專利名稱：基于共軛成像的組合式波前校正器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于地基望遠(yuǎn)鏡自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的波前校正器，特別是基于共軛成像的組合式波前校正器。
背景技術(shù)：
目前用于地基望遠(yuǎn)鏡自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中波前校正的波前校正器大多都是基于單個(gè)變形鏡。隨著望遠(yuǎn)鏡主鏡口徑(直徑D)的增加，為了達(dá)到較好的波前校正效果，變形鏡的驅(qū)動(dòng)單元數(shù)(N)迅速增加。設(shè)大氣擾動(dòng)的相干長(zhǎng)度為r0，則N正比于(D/r0)2。在可見(jiàn)光自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中，主鏡口徑在四米級(jí)時(shí)，變形鏡驅(qū)動(dòng)單元數(shù)需要上千單元，在未來(lái)的幾十米，甚至上百米口徑的望遠(yuǎn)鏡中，變形鏡的驅(qū)動(dòng)單元數(shù)會(huì)達(dá)到上萬(wàn)個(gè)。在單個(gè)變形鏡上，要安裝如此多的驅(qū)動(dòng)單元，技術(shù)非常困難，且造價(jià)昂貴。
J.M Beckers曾提出“多層共軛自適應(yīng)光學(xué)”，即MCAO(J.M beckers，“Increasing the size of the anisoplanatic patch with multiconjugateadaptive optics”，Proc ESO conference，pp693-703，March 1988)。MCAO系統(tǒng)采用多個(gè)變形鏡作為波前校正器，但是它將湍流大氣分成若干層，每一個(gè)變形鏡共軛到不同的大氣層上，以校正該層大氣引起的波面畸變。MCAO中的各個(gè)變形鏡不在物象共軛面上，這種驅(qū)動(dòng)單元數(shù)還是比較多，不便于單個(gè)波前校正器的制造。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種便于制造的將多個(gè)少單元波前校正器組合起來(lái)實(shí)現(xiàn)大驅(qū)動(dòng)單元數(shù)校正效果的基于共軛成像的組合式波前校正器。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是基于共軛成像的組合式波前校正器，其特征在于包括多個(gè)波前校正器和4f光學(xué)系統(tǒng)，波前校正器可以是兩個(gè)、三個(gè)或更多，相鄰波前校正器用4f光學(xué)系統(tǒng)連接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)組合式波前校正器，每一個(gè)波前校正器依次放在4f光學(xué)系統(tǒng)的前焦面和后焦面，即每一個(gè)波前校正器都處在光學(xué)成像共軛位置。
所述基于共軛成像的組合式波前校正器中的波前校正器可以是采用壓電陶瓷(PZT)或電致伸縮陶瓷(PMN)作為驅(qū)動(dòng)器來(lái)制造的連續(xù)鏡面變形鏡，也可以是雙壓電變形鏡(Bimorph mirror)，也可以是采用微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制造的變形鏡，還可以是液晶空間光調(diào)制器件(LC-SLM)。
所述基于共軛成像的組合式波前校正器中的每個(gè)波前校正器的驅(qū)動(dòng)單元排列方案為將一個(gè)已知排布數(shù)量的驅(qū)動(dòng)單元按照平面點(diǎn)群中的對(duì)稱操作拆分成幾類，每一類對(duì)應(yīng)到一個(gè)波前校正器上去，所有波前校正器的驅(qū)動(dòng)單元成像在一個(gè)波前校正器位置上時(shí)成拆分前的排布。
所述基于共軛成像的組合式波前校正器中的4f光學(xué)系統(tǒng)可以由透鏡組成，也可以由離軸反射拋物鏡組成。
