專利名稱：白光液晶自適應光學系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于自適應光學領域，涉及液晶波前校正器、波前探測器、PBS 分束鏡和分色片等光學元件的組合，具體地說是一種能量損失很低的、覆 蓋白光波段的液晶自適應光學系統(tǒng)。
背景技術：
地基望遠鏡對空間飛行目標的觀測，必須透過地面以上10 20公里的 大氣層進行，大氣湍流幾乎無時不干擾成像光束的傳播。光學口徑越大， 大氣湍流中波面的畸變量越大，因此單純依賴望遠鏡口徑增大來提高分辨 率的努力已達到極限，必須結合自適應光學校正系統(tǒng)，這已成為人們的共 識。對于空間目標來說，絕大多數(shù)都是靠反射太陽光來展現(xiàn)自己的幾何形 態(tài)，而太陽輻射最強的波段是白光，占輻射總能量的50%，采用白光成像 是遠目標觀測的最佳選擇，但對自適應光學系統(tǒng)提出更高要求，主要是白 光波長短，系統(tǒng)的相對分辨率要提高。目前使用的自適應光學系統(tǒng)中的關鍵器件是可變形反射鏡，它利用一 系列壓電驅動器控制鏡面變形來校正波面的畸變。驅動器的驅動電壓高達 百伏；上百個驅動器的挑選與檢驗非常費時，使變形鏡的研制周期往往需 要數(shù)年時間，尤其在白光領域，驅動器的數(shù)目比相應紅外觀測要多得多， 成本極高。經(jīng)計算，近地軌道目標進行線分辨率為33cm的白光觀察，要克 服中等強度湍流、即相干長度t^l3cm的干擾，變形鏡的驅動器須達到卯0 個；而進行同步軌道相同線分辨率的白光觀察，就需要光學接收口徑D為 72米，在這樣大的口徑上克服中等強度湍流的干擾，就要使變形鏡的驅動 器達到306700個。據(jù)報道國際上已作出900驅動器的變形鏡，但要做出30 萬個驅動器的變形鏡恐怕極其困難。如果在變形鏡應用極限以外的領域， 將液晶校正器替代變形鏡組成新的自適應系統(tǒng)，問題會迎刃而解。液晶器
件采用微電子制備技術，高象素密度是其特點。液晶的象素數(shù)只要達到變形鏡驅動器數(shù)目的6.2倍就可獲得同樣校正精度。那么相對變形鏡的30.67 萬個驅動器，液晶校正器的象素數(shù)應接近200萬個。200萬象素的液晶校正 器制備工藝是目前已經(jīng)成熟的工藝，易于批量生產(chǎn)。因此基于液晶校正器 的自適應系統(tǒng)具有更大的應用潛力。
2002年美國應用技術協(xié)會與空軍實驗室采用雙頻液晶材料做成91象 元的液晶自適應系統(tǒng)，工作頻率達到40Hz，校正量1. 8微米，在700 950nm 近紅外波段、望遠鏡1. 12米的通光口徑上對800公里軌道上的國際空間站 進行了自適應觀測，獲得了國際空間站太陽能帆板圖像(Optics Express, Vol.10, No.25, (2002)1508 1519)。這一結果說明液晶在700 950nm近 紅外波段色散較弱，可以進行寬光譜的波面校正。但在白光450nm—800nm 波段，液晶的色散較強，并且表現(xiàn)為波長越短色散越強，所以通常只能在 一個較窄的光譜范圍內進行中心波長校正，因此至今未發(fā)現(xiàn)有白光波段的 液晶自適應光學系統(tǒng)的文獻報道和公開。
