本发明专利技术是液晶校正器和变形镜的双校正器自适应光学系统设计方法，目的是解决数米大口径望远镜的近红外～中红外宽谱段波前自适应校正成像的问题。该系统采用一个波前探测器、一个能工作于短波红外～中远红外波段的变形镜和能工作于近红外波段的液晶校正器；对变形镜闭环控制、液晶校正器开环控制，利用Zernike模式重构波前；其中变形镜校正前几十项Zernike低阶模式，然后将一级校正后的光束分为两束，其中长于950nm的长波波段已能达到高分辨率成像要求；而对于700nm～950nm波段的光束，再用液晶校正器做几十项之后的高阶Zernike模式的二级校正，从而在近红外～中红外全波段获得自适应光学高分辨成像。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于自适应光学领域，是液晶-变形镜的混合式自适应光学系统设计方法。该系统涉及液晶校正器、变形镜、快速振镜、波前探测器、自适应光学控制器和分色片等光学元件的组合，可以实现数米大口径望远镜的近红外～中红外宽波段波前自适应校正成像。
技术介绍
基于大口径地基望远镜的光波前自适应校正系统的功能是对入射光的畸变波前进行实时补偿校正，得到理想的光学成像。波前校正器是自适应光学系统的关键器件。传统的自适应光学系统只有一个波前校正器，其中采用变形镜的自适应校正系统具有响应速度快、光损耗低和工作光波段较宽的优势，但是变形镜的驱动器单元数和驱动量受到制造工艺的限制，很难做到千单元以上还保持足够的4μm～5μm的驱动量。故当望远镜接收的波前口径大于4米时，能量最强的也是大气湍流干扰最强烈的可见～近红外光波段，其波前畸变的空间频率或波前畸变峰谷值往往超出变形镜的调制范围。因此，有些大口径自适应光学系统提出了采用双变形镜的设计方法来解决驱动器单元数增多与驱动量之间的矛盾【D.GavelandA.Norton,Woofer-tweeterdeformablemirrorcontrolforclosed-loopadaptiveoptics:theoryandpractice,Proc.SPIE9148,91484J(2014).】，然而波前畸变中高频成分的影响会随着波长变短而凸显出来，即使是双变形镜的大口径自适应光学系统，大多仍应用在中红外波段，对于可见～近红外波段来说，变形镜校正器的能力欠佳。目前，液晶光调制器作为自适应光学系统的波前校正器已经发展得很成熟，与传统的变形镜相比，具有空间分辨率高、能在近红外波段匹配4米到8米口径望远镜的波前、调制量大、校正精度高、制备工艺成熟的优势。然而液晶校正器是通过控制折射率来改变光程、进而对波前进行调制的，由于液晶材料折射率变化量有限的问题，导致它不能在红外长波段工作【QuanquanMu,ZhaoliangCao,Novelspectralrangeexpansionmethodforliquidcrystaladaptiveoptics,Opt.Express18(21),21687-21696(2010).】，目前液晶自适应光学系统的校正成像波段是700nm～950nm近红外波段，也称I波段。因此，需通过结合变形镜实现向长波方向扩展的宽波段校正成像效果。通常大气湍流对中远红外波段的成像影响可以忽略，本专利技术主要解决数米大口径望远镜的近红外～中红外宽波段波前自适应校正成像的缺陷问题。本专利技术可以实现700nm～2500nm的宽波段校正成像，向长波方向大幅拓宽纯粹液晶自适应光学系统的成像波段范围，解决纯粹变形镜自适应光学系统难于在大口径近红外波段良好成像的问题。
技术实现思路
