專利名稱：兼具開環(huán)與閉環(huán)的液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域，涉及液晶校正器、波前探測器、自適應(yīng)光學(xué)控制器、 波片和PBS分束器等光學(xué)元件的組合，具體地說是一種在開環(huán)自適應(yīng)校正與閉環(huán)自適應(yīng)校 正功能之間能夠進(jìn)行切換的液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光波前自適應(yīng)校正系統(tǒng)的功能是對入射光的畸變波前進(jìn)行實時補(bǔ)償校正，得到理 想的光學(xué)成像。 液晶校正器采用微電子技術(shù)，利用液晶器件高象素密度的特點(diǎn)，校正精度高，制備 工藝成熟，因此液晶校正器的自適應(yīng)系統(tǒng)具有很大的應(yīng)用潛力。但液晶校正器須在偏振光 中工作，如果自適應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計為通常的閉環(huán)自適應(yīng)校正模式，能量利用率將減低50% 。在 "無偏振光能量損失的液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)"(中國專利，ZL 200610173382)中提出了一項 開環(huán)液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)，解決了液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)50%的偏振能量損失問題。
所說的閉環(huán)自適應(yīng)校正系統(tǒng)是光束先通過偏振片、校正器，然后被分為兩路，一路 用于探測，一路用于成像，且兩路的能量均為入射光能的25%。而開環(huán)自適應(yīng)校正系統(tǒng)是 用PBS偏振分束器先將入射光分為兩路偏振光，則大約50%的能量用于探測，另外50%的 能量用于波前校正后進(jìn)入CCD成像。閉環(huán)校正器與開環(huán)校正器在光路上是完全不同，導(dǎo)致 了開環(huán)液晶自適應(yīng)校正系統(tǒng)能量損耗很小。 但是，開環(huán)自適應(yīng)校正系統(tǒng)中測量液晶校正器對Zernike模式的響應(yīng)矩陣時，需 將前述的自適應(yīng)校正系統(tǒng)中的PBS偏振分束器做一次旋轉(zhuǎn)以將光路切換至內(nèi)置光源，待響 應(yīng)矩陣測試完成后再將PBS旋轉(zhuǎn)復(fù)原。由此帶來的復(fù)位誤差對成像效果影響比較大。要減 小這個影響，需對轉(zhuǎn)動器件的轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)精度提出很高要求，很難做到。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種兼具開環(huán)與閉環(huán)的液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明無需 PBS分束器(PBS偏振分束器)轉(zhuǎn)動即可實現(xiàn)開環(huán)與閉環(huán)兩種校正模式之間的切換，可以避 免PBS分束器復(fù)位誤差，降低了系統(tǒng)的裝調(diào)難度和器件成本。當(dāng)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)處于開環(huán) 校正模式時，能量利用率相對閉環(huán)模式提高近1倍；當(dāng)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)處于閉環(huán)校正模式 時，可以監(jiān)測校正精度與穩(wěn)定性，彌補(bǔ)了單純開環(huán)校正系統(tǒng)不能定量了解校正精度的缺陷。