本發(fā)明的原理是根據(jù)光學(xué)中的物像關(guān)系，采用4f光學(xué)系統(tǒng)連接起來(lái)的多個(gè)波前校正器，由于每個(gè)波前校正器處在光學(xué)共軛的位置上，所有波前校正器依次校正同一個(gè)畸變波前，所有波前校正器上的驅(qū)動(dòng)單元可以成像到其中一個(gè)波前校正器上，這樣近似等效于在一個(gè)波前校正器上有數(shù)量巨大的驅(qū)動(dòng)單元。運(yùn)用平面點(diǎn)群中的對(duì)稱操作將二維平面上排布好的數(shù)量巨大的驅(qū)動(dòng)單元拆分成幾類，每一類對(duì)應(yīng)到一個(gè)波前校正器上。如圖8所示，當(dāng)帶有像差的光束依次入射到第一個(gè)波前校正器1、4f光學(xué)系統(tǒng)2、第二個(gè)波前校正器3、4f光學(xué)系統(tǒng)4、第三個(gè)波前校正器5上，入射光波前得到組合式波前校正器中每個(gè)波前校正器的校正。具體的校正能力依賴于波前校正器個(gè)數(shù)，各個(gè)波前校正器上驅(qū)動(dòng)單元的數(shù)量、排布方式以及空間對(duì)應(yīng)關(guān)系，各個(gè)波前校正器的影響函數(shù)、行程等。
本發(fā)明對(duì)現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明中提出將多個(gè)波前校正器通過(guò)4f光學(xué)系統(tǒng)組合起來(lái)得到一個(gè)組合式波前校正器，每個(gè)波前校正器都處在光學(xué)共軛的位置上并且都共軛到同一大氣層上或望遠(yuǎn)鏡主鏡上，與現(xiàn)有技術(shù)MCAO中的多變形鏡波前校正器有著本質(zhì)區(qū)別。根據(jù)4f系統(tǒng)的成像原理，總的驅(qū)動(dòng)單元可以分配到組合式波前校正器中每個(gè)波前校正器上，所以每個(gè)波前校正器的驅(qū)動(dòng)單元數(shù)得到降低，這樣便于單個(gè)波前校正器的制造。
2.本發(fā)明所公開的基于共軛成像的組合式波前校正器，在選定波前校正器類型后，只需多加入幾個(gè)4f光學(xué)系統(tǒng)和幾個(gè)少單元數(shù)的波前校正器，就能達(dá)到增加驅(qū)動(dòng)單元數(shù)的目的，比單獨(dú)在一個(gè)波前校正器上增加校正單元難度減小。
3.本發(fā)明所公開的基于共軛成像的組合式波前校正器，若波前校正器選定為連續(xù)鏡面變形鏡，由于每個(gè)變形鏡的驅(qū)動(dòng)單元較少，則它的行程(動(dòng)態(tài)范圍)可以達(dá)到很大，克服了用單個(gè)高密度連續(xù)鏡面變形鏡校正高階像差需要行程很大時(shí)對(duì)鏡面材料韌性要求過(guò)高的缺點(diǎn)。
4.本發(fā)明所公開的基于共軛成像的組合式波前校正器，它的相鄰波前校正器采用4f光學(xué)系統(tǒng)連接，使每一個(gè)波前校正器都處于光學(xué)共軛的位置，從而達(dá)到每一個(gè)波前校正器依次校正同一個(gè)波前的目的，使用多個(gè)波前校正器就如同使用一個(gè)波前校正器。對(duì)每個(gè)波前校正器的控制與使用一個(gè)波前校正器時(shí)差別不大，所以不會(huì)大幅度增加控制難度。
圖1為單一波前校正器上驅(qū)動(dòng)單元按照正方形排布的示意圖。圖中的小圓圈為驅(qū)動(dòng)單元。驅(qū)動(dòng)單元數(shù)目可以比圖中表示的更多，這里只代表排布的方式，不限定具體的驅(qū)動(dòng)單元數(shù)目；圖2為對(duì)單一波前校正器上按照正方形排布的驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行均勻拆分的示意圖；
圖3a為本發(fā)明中將正方形排布驅(qū)動(dòng)單元拆分到兩個(gè)波前校正器上去的示意圖；圖3b為本發(fā)明中將正方形排布驅(qū)動(dòng)單元拆分到四個(gè)波前校正器上去的示意圖；圖3c為本發(fā)明中將正方形排布驅(qū)動(dòng)單元拆分到五個(gè)波前校正器上去的示意圖；圖4為單一波前校正器上驅(qū)動(dòng)單元按照正三角形排布的示意圖。圖中的小圓圈為驅(qū)動(dòng)單元。驅(qū)動(dòng)單元數(shù)目可以比圖中表示的更多，這里只代表排布的方式，不限制具體的驅(qū)動(dòng)單元數(shù)目。
圖5為對(duì)單一波前校正器上按照正三角形排布的驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行均勻拆分的示意圖；圖6a為本發(fā)明中將正三角形排布驅(qū)動(dòng)單元拆分到三個(gè)波前校正器上去的示意圖；圖6b為本發(fā)明中將正三角形排布驅(qū)動(dòng)單元拆分到四個(gè)波前校正器上去的示意圖；圖7為由折射式4f光學(xué)系統(tǒng)連接兩個(gè)波前校正器組成的組合式波前校正器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為由折射式4f光學(xué)系統(tǒng)連接三個(gè)波前校正器組成的組合式波前校正器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為由反射式4f光學(xué)系統(tǒng)連接兩個(gè)波前校正器組