本专利技术提供一种液晶校正器和变形镜混合的双校正器自适应光学系统，目的是在数米大口径望远镜上实现700nm～2500nm的宽波段自适应校正成像，解决数米大口径望远镜在近红外～中红外宽波段波前自适应校正成像的缺陷问题。下面详述本专利技术。液晶校正器和变形镜混合的双校正器自适应光学系统采用一个波前探测器、一个能工作于短波红外～中远红外波段的变形镜和能工作于近红外波段的液晶校正器，对变形镜闭环控制、液晶校正器开环控制，利用Zernike模式重构波前。由于大气湍流对波前的干扰随着波长变短高频成分增强，所以采用驱动单元数弱势的变形镜校正波前畸变的低阶成分，然后将已消除波前畸变的长波光分束，在短波红外～中远红外波段的多个相机中直接成像，而分出的短波段光束进入液晶校正器再校正高阶成分，从而获得近红外波段的高分辨成像。考虑到成像相机的波段特性，将700nm～2500nm成像波段范围分为四部分：700nm～950nm的I波段，对应可见相机；950nm～1500nm的J波段，对应短波红外相机；1500nm～1900nm的H波段，对应中红外相机；1900nm～2500nm的K波段，对应中远红外相机。分别取λI＝800nm、λJ＝1200nm、λH＝1600nm和λK＝2200nm为四个成像波段的中心波长。畸变波前可以用由低阶到高阶排列的Zernike模式函数多项式表示，其低阶成分均方根(RMS)值较大，对成像分辨率影响显著，随着成分的阶数升高RMS值迅速减小，直至可以忽略其对成像的影响。当畸变波前中的前N项Zernike模式得到完全校正、残余的高阶波前畸变量RMS值时，成像分辨率可以达到望远镜的两倍光学衍射极限分辨率，此处λ代表成像波段的中心波长，则认为达到了自适应波前校正的要求。成像波段的残余高阶波前畸变量可以表示为【R.J.Noll,Zernikepolynomialsandatmosphericturbulence,J.Opt.Soc.Am.66(3),207(1976).】：这里N是已校正的Zernike模式数，D是望远镜的口径，r0是大气湍流强度的特征参数称为大气相干长度、以厘米为单位。对于强度为r0的大气湍流中望远镜接收到的口径为D的畸变波前，其畸变的剧烈程度可以近似描述为：将D口径的波前平均分割为以r0为直径的子波前，则子波前上只有倾斜而没有高阶畸变。因此r0越长对应的大气湍流越弱，而r0越短对应的大气湍流越强。为与大气相干长度r0的单位一致，(1)式中口径D的单位也取为厘米，此时残余高阶波前畸变量的单位为弧度。一般天文观测站址的条件，在中心波长λI＝800nm处的大气相干长度均能满足r0≥10cm。选择I波段的中心波长λI处的大气相干长度r0I＝10cm，根据r0与波长λ的6/5次方成正比的关系式【F.Roddier,AdaptiveOpticsinAstronomy(CambridgeUniversity,1999),Chap.1.】，可以计算出对应λJ＝1200nm、λH＝1600nm和λK＝2200nm三个成像波段中心波长处的r0值分别为r0J＝16cm、r0H＝23cm和r0K＝34cm。如果选择望远镜口径D为2米、将上述参量分别代入(1)式中，得出I、J、H和K四个成像波段对应的校正Zernike模式数N分别为NI＝102、NJ＝42、NH＝21、NK＝10,且有NI>NJ>NH>NK。利用变形镜和液晶校正器做低、高阶两级校正，其中变形镜校正前NJ项Zernike低阶模式，则可以通过波长950nm分色片将一级校正后的光束分为两束，其中长于950nm的长波波段的残余波前畸变RMS值已经≤0.14λJ，能达到此长波波段望远镜的两倍光学衍射极限分辨率；而对于700nm～950nm的I波段，再利用液晶校正器做NJ+1～NI项Zernike模式的二级校正，也可使I波段波前的残余畸变RMS值减小至0.14λI，从而在700nm～2500nm全波段均能达到该望远镜两倍的光学衍射极限成像分辨率。由于本专利技术中变形镜作为J、H、K三个成像波段的波前校正器，其需要校正的Zernike模式数只与J波段的光学参数相关，因此不考虑K波段的成像也能说明本专利技术的光学设计方法。下面以I、J、H三个成像波段的液晶-变形镜的混合式自适应光学系统的设计来详细说明本专利技术。如图1所示，系统由第一透镜1、快速振镜2、变形镜3、第一本文档来自技高网...
