一种基于动态LUT液晶波前校正器的校正方法技术

本发明专利技术公开了一种基于动态LUT液晶波前校正器的校正方法，属于液晶波前校正领域。本发明专利技术方法通过搭建光路，构建LUT数据模型提供一种能克服温度起伏影响的、高精度的LUT计算方法，对各个温度下的相位调制特性进行测量，利用最小二乘拟合建立LUT数据模型，当环境温度变化后，通过当前空间光调制器工作的温度，代入LUT数据模型，得出合理的LUT数据。达到了对入射光进行波前校正的效果，克服了环境温度起伏导致液晶波前校正器相位调制精度降低的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种基于动态LUT液晶波前校正器的校正方法
本专利技术涉及一种基于动态LUT液晶波前校正器的校正方法，属于液晶波前校正领域。
技术介绍
商用的液晶空间光调制器以基于反射式的电寻址的硅基液晶(Liquidcrystalonsilicon,LCOS)为主，也有少量的光寻址的LCOS，还有透射式的约100左右像素的液晶器件；反射式电寻址的液晶空间光调制器(liquidcrystalspatiallightmodulator)根据其内部液晶的取向不同，可以分为两种：1)振幅型的液晶空间光调制器，这种液晶空间光调制器基本用于调制光强，例如，显示方面的用途。2)位相型的液晶空间光调制器，其中与液晶层接触的上下两层取向层的取向互相平行，液晶在其中的取向方向从上层到下次都是平行的，这种液晶空间光调制器多用于光学系统中，例如，用于自适应光学系统中用作波前校正器，因此，这里也叫做液晶波前校正器，其工作原理、特性和应用在文献【ZhangZ,YouZ,ChuD.Fundamentalsofphase-onlyliquidcrystalonsilicon(LCOS)devices[J].LightScience&Applications,2014,3(10):e213】上有介绍。液晶波前校正器可以用于地基大口径光学望远镜对天文目标进行高分辨率的成像观测。所观测的目标一般是恒星，一般比较暗弱。恒星的光到达地球大气层上时，可以认为是平面波；但地球表面有10到20公里厚度的大气层，一方面，由于阳光照射引起的温度起伏使得大气折射率不均匀，另一方面，大气本身有吸收，因此，大气对会对目标亮度进一步减弱，同时大气对光波前的动态扰动现象也降低了目标成像分辨率，严重影响成像质量。因此，人们利用自适应光学系统来克服大气湍流的扰动，自适应光学波前校正系统已经是米级以上口径光学望远镜的必要装备。大气自适应光学
中的光波前自适应校正系统，其功能是对连续入射望远镜的目标光畸变波前进行实时补偿校正，以得到理想的实时光学成像，其工作原理在【FrancoisRoddier,Adaptiveopticsinastronomy,CambridgeUniversityPress,1999,Parttwo】上有详述。自适应光学系统中一般利用波前校正器对畸变波前进行补偿，其中波前校正器包括变形镜、液晶波前校正器等。而与变形镜比，液晶波前校正器具有高像素密度的优势。利用液晶波前校正器还可以对入射的激光光束整形，得到所需要的光束。目前随着激光技术的应用越来越广泛，例如，激光武器、激光雷达、激光通信、激光汽车车灯、激光加工、激光核聚变、显微成像中的结构光、以及激光显示等领域，这些应用都需要高质量的激光光束，其能量需按要求分布，但是普通激光器出射的激光光束的光强呈现高斯分布，这限制了它的应用范围。因此，人们进行了大量研究，所采用的技术手段之一就是利用液晶空间光调制器对入射的激光束进行整形，得到符合要求的输出光束。以显微成像中的结构光为例，在照明光路中引入液晶空间光调制器和偏振片，在液晶空间光调制器上施加合适的图案，产生明暗(或黑白)间隔的条纹，经过物镜投影到样品上，在样品的聚焦平面上将受到条纹图案的结构光照明，与传统的照明相比，结构光照明可以提高成像的分辨率。