通常自適應系統(tǒng)均為閉環(huán)系統(tǒng)，閉環(huán)與開環(huán)的不同是在光路上光束先 通過校正器然后再通過探測器，即先校正波面然后再探測波面，探得的波 面殘差反饋給校正器，校正器在上一回校正的基礎上進行修正，這樣當閉 環(huán)頻率大于外界大氣湍流干擾頻率時，校正器在第二周期所校正的位相量 就要比第一周期中校正的位相量小得多，經(jīng)過一段時間校正器的校正量就 會保持在一個較小的平衡量上。開環(huán)自適應是先探測波面后校正，因此每 一周期都是重新開始，校正器所變動的位相量較大，驅動電壓也高，這需 要校正器的驅動穩(wěn)定性要很高才行。因為液晶校正器是利用分子在電場中 的旋轉運動進行位相補償，它的驅動穩(wěn)定性極好，不需要校正后的平衡時 間，且位相校正量越大、驅動電壓越高、液晶的響應速度越快；而常規(guī)變 形鏡自適應系統(tǒng)依靠反射鏡面的曲率變形、 一種機械運動進行位相補償， 所以在平衡點會產(chǎn)生機械運動的阻尼振蕩，它與液晶正相反，驅動電壓越 高、平衡點的振蕩越強、平衡越慢。所以閉環(huán)自適應很適合變形鏡這類校 正器，校正量逐漸減小會使變形鏡校正器很快到達驅動平衡點，而開環(huán)系 統(tǒng)符合液晶校正器的電場晌應特點，可以響應速度快、又不失穩(wěn)定性。 發(fā)明內容本發(fā)明將液晶波前校正器、波前探測器、PBS分束鏡和分色片等光學 元件進行有機組合，目的是提供一種即無偏振光能量損失的、又可覆蓋白 光波段的液晶自適應光學系統(tǒng)，其中PBS分束鏡是能將自然光中的P偏振 分量和S偏振分量分開的分束器。本發(fā)明的設計思想是采用開環(huán)自適應光路；用PBS分束鏡替代普通的 偏振片，PBS分束鏡將入射物光分成P偏振和S偏振的兩束光，P光束完 全用于波前探測，S光束完全用于校正成像；S光束在被校正之前，用分色 片分為3 4個子波段，然后對應放置3 4個液晶校正器并行進行波前校 正；校正后的3 4個子光束再重新合為一束成像。本發(fā)明由快速振鏡l、 PBS分束鏡2、第一透鏡3、第二透鏡4、波前 探測器5、第三透鏡6、第四透鏡7、第一分色片8a、第二分色片8b、第三 分色片8c、第四分色片8d、第五分色片8e、第一硅基板上的液晶(LCOS) 屏9a、第二 LCOS屏9b、第三LCOS屏9c、第四LCOS屏9d、反射鏡 10、第五透鏡ll、第六透鏡12、 CCD相機13和計算機14構成。第一透鏡 3與第二透鏡4安裝在PBS分束鏡2和波前探測器5之間，第三透鏡6與 第四透鏡7安裝在PBS分束鏡2和第一分色片8a之間。在第三透鏡6和第 四透鏡7之間、第四透鏡7的反射光焦點處放置反射鏡10。在反射鏡10和 CCD相機13之間，依次安裝有第五透鏡11和第六透鏡12。第一 LCOS 屏9a、第二LCOS屏9b、第三LCOS屏9c、第四LCOS屏9d，分別對應 第二分色片8b、第三分色片8c、第四分色片8d、第五分色片8e。四個LCOS 屏的幾何尺寸均相等。另外四個LCOS屏、波前探測器5、 CCD相機13 均與計算機14相連。本發(fā)明的結構如圖1所示，光譜范圍450 880nm的平行光首先到達快 速振鏡1上、然后反射到PBS分束鏡2時分成P和S兩束光，其中透過光 為P光，進入第一透鏡3、第二透鏡4成為口徑與波前探測器5匹配的平行 光，然后進入波前探測器5中；另一束在PBS上反射的光為S光，具有很
好的偏振性，進入第三透鏡6與第四透鏡7入射到第一分色片8a;通過第 二分色片8b、第三分色片8c、第四分色片8d和第五分色片8e，以1 2° 入射角分別進入第一LCOS屏9a、第二LCOS屏9b、第三LCOS屏9c、 第四LCOS屏9d;被LCOS屏反射的光合成一束到達第一分色片8a，再 通過第四透鏡7與入射光束分離聚焦在反射鏡10上，再通過透鏡11、 12 到達CCD相機13成像。