成的組合式波前校正器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10為由反射式4f光學(xué)系統(tǒng)連接三個(gè)波前校正器組成的組合式波前校正器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，在一個(gè)大口徑地基望遠(yuǎn)鏡自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中，如果望遠(yuǎn)鏡主鏡口徑為D，大氣相干長(zhǎng)度為r0，根據(jù)(D/r0)2，得到需要制造的波前校正器的驅(qū)動(dòng)單元數(shù)目，且按照正方形排布，圖中的小圓圈為一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元。我們采用平面點(diǎn)群中的對(duì)稱操作，將這些驅(qū)動(dòng)單元拆分成幾類，每一類對(duì)應(yīng)到一個(gè)波前校正器上，從而達(dá)到減少每個(gè)波前校正器上驅(qū)動(dòng)單元數(shù)量的目的。具體分成幾類或者對(duì)應(yīng)到幾個(gè)波前校正器上由波前校正器制造水平?jīng)Q定。
具體的一種拆分步驟如圖2所示，解釋如下1.假定驅(qū)動(dòng)單元間距為d0，以一定邊長(zhǎng)r找出四個(gè)等間距的驅(qū)動(dòng)單元A、B、C、D，分別以過(guò)A、B、C、D且垂直鏡面的直線為旋轉(zhuǎn)軸，以r為半徑作4次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱操作，找出B、D的等效點(diǎn)E、F，A、C的等效點(diǎn)G、H，B、D的等效點(diǎn)I、J，A、C的等效點(diǎn)K、L。
2.再將旋轉(zhuǎn)軸分別移至E、F、G、H、I、J、K、L處，同樣以半徑r作4次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱操作，找出一系列等效點(diǎn)。
3.重復(fù)以上操作，直到平面上所有等效點(diǎn)都找出來(lái)，則這些等效點(diǎn)就是拆分出的一類驅(qū)動(dòng)單元。
4.在剩下的驅(qū)動(dòng)單元中同樣找出等間距為r的四個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，重復(fù)1、2、3操作，得到另一類驅(qū)動(dòng)單元。
5.重復(fù)操作4直到平面上的所有驅(qū)動(dòng)單元都拆分完成。
半徑r的選擇決定了拆分后的驅(qū)動(dòng)單元的種類數(shù)。r從小到大可以取d0、2d0、 2d0、3d0、 ......，分別對(duì)應(yīng)為拆分成2類、4類、5類、8類、9類、10類......，即將一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元間距為d0的波前校正器用2個(gè)、4個(gè)、5個(gè)、8個(gè)、9個(gè)、10個(gè)......驅(qū)動(dòng)單元間距分別為d0、2d0、 2d0、3d0、 ......的波前校正器組合起來(lái)實(shí)現(xiàn)。
如圖3a所示為將正方形排布的驅(qū)動(dòng)單元拆分成兩類驅(qū)動(dòng)單元的示意圖，等號(hào)右邊代表拆分前的驅(qū)動(dòng)單元排布方式，等號(hào)左邊代表拆分后的兩類驅(qū)動(dòng)單元排布方式。
如圖3b所示為將正方形排布的驅(qū)動(dòng)單元拆分成四類驅(qū)動(dòng)單元的示意圖，等號(hào)右邊代表拆分前的驅(qū)動(dòng)單元排布方式，等號(hào)左邊代表拆分后的四類驅(qū)動(dòng)單元排布方式。
如圖3c所示為將正方形排布的驅(qū)動(dòng)單元拆分成五類驅(qū)動(dòng)單元的示意圖，等號(hào)后代表拆分前的驅(qū)動(dòng)單元排布方式，等號(hào)前代表拆分后的五類驅(qū)動(dòng)單元排布方式。
如圖4所示，在一個(gè)大口徑地基望遠(yuǎn)鏡自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中，如果望遠(yuǎn)鏡主鏡口徑為D，大氣相干長(zhǎng)度為r0，根據(jù)(D/r0)2，得到需要制造的波前校正器的驅(qū)動(dòng)單元數(shù)目，且按照正三角形排布，圖中的小圓圈為一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元。我們也可采用平面點(diǎn)群中的對(duì)稱操作，將這些驅(qū)動(dòng)單元拆分成幾類，每一類對(duì)應(yīng)到一個(gè)波前校正器上，從而達(dá)到減少每個(gè)波前校正器上安裝驅(qū)動(dòng)單元數(shù)量的目的。具體分成幾類或者對(duì)應(yīng)到幾個(gè)波前校正器上由波前校正器制造水平?jīng)Q定。