本發(fā)明是將PBS分束器放置于液晶校正器之后。由于液晶校正器只能對偏振光、 即e光進(jìn)行校正，而對o光沒有校正效果，用PBS分束器將液晶校正器出射的e光和o光分 開，分別對應(yīng)S光和P光而分成兩束；得到校正的S光進(jìn)入CCD成像，未得到校正的P光進(jìn) 入探測器，使探測器測得校正前的畸變波前。這種校正方法屬于開環(huán)校正模式。當(dāng)測量探 測器對液晶校正器的Zernike模式響應(yīng)矩陣時，只需要在與外來光接收系統(tǒng)的對接處放置 一點(diǎn)光源，點(diǎn)光源的發(fā)光波長在以A為中心的(A-15nm) (A+15nm)范圍內(nèi)，再在PBS 分束器前插入一晶軸與液晶取向方向成45度角的A/2波片，經(jīng)過入/2波片的光束，其偏振態(tài)會旋轉(zhuǎn)90度，使得PBS分束器分開的兩束光中受到液晶校正器調(diào)制的e光對應(yīng)成P光 進(jìn)入波前探測器，完成響應(yīng)矩陣的測量。移出點(diǎn)光源和入/2波片，系統(tǒng)即可進(jìn)行外目標(biāo)的 波前自適應(yīng)校正成像。 這個設(shè)計不再需要PBS分束器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，只需插入和抽出點(diǎn)光源和波片即可。波 片元件是平板狀單軸晶體，厚度非常均勻也很薄，它的插入和抽出不會影響光束的傳播方 向，所以不會影響到系統(tǒng)的校正成像性能。同時，這種光路允許在液晶校正器前插入偏振片 和在PBS分束器前插入入/4波片，使校正模式變?yōu)殚]環(huán)校正，且偏振片和入/4波片的插入 也都不會影響系統(tǒng)光軸的一致性精度。其原理是，插入的偏振片將入射光轉(zhuǎn)換為偏振光，可 以100%的實現(xiàn)液晶校正器的波前校正；然后通過一晶軸與液晶取向方向成45度角放置的 A /4波片，使波前校正后的線偏振光轉(zhuǎn)化為圓偏振光；圓偏振光再經(jīng)過PBS分束器時被分 為兩束同樣被校正的光束，分別進(jìn)入波前探測器和成像CCD，形成先校正后探測的閉環(huán)校正 工作模式。雖然所兼容的這個閉環(huán)自適應(yīng)校正模式使用了偏振片，造成50 %光能損失而不 適合對外目標(biāo)進(jìn)行自適應(yīng)成像，但可用于系統(tǒng)校正性能的定量評價，便于液晶開環(huán)自適應(yīng) 光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)和工程化。 本發(fā)明的主光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示，由第一透鏡1、快速振鏡2、第二透鏡3、第三透 鏡4、液晶校正器5、薄型反射鏡6、第四透鏡7、 PBS分束器8、第五透鏡9、成像CCD10、波前 探測器11組成?？焖僬耒R2位于第一透鏡1和第二透鏡3之間，其法線與第一透鏡1的光 軸成45度，同時使入射光束以45度反射到第二透鏡3 ;第三透鏡4位于第二透鏡3和液晶 校正器5之間，第二透鏡3的光軸與第三透鏡4的光軸平行，相距4mm 6mm，以使從第三透 鏡4出射的光束能夠入射到薄型反射鏡6上；薄型反射鏡6位于第三透鏡4和第四透鏡7 之間，其法線與第三透鏡4和第四透鏡7的光軸成45度配置，且三者在同一平面上；PBS分 束器8位于第四透鏡7和波前探測器11之間；第五透鏡9位于PBS分束器8和成像CCD10 之間。主光學(xué)系統(tǒng)為開環(huán)自適應(yīng)校正模式。 第一透鏡1的前焦點(diǎn)與外目標(biāo)的光學(xué)探測系統(tǒng)的焦面相接，將光學(xué)探測系統(tǒng)的出 瞳成像于快速振鏡2上；第二透鏡3和第三透鏡4為一對共軛透鏡組，用于使快速振鏡2與 液晶校正器5共軛配置；第二透鏡3與第三透鏡4間的距離為二者的焦距之和；快速振鏡2 和第二透鏡3的光軸為光軸一，第三透鏡4和液晶校正器5的光軸為光軸二，這兩條光軸相 互平行，相距4mm 6mm ;薄型反射鏡6置于第二透鏡3和第三透鏡4之間，且位于光軸一 相對于光軸二的鏡像位置，實現(xiàn)焦點(diǎn)分光，保證薄型反射鏡6不遮擋經(jīng)第二透鏡3入射到液 晶校正器5上的光，還可以將液晶校正器5反射出來的光導(dǎo)入后續(xù)系統(tǒng)；第三透鏡4和第四 透鏡7也是一對共軛透鏡組，用于將液晶校正器5與波前探測器11共軛配置；成像CCD10 置于第五透鏡9的像面處。 