與快速振鏡1、波前探測器5、四個LCOS屏、 CCD相機13相連結的計算機14，首先對波前探測器5獲得的微透鏡光點 列陣進行擬合，給出波面函數(shù)和數(shù)值解，并將波面整體傾斜數(shù)據(jù)與較高次 畸變數(shù)據(jù)分離，將波面整體傾斜數(shù)據(jù)反饋給快速振鏡l以消除光束的抖動; 較高次畸變數(shù)據(jù)反饋給四個LCOS屏，使畸變波面得到校正。此時CCD 相機13所攝的像為校正后的無畸變像，計算機14給出所拍攝像的顯示。 到此完成一個工作周期，之后周而復始。為了更清楚理解本發(fā)明，下面對各個部件進行詳細說明。所述的快速振鏡1為閉環(huán)自適應傾斜平面反射鏡，用于校正波面的傾 斜度，使進入波前探測器5和LCOS屏的光束不抖動。所述的PBS分束鏡2為偏振分光鏡，透過光S光的消光比小于lxl(T3。所述的第一透鏡3與第二透鏡4配合，將透過光P的光束縮束為與波 前探測器5 口徑相同的平行光。第一透鏡3與第二透鏡4引入的波前畸變 不會進入校正器中，但被波前探測器5探測到，將造成校正器誤校，所以 限制其畸變的最大峰谷值即畸變的PV值小于25nm。所述的波前探測器5 —般使用Hartmann微透鏡陣列探測器，用來探 測波前畸變，探測的均方根誤差rms值應小于5nm，波面的PV值的探測 誤差小于25nm，探測頻率不低于500Hz。所述的第三透鏡6與第四透鏡7配合實現(xiàn)合適的縮束比，使反射光S 光束形成直徑與四個LCOS屏口徑相等的平行光；第四透鏡7焦距為20 30mm，保證有足夠的空間放置反射鏡10，以引入成像光路。所述的第一分色片8a、第二分色片8b、第三分色片8c、第四分色片 8d和第五分色片8e將入射光在450 880nm光譜范圍內分成四個子波段。
所述的第一LCOS屏9a、第二LCOS屏9b、第三LCOS屏9c、第四 LCOS屏9d為四個子波段的純位相液晶波前校正器，中心校正波長分別為 470nm、 530nm、 610nm和720nm，它們的位相調制深度分別是各自校正 中心波長的1.20 1.25倍，LCOS屏中液晶對驅動電壓的響應時間t。n<5ms， 去除電壓時液晶恢復初始態(tài)的時間t。ff<20mS，像素數(shù)符合應用要求的分辨 率。所述的反射鏡10位于第四透鏡7的反射光路焦點處，引入成像光路。 所述的第四透鏡11和第五透鏡12焦距相同，使成像光束到達CCD相 機13。所述的CCD相機13為高靈敏度、低噪聲電子倍增型EMCCD相機， 給出波面校正后的清晰圖像，其信噪比要符合具體應用要求，曝光時間不 超過2ms。所述的計算機14數(shù)據(jù)處理量很大，需配置DSP集成模塊，使數(shù)據(jù)處 理占用的時間不超過2ms。本發(fā)明由于使用PBS分束鏡替代了普通偏振片使液晶自適應光學系統(tǒng) 能量利用效率提高1倍；由于采用多個純位相液晶波前校正器，使成像光 束的光譜可覆蓋白光波段，成為高效利用光能的液晶自適應光學系統(tǒng)。


圖l是本發(fā)明的結構示意圖。圖中l(wèi)為快速振鏡，2為PBS分束鏡，3 第一透鏡，4第二透鏡，5波前探測器，6第三透鏡，7第四透鏡，8a第一 分色片、8b第二分色片、8c第三分色片、8d第四分色片、8e第五分色片， 9a第一 LCOS屏、9b第二 LCOS屏、9c第三LCOS屏、9d第四LCOS 屏，IO反射鏡，ll第五透鏡，12第六透鏡，13為CCD相機，14計算機。 圖2a是本發(fā)明中測量擬合波前用的響應矩陣2) 的結構示意圖。 圖2b是本發(fā)明中測量擬合波前用的響應矩陣"6的結構示意圖。 圖2c是本發(fā)明中測量擬合波前用的響應矩陣Z^的結構示意圖。 圖3是本發(fā)明具體實施方式
結構圖。
具體實施方式