【技术保护点】
液晶‑变形镜的混合式自适应光学系统设计方法，其特征是：系统由第一透镜(1)、快速振镜(2)、变形镜(3)、第一分色片(4)、第二透镜(5)、第二分色片(6)、短波红外相机(7)、中红外相机(8)、第三透镜(9)、第四透镜(10)、第三分色片(11)、第五透镜(12)、第六透镜(13)、第四分色片(14)、波前探测器(15)、第七透镜(16)、薄型反射镜(17)、第八透镜(18)、PBS分束器(19)、液晶校正器(20)、第九透镜(21)、反射镜(22)、可移动反射镜(23)、第十透镜(24)、可见相机(25)组成；可见相机(25)接收700nm～950nm的I波段光束成像，短波红外相机(7)接收950nm～1500nm的J波段光束成像，中红外相机(8)接收1500nm～1900nm的H波段光束成像；分别取λI＝800nm、λJ＝1200nm、λH＝1600nm为三个成像波段的中心波长；第一透镜(1)的前焦点与所连接的望远镜输出光焦点重合，将望远镜的出瞳成像于快速振镜(2)上；快速振镜(2)将光束折轴45度反射到变形镜(3)；变形镜(3)又将光束折轴成水平光束，通过在950nm波长处分色的第一分色片(4)后分成互为垂直的两束，其中950nm～1700nm波段透过第一分色片(4)，经第二透镜(5)汇聚至1500nm波长处分色的第二分色片(6)，进一步分成950nm～1500nm的J波段和1500nm‑1700nm的H波段的两光束，其中950nm～1500nm的J波段光束透射第二分色片(6)，聚焦于短波红外相机(7)成像；1500nm～1700nm H波段的光束经过第二分色片(6)反射，聚焦于中红外相机(8)成像；而在第一分色片(4)处反射的垂直光束为400nm～950nm波段的光束，该垂直光束经过第三透镜(9)和第四透镜(10)缩束，使光束直径与700nm波长处分色的第三分色片(11)的口径匹配；经过第三分色片(11)后光束又分为反射和透射两束，其中反射光束为400nm～700nm可见波段用于波前探测，其通过第五透镜(12)和第六透镜(13)组成的4F系统进行扩束以与波前探测器(15)的口径匹配，再由与第三分色片(11)完全相同的第四分色片(14)反射，进入到波前探测器(15)中；再说透过第三分色片(11)的700nm～950nm的I波段光束透射第七透镜(16)、由薄型反射镜(17)折轴45度、偏心5mm通过第八透镜(18)，以使液晶校正器(20)反射回来的光经第八透镜(18)后能避开薄型反射镜(17)；PBS分束器(19)位于第八透镜(18)和液晶校正器(20)之间，PBS分束器(19)的作用是将进入液晶校正器(20)的光束滤为P偏振光，以满足液晶校正器(20)的工作条件，而且液晶校正器(20)与快速振镜(2)共轭配置保证入射的P偏振光没有抖动；液晶校正器(20)将P偏振光中的高阶畸变校正后反射再进入PBS分束器(19)，通过第八透镜(18)、第九透镜(21)，光束变为平行光到达与光轴成45度放置的反射镜(22)上，从而折轴90度，到达也与光轴成45度放置的可移动反射镜(23)上，使光轴再次折转90度，通过第十透镜(24)聚焦于可见相机(25)，使高阶畸变校正后的700nm～950nm的I波段光束成像；当畸变波前中的前N项Zernike模式得到完全校正、残余的高阶波前畸变量RMS值时，成像分辨率可以达到望远镜的两倍光学衍射极限分辨率，此处λ代表成像波段的中心波长，则认为达到了自适应波前校正的要求；残余的高阶波前畸变量可以表示为：这里N是已校正的Zernike模式数，r0是大气湍流强度的特征参数称为大气相干长度、厘米为单位，D是望远镜的口径、单位也取为厘米，残余高阶波前畸变量的单位为弧度；选择I波段的中心波长λI处的大气相干长度r0I＝10cm，根据r0与波长λ的6/5次方成正比的关系式，可以计算出对应λJ＝1200nm、λH＝1600nm两个成像波段中心波长处的r0值分别为r0J＝16cm和r0H＝23cm；选择将上述参量分别代入(1)式中，并确定望远镜口径D，得出I、J、H三个成像波段对应的校正Zernike模式数N分别为NI、NJ、NH，且有NI>NJ>NH；快速振镜(2)、变形镜(3)、短波红外相机(7)、中红外相机(8)、波前探测器(15)、液晶校正器(20)和可见相机(25)均与一台计算机相连结；计算机中存有自适应校正控制软件，其作用是：首先对波前探测器(15)获得的光学信号进行处理，将波前畸变表达为不同权重的Zernike模式函数多项式；然后将其中前2项Zernike模式函数多项式决定的波前整体倾斜数据反馈给快速振镜(2)以消除光束的倾斜抖动，将3～NJ项低阶Zernike模式函数多项式决定的波前数据反馈...