開環(huán)自適應(yīng)校正模式下響應(yīng)矩陣的測量光路如圖2所示，A/2波片14放置于第 四透鏡7和PBS分束器8之間，且A /2波片14的晶軸與液晶校正器5的液晶取向方向成 45度角；在第一透鏡1的前焦點(diǎn)處放置點(diǎn)光源15。 A /4波片12和偏振片13插入圖1所述系統(tǒng)后，可將系統(tǒng)切換為閉環(huán)自適應(yīng)校正 模式。如圖3所示，偏振片13放置于第一透鏡1與快速振鏡2之間，A/4波片12放置于 第四透鏡7和PBS分束器8之間；點(diǎn)光源15作為閉環(huán)系統(tǒng)的成像目標(biāo)，用于檢測系統(tǒng)的校 正精度與穩(wěn)定性。
本發(fā)明中所涉及的快速振鏡2、液晶校正器5、成像CCD10和波前探測器11均與一 計算機(jī)相連結(jié)。計算機(jī)中存有自適應(yīng)校正控制軟件，其作用是首先對波前探測器11獲得 的光學(xué)信號進(jìn)行處理，給出波前函數(shù)和數(shù)值解，并將波前整體傾斜數(shù)據(jù)與高階畸變數(shù)據(jù)分 離，將波前整體傾斜數(shù)據(jù)反饋給快速振鏡2以消除光束的抖動；高階畸變數(shù)據(jù)反饋給液晶 校正器5，使波前的高階畸變得到校正；此時成像CCD10所攝的像為校正后的無畸變像，計 算機(jī)給出校正過程所拍攝像的顯示。 本發(fā)明可以高精度地實現(xiàn)開環(huán)與閉環(huán)兩種校正模式之間的切換，降低了系統(tǒng)的裝 調(diào)難度和器件成本。


圖l是本發(fā)明的開環(huán)自適應(yīng)校正模式光路示意圖。1為第一透鏡，2為快速振鏡， 3為第二透鏡，4為第三透鏡，5為液晶校正器，6為薄型反射鏡，7為第四透鏡，8為PBS分束 器，9為第五透鏡，10為成像CCD， 11為波前探測器。第一透鏡1的前焦點(diǎn)與接收望遠(yuǎn)鏡的 焦點(diǎn)重合。 圖2是開環(huán)自適應(yīng)校正模式下測量響應(yīng)矩陣的光路示意圖。14為入/2波片，15 為點(diǎn)光源，放置于第一透鏡l的前焦點(diǎn)處。其中A為點(diǎn)光源15的中心發(fā)光波長。
圖3是系統(tǒng)的閉環(huán)自適應(yīng)校正模式光路示意圖。12為A/4波片，13為偏振片。
具體實施例方式
1)第一透鏡1、第二透鏡3、第三透鏡4、第四透鏡7、第五透鏡9均為雙膠合消色差 透鏡，且表面鍍有增透膜，口徑均為20mm，焦距分別為200mm、400mm、300mm、140mm、200mm。
2)快速振鏡2為閉環(huán)自適應(yīng)驅(qū)動式快速振鏡(德國PI公司)，直徑為20mm，反射 率大于97X，表面平整度PV值小于A/20，其中A = 633nm，最大轉(zhuǎn)動范圍2mrad，分辨率 0. 1 li rad。 3)波前探測器11為夏克-哈特曼型波前探測器(俄羅斯VisionicaLed. ) ，3mm接 收孔徑，微透鏡陣列為15X 15，探測波段從350nm 1000nm，測量精度達(dá)到峰谷值0. 05入， 均方根值0.01入。4)薄型反射鏡6，面積15mmX15mm，厚度小于2mm，反射率大于98%。
5)液晶校正器5為LCOS型液晶校正器(美國BNS公司)，響應(yīng)時間2. 6ms，象素數(shù) 256X256，位相調(diào)制深度633nm，位相調(diào)制深度是入射光中心波長的0. 95 1. 1倍，驅(qū)動電 壓的分度值即灰度級有256個。 6)PBS偏振分束器8，尺寸為25mmX25mmX25mm，其S偏振光或P偏振光的消光比 為1X10—3。 7)成像CCD10為英國ANDOR公司DV897型號的產(chǎn)品，像素數(shù)512X512。8)點(diǎn)光源15，是光纖束耦合的A = 633nm、波長范圍618nm 648nm的光源，光纖
束直徑lmm，單根光纖直徑為25 y m。9) A /2波片14， A /4波片12和偏振片13， 口徑均為20mm，其中A = 633nm。