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1) 本實施方式中所用的快速振鏡1，是德國普愛納米位移技術有限公司的產(chǎn)品，為閉環(huán)自適應驅動式快速振鏡，其中反射鏡直徑為25mm,反 射率大于97%，所用材料為不易膨脹的微晶硅玻璃，表面平整度的PV值 小于25nm，最大轉動范圍2mrad，分辨率(Uprad,全程重復定位精度是 ±2 prad，工作頻率2mrad轉動范圍時為150~200Hz， 0.2mrad轉動范圍 時為800Hz。2) PBS分束鏡2的尺寸長x寬x高為25mmx25mmx25mm，其中S 光的消光比小于lx10—3。3) 第一透鏡3、第二透鏡4、第三透鏡6、第四透鏡7、第五透鏡11 和第六透鏡12的口徑依次為20mm、10mm、30mm、20mm、20mm和20mm， 焦距依次為300mm、 60mm、 210mm、 200mm、 200mm和200mm，因為 光源為寬光譜白光，故這些透鏡均為消色差透鏡，且第一透鏡3、第二透鏡 4各自引入的波前畸變PV值小于25nm。4) 委托俄國莫斯科州立大學裝配了哈特曼波前探測器5,子孔鏡陣列 為14x14，探測的均方根誤差rms值小于5nm，波面的PV值的探測誤差 小于25nm，探測頻率500Hz，量子效率峰值在500nm到600nm波長處， 高達90%。5) 四個分色片將入射光光譜分成500nm 580nm 6卯nm 880nm三 個子波段，其中第一分色片8a對波長大于500nm的光全反射、對波長小 于500nm的光全透射；第二分色片8b對波長小于580nm的光全反射、對 波長大于580nm的光全透射；第三分色片8c對波長小于690nm的光全反 射、對波長大于6卯nm的光全透射；第四分色片8d對波長小于880nm的 光全反射、對波長大于880nm的光全透射。6) 委托美國BNS公司加工了第一LCOS屏9a、第二 LCOS屏9b、 第三LCOS屏9c， LCOS屏校正的中心波長分別為532nm、635nm、785nm， 相應的波長校正范圍分別為500nm 580nm 、 580nm 6卯nm 、 6卯nm 880nm，在電場中的上升響應時間《5ms，下降時間《7ms，光利用率61.5%， 像素面積19nmxl9^un，象素數(shù)512x512， 256灰度級，此處灰度級對應驅
動電壓的分度值，位相調制深度為865nm。7) 反射鏡IO,表面平整度的PV值小于25nm,反射率大于95%。8) CCD相機13,為美國ANDOR公司的產(chǎn)品，型號為DV897，像 素數(shù)512x512,像素面積16|im xl6nm，量子效率在500—650nm波段達到 峰值，高達卯％，讀出噪聲在讀出速率10MHz時為l一62個電子。9) 計算機14的基本配置CPU1.8G,內存256M,硬盤40G，法國 產(chǎn)VP3型DSP板卡，含有8塊TMS320C64的DSP芯片。10) 在平行光源和快速振鏡l之間、光束之下放置25W烙鐵作為熱擾源。11) 首先建立擬合波前用的響應矩陣D，因為系統(tǒng)使用了三個液晶校正 器即LCOS屏，響應矩陣也需建三個，三個響應矩陣的獲得方法相同，故 只以其中一個液晶校正器即第一 LCOS屏9a為例進行詳細說明按照圖 2a搭建液晶閉環(huán)自適應光學系統(tǒng)。