液晶自适应光学系统能量优化分配方法技术方案

本发明专利技术属于自适应光学领域，涉及液晶自适应光学系统中校正成像支路与波前探测支路之间的光能量优化分配方法。基本思想是将探测支路与校正成像支路的偏振分光设计改为光谱分光，按照两支路接收端器件的响应信号强度比为１∶１计算分光波长。将波段较宽易产生色散的、波前畸变变化速度较快的短波段光能分给探测支路，而将波段较窄不易产生色散的、波前畸变变化速度相对缓慢的长波段光能分给校正成像支路。进入校正成像支路的光再用ＰＢＳ偏振分束器分为两路偏振光，相应设置两个液晶校正器；校正后合束成像。本发明专利技术可以大幅提高液晶自适应光学系统的探测能力，并相对提高其校正速度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于自适应光学
，涉及液晶校正器、哈特曼波前探测器、自适应光 学控制器、分色片和PBS分束器等光学元件的组合，具体地说是一种在液晶自适应光学系 统中使校正成像支 路与波前探测支路之间的光能量优化分配方法。
技术介绍
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。液晶自适应光学系统的液晶校正器采用微电子技术，利用液晶器件高象素密度 的特点，校正精度高，制备工艺成熟，因此液晶校正器的自适应系统具有很大的应用潜力。 但液晶校正器须在偏振光中工作，如果自适应系统设计为通常的闭环自适应校正模式，能 量利用率将减低50%。在“无偏振光能量损失的液晶自适应光学系统”(中国专利，ZL 200610173382)中提出了一项开环液晶自适应光学系统的技术，解决了液晶自适应光学系 统50%的偏振能量损失问题。所说的闭环自适应校正系统是光束先通过偏振片、校正器，然后被分为两路，一路 用于探测，一路用于成像，且两路的能量均为入射光能的25%。而开环自适应校正系统是 用PBS偏振分束器先将入射光分为两路偏振光，则大约50%的能量用于探测，另外50%的 能量用于波前校正后进入CXD成像。所以开环液晶自适应校正系统能量利用率较高。但是，开环自适应校正系统中测量液晶校正器对Zernike模式的响应矩阵时，需 将前述的自适应校正系统中的PBS偏振分束器做一次旋转以将光路切换至内置光源，待响 应矩阵测试完成后再将PBS旋转复原。由此带来的复位误差对成像效果影响比较大。要减 小这个影响，需对转动器件的转动结构精度提出很高要求，很难做到。为此，在专利公报上 公开的“兼具开环与闭环的液晶自适应光学系统”的技术方案(公开号CN101726848A)，解 决了这个问题。尽管如此，液晶自适应校正系统能够成像的星等仍然比预想的低，即要求成像物 体的光强度较高，暗星看不到。进一步寻找造成这种结果的根源，是校正成像支路与波前 探测支路之间的光能量分配不合理，没有考虑两支路上的接收器即相机的曝光极限时间不 同。大气湍流的变化速度通常在50Hz上下，那么自适应系统的校正速度需在湍流速 度的6倍以上才能看到明显的校正效果。自适应系统的工作步骤主要有三步，即波前探测 器的信号探测——信号的传输与处理——驱动波前校正器工作，这一周期的时间延迟通常 要短于3ms，当然每个步骤也只能有ms级的耗时，因此波前探测器的曝光时间即限定为Ims 左右。然而成像相机是位于波前校正器之后的，接收的是校正好的成像光，按照被成像物体 的运动速度通常可以曝光上百ms。既然探测器与成像相机的曝光时间有近百倍的区别，那 么对探测支路与校正成像支路的分光就不应该是1 1的，而应该有一个光能量的优化分 配。
技术实现思路
综上分析，为了解决在液晶自适应光学系统中探测支路与校正成像支路的时间问 题，本专利技术提出在校正成像支路与波前探测支路之间的光能量优化分配模式，目的是提供 一种，使液晶自适应光学系统的校正成像支路与波 前探测支路之间的光能量分配合理，可以大幅提高液晶自适应光学系统的探测能力，并相 对提高其校正速度。本专利技术的基本思想是将探测支路与校正成像支路的偏振分光方法改为光谱分 光。考虑两支路接收端器件的曝光时间以及量子转化效率，按照两器件的响应信号强度比 为1 1计算分光波长。由于哈特曼波前探测器的色散很小、响应速度相对液晶校正器快得 多，故将波段较宽易产生色散的、波前畸变变化速度较快的短波段光能分给探测支路，而液 晶校正器的色散较严重、响应速度相对哈特曼波前探测器慢，故将波段较窄不易产生色散 的、波前畸变变化速度相对缓慢的长波段光能分配给校正成像支路。进入校正成像支路的 光再用PBS偏振分束器再次分为两路偏振光，在两路偏振光路上分别设置液晶校正器。校 正后的偏振光合束，然后进入成像相机成像。为了更好地理解本专利技术，下面详述本专利技术使用的光路，如图1所示。考虑望远镜接 收的光谱范围在可见光-近红外波段，而对应可见-近红外波段有很成熟的CXD相机，因此 光谱范围选择可见光_近红外波段。