校正器校正后的P、S偏振光束被反射回PBS偏振分束器(9)，出射后两光轴重合合束，且与入射光束的倾斜方向反向倾斜2°～3°再次偏心通过第一透镜(8)、并与入射光束分离、到达第四反射镜(12)，此处反射光路的光束完全与入射光路的光束分离；反射光路的光束被第四反射镜(12)、第三抛物面镜(13)折叠后，再次变为与哈特曼波前探测器(19)接收口径相同的平行光束入射到第四抛物面镜(14)上，经第四抛物面镜(14)汇聚于成像CCD相机(15)上；上述光路中的快速振镜(4)、哈特曼波前探测器(19)、第一液晶校正器(10)和第二液晶校正器(11)、成像CCD相机(15)均与工控机(20)相连，工控机(20)存有自适应控制软件；上述光路中的第四离轴抛物面镜(14)可以沿垂直方向上下移动，其中向上移动是为移出光路，向下移动是为进入光路；在自适应校正成像过程之前，需用哈特曼波前探测器(19)测量快速振镜(4)、第一液晶校正器(10)和第二液晶校正器(11)的响应矩阵，因此将点光源(21)放置在第一离轴抛物面镜(2)的前焦点处，同时将望远镜接收的光束截断使其不能进入系统光路；测量快速振镜(4)的响应矩阵，并将测得的响应信号按顺序排成响应矩阵存入工控机(20)的数据库中；然后分别测量第一液晶校正器(10)和第二液晶校正器(11)的响应信号：将第四离轴抛物面镜(14)从光路中移出，则使通过两液晶校正器(10)、(11)的长波波段光束经第二分色镜(18)90°折轴反射进入哈特曼波前探测器(19)中，在第二透镜(16)和第三透镜(17)之间插入第一纸屏(22)，截断被第一分色镜(5)透射的光束进入哈特曼波前探测器(19)，同时令快速振镜(4)只作为普通反射镜，用第二纸屏(23)插入PBS偏振分束器(9)和第二液晶校正器(11)之间，以截断通过第二液晶校正器(11)的光束，保证只有通过第一液晶校正器(10)的光束进入哈特曼波前探测器(19)，用一系列Zernike模式驱动第一液晶校正器(10)，在哈特曼波前探测器(19)上获得相应的一系列响应信号，将测得的第一液晶校正器(10)的一系列响应信号、按顺序排成响应矩阵存入工控机(20)的数据库中；然后将第二...
【技术特征摘要】
1.一种改进的光束折叠式液晶自适应光学成像系统的设计方法，其特征是：主光学系统由第一反射
镜(1)、第一离轴抛物面镜(2)、第二反射镜(3)、快速振镜(4)、第一分色镜(5)、第二离轴抛物面镜
(6)、第三反射镜(7)、第一透镜(8)、PBS偏振分束器(9)、第一液晶校正器(10)、第二液晶校正器
(11)、第四反射镜(12)、第三离轴抛物面镜(13)、第四离轴抛物面镜(14)、成像CCD相机(15)、第
二透镜(16)、第三透镜(17)、第二分色镜(18)、哈特曼波前探测器(19)、工控机(20)组成；辅助元
器件有点光源(21)、第一纸屏(22)、第二纸屏(23)；
第一离轴抛物面镜(2)的前焦点与望远镜的出射焦点(24)重合；第一分色镜(5)和第二分色镜(18)
为光学参数相同的短波通分色镜，第一分色镜(5)的作用是使望远镜接收的光能量按照波段分为两束，
其中短波波段的光束透射、长波波段的光束90°折轴反射，形成互为垂直的波前探测支路和校正成像支路，
第二分色镜(18)的作用是使探测支路的短波波段光束透过进入哈特曼波前探测器(19)，另外还能在第
四离轴抛物面镜(14)移出光路后，使通过两液晶校正器(10)、(11)的长波波段光束90°折轴反射进入
哈特曼波前探测器(19)，实现开环到闭环控制光路的简单切换，而不影响从第一液晶校正器(10)、第二