開啟計算機14，熱擾源處于無驅動狀態(tài)； 根據(jù)任意波面①(x,力都可以用Zernike多項式的線性組表示的原理， O(x,力寫成為<formula>formula see original document page 13</formula>此處A對應Zernike項數(shù)，fl^為每一項前面的系數(shù)，通常選M=36，因為第一項為常數(shù)在波面擬合中不起作用，故選擇^=2、 3、 4.....36,即采用35項Zernike多項式；令每一項前面的系數(shù)為1,以波長為單位，分別 解出35項Zernike項的面形位相數(shù)值解；利用事先在第一 LCOS屏9a上 測好的位相一灰度級關系，將35項A(x，y)的面形位相數(shù)值轉換成第一 LCOS屏9a上的灰度級分布值;將35項Zernike項的面形灰度級分布值通 過計算機14逐項施加在第一 LCOS屏9a上，在哈特曼面陣探測器5上測 量出每個子孔徑上像點與標定位置的偏移量，由計算機14換算出子孔徑光 束在x軸和y軸上的斜率；由這一系列波前斜率組成一個行m列響應矩 陣""<formula>formula see original document page 14</formula>此處A對應Zernike項數(shù)A二2、 3、 4、…、36， / 對應哈特曼面陣探測器5上每一行或每一列的子孔徑數(shù)/ =1、 2.....14。到此得到了響應矩陣Z^，并被自動存入計算機14。下一步是測量響應矩陣Z^:按照圖2b搭建液晶閉環(huán)自適應光學系統(tǒng)， 以上述相同步驟可以獲得響應矩陣再下一步是測量響應矩陣按照圖2c搭建液晶閉環(huán)自適應光學系 統(tǒng)，以上述相同步驟可以獲得響應矩陣i^。U)后面對于哈特曼探測器探測到的任意波面的2行附列波前斜率矩 陣"都有FDfl，其中D分別為A/、 ZV A"，"是Zernike多項式每一項 前面的系數(shù)W構成的向量，由這個等式計算機14可以分別解出三個^，即 可得到所探測波面在三個波段上的Zernike方程；Zernike方程中的第一項 與第二項分別為整個波面在x軸和y軸上的傾斜量，計算機14將三個 Zernike方程中的第一項與第二項分別平均，算出整個波面在x軸和y軸上 的傾斜量平均值反饋給快速振鏡l，以消除波面的整體傾斜；其余項為波面 的較高次畸變也由計算機14算出位相數(shù)值解，并根據(jù)波面校正器第一 LCOS屏9a、第二LCOS屏9b、第三LCOS屏9c的位相與灰度級的關系 分別將三個波面的位相數(shù)值解轉換為相應灰度級分布反饋給第一 LCOS屏 9a、第二LCOS屏9b 、第三LCOS屏9c，就可使三個子波段的畸變波面 得到校正。12)按照圖3搭建快速向列液晶開環(huán)自適應系統(tǒng)，在入射的平行光束
之下、快速振鏡1之前放置25W烙鐵作為熱擾源。13)開啟熱擾源，使平行光1受到大氣湍流干擾，自適應系統(tǒng)開始工 作a)畸變波前首先到達快速振鏡1上、然后反射到PBS分束器2時分成 P光和S光；b) P光經(jīng)過第一、第二透鏡3、 4準直，口徑與波前探測器5 匹配后進入波前探測器5，波前探測器5給出2行附列波前斜率矩陣s; c) 計算機14根據(jù)s- Dfl，分別解出三個Zernike多項式每一項前面的系數(shù)flA， 然后由Zernike方程解出波面數(shù)值解，并將其轉換為波面校正器第一 LCOS 屏9a、第二 LCOS屏9b、第三LCOS屏9c上的灰度級分布值；d)驅動 第一 LCOS屏9a、第二 LCOS屏9b、第三LCOS屏9c以校正三個子波段 波面的畸變；e) PBS分束鏡2分出的S光經(jīng)過第三、第四透鏡6、 7準直 和口徑匹配后入射到第一 LCOS屏9a、第二 LCOS屏9b、第三LCOS屏 9c上，且入射S光與每個LCOS屏的基板法線夾1.5°的角度,從第一 LCOS 屏9a、第二 LCOS屏9b、第三LCOS屏9c反射的S光成為沒有畸變的平 行光，合為一束到達第一分色片8a上；f)從第一分色片8a反射的S光再 通過第四透鏡7與入射光束分離，聚焦在反射鏡10上，然后通過第五透鏡 11、第六透鏡12形成星點像到達CCD相機13; g)計算機14顯示出CCD 相機13所拍攝的像。到此完成一個工作周期，之后周而復始重復a)到g)檢驗上述自適應系統(tǒng)的校正效果自適應校正之前計算機14顯示出的 星點像是亮度較低、形狀不規(guī)則的大尺寸弱光斑；而自適應校正之后所成 的像是尺寸很小的園亮斑，說明校正效果良好。