在上述应用中，液晶波前校正器的驱动过程如下：首先，在通过计算机生成M×N像素的灰度图片G1，其中，M和N分别是液晶空间光调制器在x和y方向上的像素数；其次，将灰度图片通过驱动软件发送给液晶空间光调制器，此时，灰度图G1上各个像素的灰度G1i,j(0≤i≤M，0≤j≤N)通过LUT(look-uptable,查找表)查找到相应的灰度G2i,j(0≤i≤M，0≤j≤N)，从而得到灰度图G2；最后，通过驱动电路板内部的模数转换，将灰度图G2转换成相应的电压，施加在液晶波前校正器的各个像素上，从而对入射光进行调控。从上述过程可以看到，LUT是影响液晶波前校正器的相位调制特性的关键因素。而LUT是通过测量某一温度下的液晶波前校正器的相位调制特性得到的，所得到的LUT也只适合于该温度下工作，当温度变化时，该LUT会导致相位调制误差。液晶波前校正器的相位调制特性测量方法在文献【张亚超,胡立发,彭增辉,等.液晶波前校正器过驱动矩阵的测量方法研究[J].液晶与显示,2014,29(5),709-715.】上有详细介绍。LUT受温度影响是由于液晶对温度比较敏感：温度过低它成了固态，温度过高它成了各向同性的液态，液晶相态只能存在于一定的温度区间；而且处在液晶相时，其电光特性与环境温度密切相关，这在文献【胡立发,彭增辉,王启东,等.纯位相液晶调制器的响应特性计算[J].液晶与显示,2017,32(3):182-189】中有详细描述。在自适应光学应用中，一天内不同时间段、甚至不同季节进行实验时，不可避免存在环境温度的起伏；如果在外场进行实验，温度起伏会更剧烈一些。因此，人们将安装了液晶波前校正器的自适应光学系统置于库徳(Coude)房内，可以适当地降低温度的波动，但仍然存在室温附近小范围内的起伏可能。然而液晶材料对温度的影响比较敏感，温度的起伏会导致其响应速度、相位调制深度、特别是LUT(Look-uptable,查找表)发生变化，从而影响液晶波前校正器的相位调制精度等电光特性，而这些特性对于液晶波前校正器的应用非常关键。另一方面，商用的液晶波前校正器一般没有控温装置，而Meadowlark公司的液晶波前校正器也只有加温装置，防止温度过低；同时，商业液晶波前校正器的LUT在出厂时是某一室温和波长下设置好，实验时一般没有改变。由此可见，一般的液晶波前校正器不具备克服温度起伏的能力，在应用过程中温度变化会导致其相位调制精度会降低，影响其实际应用效果。因此，克服温度起伏导致的相位调制精度下降，也是液晶波前校正器在应用中需要解决的重要问题。
技术实现思路
为了解决上述问题，克服温度对液晶空间光调制器相位调制精度的影响，本专利技术提供一种基于动态LUT液晶波前校正器的校正方法。通过搭建光路，构建LUT数据模型提供一种能克服温度起伏影响的、高精度的LUT计算方法，对各个温度下的相位调制特性进行测量，利用最小二乘拟合建立LUT数据模型，当环境温度变化后，通过当前空间光调制器工作的温度，代入LUT数据模型，得出合理的LUT数据。本专利技术的技术方案：通过构建一个LUT数据模型，当环境温度变化后，通过搭建光路、构建一个LUT数据模型，当环境温度变化后，通过当前液晶波前校正器工作的温度，代入LUT数据模型，得出合理的LUT数据：(1)在液晶波前校正器的工作环境温度为T1时，在波长λ测量液晶波前校正器在不同灰度下的光强响应；(2)将光强随灰度级的变化变换成相位随灰度级的变化；(3)将所得到的相位随灰度级的变化曲线变换成单调的曲线；(4)从高电压对应的灰度级一端开始，取一个波长对应的相位，把它按量化级次N分成N个灰度，其中N必须小于等于256，得到灰度-灰度曲线，即温度为T1时、波长λ时的LUT表；(5)当液晶波前校正器的工作环境温度变为TN后，重复上述步骤，能够得到该温度下、波长λ下的LUT表；(6)将得到的不同温度下LUT数据进行最小二乘拟合，得到不同温度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