具體的一種拆分步驟如圖5所示，解釋如下1.假定驅(qū)動(dòng)單元間距為d0，以一定邊長(zhǎng)r找出三個(gè)等間距的驅(qū)動(dòng)單元A、B、C，分別以過(guò)A、B、C且垂直鏡面的直線為旋轉(zhuǎn)軸，以r為半徑作6次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱操作，找出B、C的等效點(diǎn)D、E、K、L，A、C的等效點(diǎn)E、F、G、H，A、B的等效點(diǎn)H、I、J、K。
2.再將旋轉(zhuǎn)軸分別移至D、E、F、G、H、I、J、K處，同樣以半徑r作6次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱操作，找出一系列等效點(diǎn)。
3.重復(fù)以上操作，直到平面上所有等效點(diǎn)都找出來(lái)，則這些等效點(diǎn)就是拆分出的一類驅(qū)動(dòng)單元。
4.在剩下的驅(qū)動(dòng)單元中同樣找出等間距為r的三個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，重復(fù)1、2、3操作，得到另一類驅(qū)動(dòng)單元。
5.重復(fù)操作4直到平面上的所有驅(qū)動(dòng)單元都拆分完成。
半徑r的選擇決定了拆分后的驅(qū)動(dòng)單元的種類數(shù)。r從小到大可以取d0、2d0、 3d0、 ......，分別對(duì)應(yīng)為拆分成3類、4類、7類、9類、13類......，即將一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元間距為d0波前校正器用3個(gè)、4個(gè)、7個(gè)、9個(gè)、13個(gè)......驅(qū)動(dòng)單元間距分別為d0、2d0、 3d0、 ......的波前校正器組合起來(lái)實(shí)現(xiàn)。
如圖6a所示為將正三角形排布的驅(qū)動(dòng)單元拆分成三類驅(qū)動(dòng)單元的示意圖，等號(hào)下邊代表拆分前的驅(qū)動(dòng)單元排布方式，等號(hào)上邊代表拆分后的三類驅(qū)動(dòng)單元排布方式。
如圖6b所示為將正三角形排布的驅(qū)動(dòng)單元拆分成四類驅(qū)動(dòng)單元的示意圖，等號(hào)后代表拆分前的驅(qū)動(dòng)單元排布方式，等號(hào)前代表拆分后的四類驅(qū)動(dòng)單元排布方式。
拆分完成后，將每一類驅(qū)動(dòng)單元對(duì)應(yīng)到一個(gè)波前校正器上，拆分成幾類對(duì)應(yīng)為幾個(gè)波前校正器。所有波前校正器依次用4f光學(xué)系統(tǒng)連接起來(lái)，組成一個(gè)組合式波前校正器，且使得每個(gè)波前校正器都處在光學(xué)成像共軛位置。
當(dāng)采用折射式4f光學(xué)系統(tǒng)且驅(qū)動(dòng)單元被拆分成兩類時(shí)，如圖7所示，入射波前為受到大氣湍流擾動(dòng)的畸變波前，首先入射到第一個(gè)波前校正器1上，再經(jīng)過(guò)4f光學(xué)系統(tǒng)2入射到第二個(gè)波前校正器3上，最終出射光的波前同時(shí)得到波前校正器1、3的校正。
當(dāng)采用折射式4f光學(xué)系統(tǒng)且驅(qū)動(dòng)單元被拆分成三類時(shí)，則在兩類的基礎(chǔ)上，再添加一個(gè)4f光學(xué)系統(tǒng)4和一個(gè)波前校正器5。如圖8所示，入射波前為受到大氣湍流擾動(dòng)的畸變波前，首先入射到第一個(gè)波前校正器1上，再經(jīng)過(guò)4f光學(xué)系統(tǒng)2入射到第二個(gè)波前校正器3上，然后經(jīng)過(guò)4f光學(xué)系統(tǒng)4入射到第三個(gè)波前校正器5上，最終出射光的波前同時(shí)得到波前校正器1、波前校正器3和波前校正器5的校正。如果需要更多的波前校正器，則以后的第四個(gè)波前校正器、第五個(gè)波前校正器......依次通過(guò)4f光學(xué)系統(tǒng)連接起來(lái)。
當(dāng)采用反射式4f光學(xué)系統(tǒng)且驅(qū)動(dòng)單元被拆分成兩類時(shí)，如圖9所示，入射波前為受到大氣湍流擾動(dòng)的畸變波前，首先入射到第一個(gè)波前校正器1上，再經(jīng)過(guò)由離軸拋物反射鏡6、7組成的4f光學(xué)系統(tǒng)入射到第二個(gè)波前校正器3上，最終出射光的波前同時(shí)得到波前校正器1、3的校正。