權利要求
1. 一種白光液晶自適應光學系統(tǒng)，其特征是由快速振鏡(1)、PBS分束鏡(2)、第一透鏡(3)、第二透鏡(4)、波前探測器(5)、第三透鏡(6)、第四透鏡(7)、分色片、LCOS屏、反射鏡(10)、第五透鏡(11)、第六透鏡(12)、CCD相機(13)和計算機(14)構成；第一透鏡(3)與第二透鏡(4)安裝在PBS分束鏡(2)和波前探測器(5)之間，第三透鏡(6)與第四透鏡(7)安裝在PBS分束鏡(2)和分色片之間，分色片位于第四透鏡(7)和LCOS屏之間，在第三透鏡(6)和第四透鏡(7)之間、位于第四透鏡(7)的反射光焦點處放置反射鏡(10)，在反射鏡(10)和CCD相機(13)之間，依次安裝有第五透鏡(11)和第六透鏡(12)；快速振鏡(1)、波前探測器(5)、LCOS屏、CCD相機(13)均與計算機(14)相連；光譜范圍450～880nm的平行光首先到達快速振鏡(1)上、然后反射到PBS分束鏡(2)時分成P和S兩束光，其中透過的P光通過第一透鏡(3)、第二透鏡(4)后，進入波前探測器(5)中；另一束在PBS上反射的S光，進入第三透鏡(6)與第四透鏡(7)后通過分色片分為子波段，以1～2°入射角分別進LCOS屏，被LCOS屏反射的光經(jīng)分色片合成一束光后，通過第四透鏡(7)與入射光束分離聚焦在反射鏡(10)上，再通過第五透鏡(11)、第六透鏡(12)到達CCD相機(13)成像。
2、 根據(jù)權利要求1所述的白光液晶自適應光學系統(tǒng)，其特征是通過4 5個分色片分為3 4個子波段后，分別進入3 4個LCOS屏。
3、 根據(jù)權利要求2所述的白光液晶自適應光學系統(tǒng)，其特征是第一分 色片(8a)、第二分色片(8b)、第三分色片(8c)、第四分色片(8d)和第 五分色片(8e)將入射光在450 880mn光譜范圍內分成四個子波段后，分 別進入第一LCOS屏(9a)、第二LCOS屏(9b)、第三LCOS屏(9c)、 第四LCOS屏(9d)。
4、 根據(jù)權利要求2所述的白光液晶自適應光學系統(tǒng)，其特征是第一分 色片(8a)、第二分色片(8b)、第三分色片(8c)和第四分色片(8d)將 入射光在500 880nm光譜范圍內分成三個子波段后，分別進入第一 LCOS屏(9a)、第二LCOS屏(9b)和第三LCOS屏(9c)。
5、 根據(jù)權利要求4所述的白光液晶自適應光學系統(tǒng)，其特征是第一 LCOS屏(9a)、第二 LCOS屏(9b)和第三LCOS屏(9c)的幾何尺寸 均相等。
6、 根據(jù)權利要求5所述的白光液晶自適應光學系統(tǒng)，其特征是 所述的快速振鏡(1)為閉環(huán)自適應傾斜平面反射鏡；所述的PBS分束鏡(2)為偏振分光鏡，透過光S光的消光比小于 lxlO3;所述的第一透鏡(3)與第二透鏡4配合，將透過光P的光束縮束為與 波前探測器5 口徑相同的平行光，最大峰谷值即畸變的PV值小于25nm;所述的波前探測器(5)為Hartmann微透鏡陣列探測器，探測的均方 根誤差rms值應小于5nm，波面的PV值的探測誤差小于25nm，探測頻率 不低于500Hz;所述的第三透鏡(6)與第四透鏡(7)配合實現(xiàn)合適的縮束比，使反 射光S光束形成直徑與四個LCOS屏口徑相等的平行光；第四透鏡(7)焦 距為20 30mm，引入成像光路；所述的第一 LCOS屏(9a)、第二 LCOS屏(9b)、第三LCOS屏(9c), 為三個子波段的純位相液晶波前校正器，中心校正波長分別為532nm、 635nm和785nm,位相調制深度分別是各自校正中心波長的1.20 1.25倍， LCOS屏中液晶對驅動電壓的響應時間t。