于动态LUT液晶波前校正器的校正方法，其特征在于，所述的方法是通过搭建光路、构建一个LUT数据模型、LUT数据模型验证，当环境温度变化后，通过当前液晶波前校正器工作的温度，代入LUT数据模型，得出合理的LUT数据；所述的LUT数据模型的构建步骤为：(Ⅰ)在液晶波前校正器的工作环境温度为T1时，在波长λ测量液晶波前校正器在不同灰度下的光强响应；(Ⅱ)将光强随灰度级的变化变换成相位随灰度级的变化；(Ⅲ)将所得到的相位随灰度级的变化曲线变换成单调的曲线；(Ⅳ)从高电压对应的灰度级一端开始，取一个波长对应的相位，把它按量化级次N分成N个灰度，其中N必须小于等于256，得到灰度‑灰度曲线，即温度为T1时、波长λ时的LUT表；(Ⅴ)当液晶波前校正器的工作环境温度变为TN后，重复上述步骤，能够得到该温度下、波长λ下的LUT表；(Ⅵ)将得到的不同温度下LUT数据进行最小二乘拟合，得到不同温度下LUT的数学模型。

【技术特征摘要】
1.一种基于动态LUT液晶波前校正器的校正方法，其特征在于，所述的方法是通过搭建光路、构建一个LUT数据模型、LUT数据模型验证，当环境温度变化后，通过当前液晶波前校正器工作的温度，代入LUT数据模型，得出合理的LUT数据；所述的LUT数据模型的构建步骤为：(Ⅰ)在液晶波前校正器的工作环境温度为T1时，在波长λ测量液晶波前校正器在不同灰度下的光强响应；(Ⅱ)将光强随灰度级的变化变换成相位随灰度级的变化；(Ⅲ)将所得到的相位随灰度级的变化曲线变换成单调的曲线；(Ⅳ)从高电压对应的灰度级一端开始，取一个波长对应的相位，把它按量化级次N分成N个灰度，其中N必须小于等于256，得到灰度-灰度曲线，即温度为T1时、波长λ时的LUT表；(Ⅴ)当液晶波前校正器的工作环境温度变为TN后，重复上述步骤，能够得到该温度下、波长λ下的LUT表；(Ⅵ)将得到的不同温度下LUT数据进行最小二乘拟合，得到不同温度下LUT的数学模型。2.根据权利要求1所述的一种基于动态LUT液晶波前校正器的校正方法，其特征在于，所述的搭建光路为：起偏器(2)和检偏器(5)的偏振方向互相垂直，起偏器(2)与液晶波前校正器的液晶分子的长轴取向夹角45度，根据偏振光学的原理，光强I和相位差δ的关系可表示为：其中，Imax表示最大光强值；由可得到相位随光强的变化关系可表示为激光器(1)发出的光经过起偏器(2)后，透射光成为线偏振光，且其偏振方向与起偏器的偏振方向一致；经过分光棱镜(3)后，一部分透射，一部分反射，反射的部分到达液晶波前校正器(4)；被液晶波前校正器(4)反射后，再一次到达分光棱镜(3)，一部分透射，一部分反射；透射部分透过检偏器(5)，最后到达光电二极管(6)，光电二极管的电信号被示波器(7)接收，得到光强的数据，计算机(8)对液晶波前校正器进行控制，对示波器数据进行接收。3.根据权利要求1所述的一种基于动态LUT液晶波前校正器的校正方法，其特征在于，所述的在液晶波前校正器的工作环境温度为T1时，在波长λ测量液晶波前校正器在不同灰度下的光强响应为：以出厂时给定的线性LUT为测试液晶波前校正器工作时的LUT；生成灰度级分别为0,1,2…255的512×512像素的256幅灰度图片；然后，计算机(8)将512×512数据的灰度图依次由灰度级从低到高的次序，发送给液晶波前校正器，每个图片保持的时间是100ms，测试中驱动液晶波前校正器的图片的灰度级随时间的变化；而示波器的采样间隔20ms因此，每个灰度级将对应5个数据点，采集得到光强随时间变化的情况。4.根据权利要求1所述的一种基于动态LUT液晶波前校正器的校正方法，其特征在于，所述的将光强随灰度级的变...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡立发，申文，马文超，胡栋挺，刘新宇，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32