液晶校正器(11)到哈特曼波前探测器(19)的光轴传递精度；
在波前探测支路，通过共焦面的第二透镜(16)和第三透镜(17)进行缩束、形成直径与哈特曼波前
探测器(19)的接收口径相同的平行光束，该平行光束为短波光、能够透过第二分色镜(18)而全部进入
哈特曼波前探测器(19)，快速振镜(4)到第二透镜(16)的光路长度为第二透镜(16)的焦距，第三透
镜(17)到哈特曼波前探测器(19)的距离为第三透镜(17)的焦距；
在校正成像支路，第二离轴抛物面镜(6)与第一透镜(8)共焦面；第三反射镜(7)的反射角度与
第二离轴抛物面镜(6)的反射角度相同，使光束在到达第二离轴抛物面镜(6)前和从第三反射镜(7)
出射后的光轴相互平行；第一透镜(8)的轴线相对第三反射镜(7)后的光束轴线上移一段距离，这段距
离为第一透镜(8)焦距的0.035～0.052倍，使得通过第一透镜(8)的光束为偏心入射，然后产生2°～3°
的倾斜出射，以这个入射角通过PBS偏振分束器(9)被分成透射P偏振光和反射S偏振光，分别在平行
S偏振方向和P偏振方向设置第一液晶校正器(10)和第二液晶校正器(11)的e光光轴、即液晶取向方
向；经两个校正器校正后的P、S偏振光束被反射回PBS偏振分束器(9)，出射后两光轴重合合束，且与
入射光束的倾斜方向反向倾斜2°～3°再次偏心通过第一透镜(8)、并与入射光束分离、到达第四反射镜
(12)，此处反射光路的光束完全与入射光路的光束分离；反射光路的光束被第四反射镜(12)、第三抛物
面镜(13)折叠后，再次变为与哈特曼波前探测器(19)接收口径相同的平行光束入射到第四抛物面镜(14)
上，经第四抛物面镜(14)汇聚于成像CCD相机(15)上；
上述光路中的快速振镜(4)、哈特曼波前探测器(19)、第一液晶校正器(10)和第二液晶校正器(11)、
成像CCD相机(15)均与工控机(20)相连，工控机(20)存有自适应控制软件；
上述光路中的第四离轴抛物面镜(14)可以沿垂直方向上下移动，其中向上移动是为移出光路，向
下移动是为进入光路；
在自适应校正成像过程之前，需用哈特曼波前探测器(19)测量快速振镜(4)、第一液晶校正器(10)
和第二液晶校正器(11)的响应矩阵，因此将点光源(21)放置在第一离轴抛物面镜(2)的前焦点处，
同时将望远镜接收的光束截断使其不能进入系统光路；测量快速振镜(4)的响应矩阵，并将测得的响应
信号按顺序排成响应矩阵存入工控机(20)的数据库中；然后分别测量第一液晶校正器(10)和第二液晶
校正器(11)的响应信号：将第四离轴抛物面镜(14)从光路中移出，则使通过两液晶校正器(10)、(11)
的长波波段光束经第二分色镜(18)90°折轴反射进入哈特曼波前探测器(19)中，在第二透镜(16)和
第三透镜(17)之间插入第一纸屏(22)，截断被第一分色镜(5)透射的光束进入哈特曼波前探测器(19)，
同时令快速振镜(4)只作为普通反射镜，用第二纸屏(23)插入PBS偏振分束器(9)和第二液晶校正器
(11)之间，以截断通过第二液晶校正器(11)的光束，保证只有通过第一液晶校正器(10)的光束进入
哈特曼波前探测器(19)，用一系列Zernike模式...
【专利技术属性】
技术研发人员：宣丽，穆全全，曹召良，李大禹，刘永刚，杨程亮，姚丽双，胡立发，彭增辉，徐焕宇，张杏云，王启东，王玉坤，王少鑫，鲁兴海，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22
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