n<5ms，去除電壓時液晶恢復初始 態(tài)的時間t。ff<20mS，像素數(shù)符合應用要求的分辨率；所述的反射鏡(10)位于第四透鏡(7)的反射光路焦點處，引入成像 光路；所述的第四透鏡(11)和第五透鏡(12)焦距相同，使成像光束到達 CCD相機(13);所述的CCD相機(13)為高靈敏度、低噪聲電子倍增型EMCCD相 機，其信噪比要符合具體應用要求，曝光時間不超過2ms;所述的計算機(14)配置DSP集成模塊，使數(shù)據(jù)處理占用的時間不超過2msc
7、根據(jù)權利要求6所述的白光液晶自適應光學系統(tǒng)，其特征是閉環(huán)自適應傾斜平面反射鏡的反射率大于97%,所用材料為不易膨脹 的微晶硅玻璃，表面平整度的PV值小于25nm，最大轉動范圍2mrad，分 辨率O.lprad,全程重復定位精度是士2 prad,工作頻率2mrad轉動范圍 時為150-200Hz, 0.2mrad轉動范圍時為800Hz;偏振分光鏡的尺寸長x寬x高為25mmx25mmx25mm;第一透鏡(3)、第二透鏡(4)、第三透鏡(6)、第四透鏡(7)、第五透鏡(11)和第六透鏡(12)的口徑依次為20mm、 10mm、 30mm、 20mm、20mm和20mm，焦距依次為300mm、 60mm、 210mm、 200mm、 200mm和200mm，均為消色差透鏡，且第一透鏡(3)、第二透鏡(4)各自引入的波前畸變PV值小于25nm;哈特曼波前探測器(5)的量子效率峰值在500nm到600nm波長處， 高達90%;四個分色片將入射光光譜分成500nm 580nm 6卯nm 880nm三個 子波段，其中第一分色片(8a)對波長大于500nm的光全反射、對波長小 于500nm的光全透射；第二分色片(8b)對波長小于580nm的光全反射、 對波長大于580nm的光全透射；第三分色片(8c)對波長小于690nm的光 全反射、對波長大于6卯nm的光全透射;第四分色片(8d)對波長小于880nm 的光全反射、對波長大于880nm的光全透射；第一LCOS屏(9a)、第二LCOS屏(9b)、第三LCOS屏(9c)的波 長校正范圍分別為500nm 580nm、 580nm 690nm、 690nm 880nm，在 電場中的上升響應時間《5ms，下降時間《7ms，位相調制深度為865nm;反射鏡(10)表面平整度的PV值小于25mn，反射率大于95%;CCD相機(13)的像素數(shù)512x512，量子效率在500—650nm波段達到峰值，高達90%，讀出噪聲在讀出速率10MHz時為l一62個電子； 計算機(14)的基本配置CPU1.8G,內存256M，硬盤40G,法國產(chǎn)VP3型DSP板卡，含有8塊TMS320C64的DSP芯片。