10)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的搭建 依據(jù)圖1所示光路，利用1) 8)所述的元件搭建液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，各元件的
5位置與擺放方式嚴(yán)格按照"發(fā)明內(nèi)容"所述的位置與方式擺放，并且快速振鏡2、液晶校正器 5、成像CCD10和波前探測器11均與存有自適應(yīng)控制軟件的計算機(jī)相連結(jié)。
11)開環(huán)自適應(yīng)校正模式 測量波前探測器11對液晶校正器5的Zernike模式響應(yīng)矩陣 按照圖2所示位置，將點(diǎn)光源15和A /2波片14插入搭建的系統(tǒng)中，A /2波片14
的晶軸與液晶校正器5中液晶的取向方向成45度角，指令計算機(jī)依次發(fā)出前36項Zernike
模式信號驅(qū)動液晶校正器5 ;受到液晶校正器5調(diào)制的e光通過PBS分束器8進(jìn)入波前探測
器11 ;計算機(jī)自動讀取波前探測器11的光學(xué)響應(yīng)信號，并進(jìn)行數(shù)字化處理成為響應(yīng)矩陣，
存儲在數(shù)據(jù)庫中。 開環(huán)自適應(yīng)波前校正成像過程 得到響應(yīng)矩陣后，將A/2波片14撤離光路，形成以點(diǎn)光源15為成像目標(biāo)的開環(huán)
自適應(yīng)校正模式系統(tǒng)；指令計算機(jī)依據(jù)響應(yīng)矩陣處理波前探測器11給出的系統(tǒng)像差，驅(qū)動
液晶校正器5 ;按照開環(huán)的數(shù)據(jù)處理方法自適應(yīng)校正系統(tǒng)中存在的像差；觀察成像CCD10上
的光纖束成像。結(jié)果表明，自適應(yīng)校正前分辨不出光纖芯，而校正后光纖芯清楚顯現(xiàn)，說明
光路中的像差得到校正。
12)切入閉環(huán)自適應(yīng)校正模式 按照圖3所示位置，A /4波片12和偏振片13插入搭建的系統(tǒng)中，偏振片13的透 光軸與液晶校正器5中的液晶取向方向平行，A /4波片12的晶軸與液晶取向方向成45度 角，系統(tǒng)切換為閉環(huán)自適應(yīng)校正模式；點(diǎn)光源15作為成像目標(biāo)，指令計算機(jī)依據(jù)響應(yīng)矩陣 處理波前探測器11給出的系統(tǒng)像差，驅(qū)動液晶校正器5 ;按照閉環(huán)的數(shù)據(jù)處理方法自適應(yīng) 校正系統(tǒng)中存在的像差；觀察成像CCD10上的光纖束成像。結(jié)果表明，自適應(yīng)校正前分辨不 出光纖芯，而校正后光纖芯也清楚顯現(xiàn)，清晰程度與開環(huán)的效果沒有區(qū)別。觀察校正后波前 探測器11中的波前殘差，波前的峰谷差值PV = 0. 1 A 、均方根值RMS = 0. 03 "表明本發(fā) 明的設(shè)計能夠獲得很高的校正精度。
權(quán)利要求
一種兼具開環(huán)與閉環(huán)自適應(yīng)校正模式的液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，其特征是主光學(xué)系統(tǒng)由第一透鏡(1)、快速振鏡(2)、第二透鏡(3)、第三透鏡(4)、液晶校正器(5)、薄型反射鏡(6)、第四透鏡(7)、PBS分束器(8)、第五透鏡(9)、成像CCD(10)、波前探測器(11)組成；快速振鏡(2)位于第一透鏡(1)和第二透鏡(3)之間，其法線與第一透鏡的光軸成45度配置；第三透鏡(4)位于第二透鏡(3)的焦點(diǎn)和液晶校正器(5)之間，第二透鏡(3)與第三透鏡(4)光軸平行，相距4mm～6mm；薄型反射鏡(6)位于第三透鏡(4)和第四透鏡(7)之間，其法線分別與第三透鏡(4)和第四透鏡(7)的光軸成45度配置，且三者在同一平面上；PBS分束器(8)位于第四透鏡(7)和波前探測器(11)之間；第五透鏡(9)位于PBS分束器(8)和成像CCD(10)之間；快速振鏡(2)、液晶校正器(5)、成像CCD(10)和波前探測器(11