【技术特征摘要】
1.液晶-变形镜的混合式自适应光学系统设计方法，其特征是：系统由第一透镜(1)、快速振镜(2)、变形镜(3)、第一分色片(4)、第二透镜(5)、第二分色片(6)、短波红外相机(7)、中红外相机(8)、第三透镜(9)、第四透镜(10)、第三分色片(11)、第五透镜(12)、第六透镜(13)、第四分色片(14)、波前探测器(15)、第七透镜(16)、薄型反射镜(17)、第八透镜(18)、PBS分束器(19)、液晶校正器(20)、第九透镜(21)、反射镜(22)、可移动反射镜(23)、第十透镜(24)、可见相机(25)组成；可见相机(25)接收700nm～950nm的I波段光束成像，短波红外相机(7)接收950nm～1500nm的J波段光束成像，中红外相机(8)接收1500nm～1900nm的H波段光束成像；分别取λI＝800nm、λJ＝1200nm、λH＝1600nm为三个成像波段的中心波长；第一透镜(1)的前焦点与所连接的望远镜输出光焦点重合，将望远镜的出瞳成像于快速振镜(2)上；快速振镜(2)将光束折轴45度反射到变形镜(3)；变形镜(3)又将光束折轴成水平光束，通过在950nm波长处分色的第一分色片(4)后分成互为垂直的两束，其中950nm～1700nm波段透过第一分色片(4)，经第二透镜(5)汇聚至1500nm波长处分色的第二分色片(6)，进一步分成950nm～1500nm的J波段和1500nm-1700nm的H波段的两光束，其中950nm～1500nm的J波段光束透射第二分色片(6)，聚焦于短波红外相机(7)成像；1500nm～1700nmH波段的光束经过第二分色片(6)反射，聚焦于中红外相机(8)成像；而在第一分色片(4)处反射的垂直光束为400nm～950nm波段的光束，该垂直光束经过第三透镜(9)和第四透镜(10)缩束，使光束直径与700nm波长处分色的第三分色片(11)的口径匹配；经过第三分色片(11)后光束又分为反射和透射两束，其中反射光束为400nm～700nm可见波段用于波前探测，其通过第五透镜(12)和第六透镜(13)组成的4F系统进行扩束以与波前探测器(15)的口径匹配，再由与第三分色片(11)完全相同的第四分色片(14)反射，进入到波前探测器(15)中；再说透过第三分色片(11)的700nm～950nm的I波段光束透射第七透镜(16)、由薄型反射镜(17)折轴45度、偏心5mm通过第八透镜(18)，以使液晶校正器(20)反射回来的光经第八透镜(18)后能避开薄型反射镜(17)；PBS分束器(19)位于第八透镜(18)和液晶校正器(20)之间，PBS分束器(19)的作用是将进入液晶校正器(20)的光束滤为P偏振光，以满足液晶校正器(20)的工作条件，而且液晶校正器(20)与快速振镜(2)共轭配置保证入射的P偏振光没有抖动；液晶校正器(20)将P偏振光中的高阶畸变校正后反射再进入PBS分束器(19)，通过第八透镜(18)、第九透镜(21)，光束变为平行光到达与光轴成45度放置的反射镜(22)上，从而折轴90度，到达也与光轴成45度放置的可移动反射镜(23)上，使光轴再次折转90度，通过第十透镜(24)聚焦于可见相机(25)，使高阶畸变校正后的700nm～950nm的I波段光束成像；当畸变波前中的前N项Zernike模式得到完全校正、残余的高阶波前畸变量RMS值时，成像分辨率可以达到望远镜的两倍光学衍射极限分辨率，此处λ代表成像波段的中心波长，则认为达到了自适应波前校正的要求；残余的高阶波前畸变量可以表示为：这里N是已校正的Zernike模式数，r0是大气湍流强度的特征参数称为大气相干长度、厘米为单位，D是望远镜的口径、单位也取为厘米，残余高阶波前畸变量的单位为弧度；选择I波段的中心波长λI处的大气相干长度r0I＝10cm，根据r0与波长λ的6/5次方成正比的关系式，可以计算出对应λJ＝1200nm、λH＝1600nm两个成像波段中心波长处的r0值...
【专利技术属性】
技术研发人员：宣丽，李大禹，张佩光，王少鑫，曹召良，穆全全，杨程亮，姚丽双，刘永刚，彭增辉，徐焕宇，张杏云，王启东，王玉坤，孙飞，
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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