将望远镜接收的光首先通过长波通分色片1进行短波 和长波的两段光谱分光，短波段的光能全部进入哈特曼波前探测器2，而长波段的光能全部 进入校正成像光路。短波段与长波段的光能分配通过改变长波通分色片1的分光波长来优 化控制，即在考虑探测器与成像相机的曝光时间的条件下，按照两支路接收端器件的响应 信号强度比为1 1原则计算长短波段的分光波长。哈特曼波前探测器2给出短波段的畸 变位相波前，由于哈特曼波前探测器2的色散很小，通常可以忽略，即可将短波段的畸变位 相波前等同于校正成像光路的长波段的畸变位相波前。在校正成像光路上，由于液晶校正 器只能对偏振光即e光进行校正，而对ο光没有校正效果，首先通过PBS偏振分束器3将入 射到校正成像光路的光分成S偏振光和P偏振光，并分别在平行S偏振方向和P偏振方向 设置第一液晶校正器4和第二液晶校正器5的e光光轴即液晶的取向方向。最后将从第一 液晶校正器4和第二液晶校正器5出射的校正后的两束光束合束，使合束光进入成像CCD 6 成像。本专利技术的关键技术是从液晶校正器校正后出射的两光束精确合束、以及两液晶校 正器分别与哈特曼波前探测器的精确对准方法。为此提出如图2所示的光路设计方法考 虑望远镜接收的光谱范围在可见光-近红外波段，望远镜的出射焦点与第一透镜8的前焦 点重合即共焦，因此光束通过第一透镜8后成为平行光，并将望远镜的出瞳成像到长波通 第一分色片1上，长波通第一分色片1使短波段的光束反射、长波段的光束透射。被反射的 短波段的光束依次通过第二透镜10、第三透镜11形成直径与哈特曼波前探测器2的接收 口径相同的光束而全部进入哈特曼波前探测器2，哈特曼波前探测器2的作用是探测望远 镜接收光的波前像差。另外从长波通第一分色片1透射的长波段的光束，依次通过第四透 镜9、第五透镜12，使光束调整为直径与第一液晶校正器4和第二液晶校正器5接收口径相 同的平行光，同时第五透镜12的轴线相对第四透镜9的轴线下移4mm 5mm，即光轴一与光轴二的间距为4mm 5mm，使得通过第五透镜12的光束为偏心入射，从第五透镜12出射 光束产生2° 3°的倾斜。从第五透镜12出射光束以2° 3°入射角进入PBS偏振分 束器3被分成透射P偏振光和反射S偏振光，分别在平行P偏振方向设置第一液晶校正器 4和在平行S偏振方向设置第二液晶校正器5的e光光轴，即液晶取向方向。经第一液晶 校正器4和第二液晶校正器5校正后的P、S偏振光束被反射回PBS偏振分束器3，从PBS 偏振分束器3出射后两光束重合合束，且以反向2° 3°的倾斜角再次到达第五透镜12， 此时，光轴二与光轴三的间距为4mm 5mm。为了将从第五透镜12出射的光束经过一段距 离后能与入射光束分开，加入一个与光轴三成45°角的第一反射镜13，使合束后的光折束 90°并聚焦在成像CXD 6上。上述光路中的哈特曼波前探测器2、第一液晶校正器4和第二 液晶校正器5、成像CXD 6均与工控机14相连。工控机14存储有自适应控制软件，其作用 是将哈特曼波前探测器2中的波前光学信号读出，处理为Zernike模式表示的波前本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种液晶自适应光学系统能量优化分配方法，其特征是：将探测支路与校正成像支路的偏振分光方法改为光谱分光，根据探测支路与校正成像支路中接收端器件的曝光时间以及量子转化效率，按照器件的响应信号强度比为１∶１计算分光波长；将波段较宽易产生色散的、波前畸变变化速度较快的短波段光能分配给探测支路，将波段较窄不易产生色散的、波前畸变变化速度相对缓慢的长波段光能分配给校正成像支路；据此，所使用的基本光路主要包括：长波通分色片（１），哈特曼波前探测器（２），ＰＢＳ偏振分束器（３），第一液晶校正器（４），第二液晶校正器（５），成像ＣＣＤ（６）；通过长波通分色片（１）将望远镜接收的光分为两束，反射的短波段光束进入色散效应可以忽略的哈特曼波前探测器（２），透射的长波段光束进入ＰＢＳ偏振分束器（３）后，又被分成透射Ｐ偏振光和反射Ｓ偏振光；在平行Ｐ偏振方向放置第一液晶校正器（４），在Ｓ偏振方向放置第二液晶校正器（５），并使第一液晶校正器（４）的液晶取向方向对应Ｐ偏振光的偏振方向，第二液晶校正器（５）的液晶取向方向对应Ｓ偏振光的偏振方向；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（３），出射后两光轴重合合束，且以反向２°～３°的倾斜角到达成像ＣＣＤ（６）成像。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宣丽，穆全全，曹召良，胡立发，彭增辉，刘永刚，李大禹，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：82[]