當(dāng)采用反射式4f光學(xué)系統(tǒng)且驅(qū)動(dòng)單元被拆分成三類時(shí)，則在兩類的基礎(chǔ)上，再添加一個(gè)由離軸拋物反射鏡6、7組成的4f光學(xué)系統(tǒng)和一個(gè)波前校正器5。如圖10所示，入射波前為受到大氣湍流擾動(dòng)的畸變波前，首先入射到第一個(gè)波前校正器1上，再經(jīng)過(guò)由離軸拋物反射鏡6、7組成的4f光學(xué)系統(tǒng)入射到第二個(gè)波前校正器3上，然后經(jīng)過(guò)由離軸拋物反射鏡8、9組成的4f光學(xué)系統(tǒng)入射到第三個(gè)波前校正器5上，最終出射光的波前同時(shí)得到波前校正器1、波前校正器3和波前校正器5的校正。如果需要更多的波前校正器，則以后的第四個(gè)波前校正器、第五個(gè)波前校正器......依次通過(guò)4f光學(xué)系統(tǒng)連接起來(lái)。
權(quán)利要求
1.基于共軛成像的組合式波前校正器，其特征在于包括至少兩個(gè)波前校正器和4f光學(xué)系統(tǒng)，相鄰的波前校正器由4f光學(xué)系統(tǒng)連接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)組合式波前校正器，且使每個(gè)波前校正器都處在光學(xué)共軛成像位置，即每一個(gè)波前校正器依次放在4f光學(xué)系統(tǒng)的前焦面和后焦面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于共軛成像的組合式波前校正器，其特征在于所述的4f光學(xué)系統(tǒng)采用透鏡構(gòu)成，或采用離軸反射拋物鏡構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于共軛成像的組合式波前校正器，其特征在于所述的波前校正器采用壓電陶瓷(PZT)或電致伸縮陶瓷(PMN)作為驅(qū)動(dòng)器來(lái)制造的連續(xù)鏡面變形鏡；或采用雙壓電變形鏡(Bimorph mirror)；或采用微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制造的變形鏡；或是液晶空間光調(diào)制器件(LC-SLM)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于共軛成像的組合式波前校正器，其特征在于所述的每個(gè)波前校正器的驅(qū)動(dòng)單元排列為將已知排布數(shù)量的驅(qū)動(dòng)單元按照平面點(diǎn)群中的對(duì)稱操作拆分成幾類，每一類對(duì)應(yīng)到一個(gè)波前校正器上去，所有波前校正器的驅(qū)動(dòng)單元成像在一個(gè)波前校正器位置上時(shí)呈拆分前的排布。
全文摘要
基于共軛成像的組合式波前校正器，包括多個(gè)波前校正器和4f光學(xué)系統(tǒng)，所述的波前校正器可以是兩個(gè)、三個(gè)或更多，波前校正器可以是采用壓電陶瓷(PZT)或電致伸縮陶瓷(PMN)作為驅(qū)動(dòng)器來(lái)制造的連續(xù)鏡面變形鏡，也可以是雙壓電變形鏡(Bimorph mirror)，也可以是采用微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制造的變形鏡，還可以是液晶空間光調(diào)制器件(LC－SLM)；所述的4f光學(xué)系統(tǒng)既可以采用透鏡構(gòu)成，也可以采用離軸反射拋物鏡構(gòu)成，4f光學(xué)系統(tǒng)將相鄰波前校正器依次連接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)組合式波前校正器，且使每個(gè)波前校正器都處在光學(xué)共軛成像位置。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工工藝易實(shí)現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)高驅(qū)動(dòng)單元數(shù)波前校正效果提供了一個(gè)易于實(shí)現(xiàn)的方法。
文檔編號(hào)G02B27/00GK1888948SQ200610089780
公開日2007年1月3日 申請(qǐng)日期2006年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月17日
發(fā)明者張雨?yáng)|, 劉桂林 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所