8、根據(jù)權利要求7所述的白光液晶自適應光學系統(tǒng)，其特征是在計算 機(14)內建立擬合波前用的響應矩陣D;所述的響應矩陣D通過下述方 法得到根據(jù)任意波面O(x,少)都可以用Zernike多項式的線性組表示的原理， O(A力寫成為-<formula>formula see original document page 5</formula>此處A對應Zernike項數(shù)，^為每一項前面的系數(shù)，通常選M=36,因為第一項為常數(shù)在波面擬合中不起作用，故選擇^=2、 3、 4.....36，即采用35項Zernike多項式；令每一項前面的系數(shù)為1，以波長為單位，分別 解出35項Zernike項的面形位相數(shù)值解；利用事先在LCOS屏上測好的位 相一灰度級關系，將35項A(x，y)的面形位相數(shù)值轉換成LCOS屏上的灰度 級分布值；將35項Zernike項的面形灰度級分布值通過計算機(14)逐項 施加在LCOS屏上，在哈特曼面陣探測器(5)上測量出每個子孔徑上像點 與標定位置的偏移量，由計算機(14)換算出子孔徑光束在x軸和y軸上 的斜率；由這一系列波前斜率組成一個2A行m列響應矩陣D<formula>formula see original document page 5</formula> 此處/t對應Zernike項數(shù)&=2、 3、 4.....36， m對應哈特曼面陣探測器(5)上每一行或每一列的子孔徑數(shù)m=l、 2.....14， D=Dfl、 Z)6、得到的響應矩陣D"、 1^、 Pc被自動存入計算機(14)。
9、根據(jù)權利要求8所述的白光液晶自適應光學系統(tǒng)，其特征是計算機 (14)通過下述過程控制快速振鏡(1)消除波面的整體傾斜和LCOS屏校正畸變波面哈特曼探測器(5)探測到的任意波面的2行m列波前斜率矩陣s，都 有f Dfl，其中D分別為D"、 A、 Z)c，"是Zernike多項式每一項前面的 系數(shù)W構成的向量，由這個等式計算機(14)可以分別解出三個&，即可 得到所探測波面在三個波段上的Zernike方程；Zemike方程中的第一項與 第二項分別為整個波面在x軸和y軸上的傾斜量，計算機(14)將三個 Zernike方程中的第一項與第二項分別平均，算出整個波面在x軸和y軸上 的傾斜量平均值反饋給快速振鏡(1)，以消除波面的整體傾斜；其余項為 波面的較高次畸變也由計算機(14)算出位相數(shù)值解，并根據(jù)波面校正器 第一LCOS屏(9a)、第二LCOS屏(9b)、第三LCOS屏(9c)的位相與 灰度級的關系分別將三個波面的位相數(shù)值解轉換為相應灰度級分布反饋給 第一LCOS屏(9a)、第二LCOS屏(9b)、第三LCOS屏(9c)，就可使三個子波段的畸變波面得到校正。
全文摘要
本發(fā)明屬于自適應光學領域，是一種能量損失很低的、覆蓋白光波段的液晶自適應光學系統(tǒng)。采用開環(huán)自適應光路，用PBS分束鏡替代普通的偏振片，PBS分束鏡將入射物光分成P偏振和S偏振的兩束光，P光束完全用于波前探測，S光束完全用于校正成像；S光束在被校正之前，用分色片分為3～4個子波段，然后對應放置3～4個液晶校正器并行進行波前校正；校正后的3～4個子光束再重新合為一束成像。本發(fā)明由于使用PBS分束鏡替代了普通偏振片使液晶自適應光學系統(tǒng)能量利用效率提高1倍；由于采用多個純位相液晶波前校正器，使成像光束的光譜可覆蓋白光波段，成為高效利用光能的液晶自適應光學系統(tǒng)。
文檔編號G02B26/00GK101211008SQ20061017338
公開日2008年7月2日 申請日期2006年12月29日 優(yōu)先權日2006年12月29日
發(fā)明者劉永剛, 麗 宣, 彭增輝, 曹召良, 李大禹, 穆全全, 胡立發(fā), 魯興海 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所