)均與存有自適應(yīng)控制軟件的計算機(jī)相連結(jié)，形成開環(huán)自適應(yīng)校正模式系統(tǒng)；開環(huán)自適應(yīng)校正模式中響應(yīng)矩陣的測量光路，是將λ/2波片(14)插入主光學(xué)系統(tǒng)，放置于第四透鏡(7)和PBS分束器(8)之間，且λ/2波片(14)的晶軸與液晶校正器(5)中液晶的取向方向成45度角；點(diǎn)光源(15)放置于第一透鏡(1)的前焦點(diǎn)處；響應(yīng)矩陣測量后，將λ/2波片(14)和點(diǎn)光源(15)撤離光路，開始開環(huán)自適應(yīng)校正模式的工作；其中λ為點(diǎn)光源(15)的中心發(fā)光波長；當(dāng)系統(tǒng)切入閉環(huán)自適應(yīng)校正模式時須在主光學(xué)系統(tǒng)中將偏振片(13)插入第一透鏡(1)與快速振鏡(2)之間，且偏振片(13)的透光軸與液晶校正器(5)中的液晶取向方向平行；再將λ/4波片(12)插入第四透鏡(7)和PBS分束器(8)之間，且λ/4波片(12)的晶軸與液晶校正器(5)中的液晶取向方向成45度角；點(diǎn)光源(15)放置于第一透鏡(1)的前焦點(diǎn)處，系統(tǒng)即可在閉環(huán)自適應(yīng)校正模式下工作。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的兼具開環(huán)與閉環(huán)自適應(yīng)校正模式的液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，其 特征是所述的液晶校正器(5)為LCOS型液晶校正器，位相調(diào)制深度是入射光中心波長的 0. 95 1. 1倍，驅(qū)動電壓的分度值即灰度級有128 256個；所述的PBS偏振分束器(8)，其中S偏振光或P偏振光的消光比為1X10—3; 所述的點(diǎn)光源(15)為發(fā)光波長在以A為中心的(A-15nm) (A+15nm)范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明屬于自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域，是一種在開環(huán)自適應(yīng)校正與閉環(huán)自適應(yīng)校正功能之間能夠進(jìn)行切換的液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，涉及液晶校正器、波前探測器、波片和PBS分束器等光學(xué)元件的組合。提出了一種操作簡單、裝調(diào)難度低，穩(wěn)定性能好的開環(huán)液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，且兼容閉環(huán)自適應(yīng)校正模式。系統(tǒng)采用PBS偏振分束器替代普通偏振片，使液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的能量利用效率很高；由于PBS設(shè)置于液晶校正器之后進(jìn)行偏振分束，并與旋光機(jī)構(gòu)相結(jié)合，使得探測校正器的響應(yīng)矩陣時無需旋轉(zhuǎn)PBS，避免了由于這一動作造成的光軸復(fù)位誤差。另外系統(tǒng)可以切換為閉環(huán)自適應(yīng)校正光學(xué)系統(tǒng)，可以在閉環(huán)模式下定量檢測系統(tǒng)的校正性能，為裝調(diào)開環(huán)液晶自適應(yīng)系統(tǒng)提供了便利條件。
文檔編號G02B26/06GK101726848SQ20091021811
公開日2010年6月9日 申請日期2009年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月25日
發(fā)明者劉永剛, 宣麗, 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(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所