光束折疊式液晶自適應光學系統(tǒng)的設計方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于自適應光學領域，是一種光束折疊式液晶自適應光學成像系統(tǒng)的設計方法。如圖1所示，本發(fā)明通過引入多個離軸拋物面鏡和反射鏡組合多次折疊光束，縮小了系統(tǒng)體積。由于哈特曼探測器與液晶校正器為前饋控制，在響應信號測量時必須切換為反饋控制，通過第四離軸拋物面鏡13移出光路、對準第三離軸拋物面鏡12出射的平行光束在探測支路插入45°放置的第五反射鏡18，使通過液晶校正器10的光束被折軸進入哈特曼波前探測器17中、且從第三透鏡16出射的光束被截止，同時令快速振鏡4只作為普通反射鏡，實現(xiàn)了自適應成像光路與液晶校正器響應信號測量光路間的切換，很好地避免了切換前后自適應系統(tǒng)中間光路的對準錯位問題。
【專利說明】光束折疊式液晶自適應光學系統(tǒng)的設計方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于自適應光學領域，是一種光束折疊式、緊湊型液晶自適應光學成像系統(tǒng)的設計方法。涉及拋物面鏡、反射鏡、分色鏡、PBS分束器等光學元件與自適應光學系統(tǒng)中的關鍵元件液晶波前校正器、哈特曼波前探測器、快速振鏡的組合結構，具體地說是一種裝備于大口徑地基望遠鏡的光束折疊式光學結構的液晶自適應光學成像系統(tǒng)的設計方法。
【背景技術】
[0002]液晶自適應光學系統(tǒng)可以對大氣引起的光學波前畸變進行實時補償校正、恢復望遠鏡的高分辨率成像，因此在大口徑地基望遠鏡中具有重要應用。但是，隨著望遠鏡口徑的增加，液晶自適應光學系統(tǒng)中的光學元件尺寸也相應增大，如果仍然采用簡單的透射式結構則系統(tǒng)體積會顯著增加。這些變化不僅增加了透射式光學元件的加工難度和系統(tǒng)制備后期的裝調(diào)難度，對液晶自適應光學系統(tǒng)的運行條件也提出了更高要求。因此，本發(fā)明針對上述問題，提出采用反射式光學元件對光束進行折疊，大幅縮小系統(tǒng)結構。由于采用了哈特曼探測器與液晶校正器為前饋控制的自適應光路，在對液晶校正器響應信號測量時必須切換為反饋控制，這種變動容易造成自適應系統(tǒng)中間光路的對準錯位，本發(fā)明很好地避免了這個問題。
[0003]液晶校正器響應矩陣的獲得方法參見中國發(fā)明專利(ZL200610173382.3)，“無偏振光能量損失的液晶自適應光學系統(tǒng)”。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種光束折疊式緊湊型液晶自適應光學成像系統(tǒng)的設計方法。
[0005]本發(fā)明的內(nèi)容是在圖1所示的主光學系統(tǒng)中引入多個離軸拋物面鏡(2、6、13、14)和反射鏡(1、3、7、12)來代替一般透射系統(tǒng)中的透鏡，從而使光束折疊，縮小系統(tǒng)體積；并通過將第四離軸拋物面鏡13移出光路、第五反射鏡18插入光路、以及與點光源氙燈19的光學組合，如圖2所示，實現(xiàn)自適應成像光路與系統(tǒng)中快速振鏡4和液晶校正器10的響應信號測量光路間的切換，切換前后兩個校正器與哈特曼波前探測器17的光路對準精度沒有影響。
[0006]為了更好地理解本發(fā)明，下面詳述本發(fā)明的光路設計思想。
[0007]光路布局如圖1所示，I為第一反射鏡、2為第一離軸拋物面鏡、3為第二反射鏡、4為快速振鏡、5為分色鏡、6為第二離軸拋物面鏡、7為第三反射鏡、8為第一透鏡、9為PBS偏振分束器、10為液晶校正器、11為第四反射鏡、12為第三離軸拋物面鏡、13為第四離軸拋物面鏡、14為成像(XD相機、15為第二透鏡、16為第三透鏡、17為哈特曼波前探測器、20為本發(fā)明系統(tǒng)連接的望遠鏡焦點。
[0008]望遠鏡接收的目標光出射在望遠鏡焦面處聚焦為點20，令聚焦點20同時位于第一拋物面鏡2的焦點處；而鑒于第一拋物面鏡2的焦距較長使用第一反射鏡I折疊光路然后入射到第一拋物面鏡2上；由于是焦點發(fā)出的光束，故第一拋物面鏡2反射出的光束變?yōu)槠叫泄馐⒂傻诙瓷溏R3再次折疊光路后到達與光軸成45°放置的快速振鏡4上，快速振鏡4用于校正大氣干擾引入的波前傾斜；被校正傾斜的光束可以無抖動地到達短波通分色鏡5，分色鏡5的作用是使望遠鏡接收的光能量按照波段分為兩束，其中短波波段的光束透射、長波波段的光束90°折軸反射，形成互為垂直的長波光束和短波光束；透過的短波光束最終進入哈特曼波前探測器17，以探測消除傾斜后的光波前的高階畸變，這段光路稱為波前探測支路；90°折軸反射的長波光束經(jīng)液晶校正器10校正哈特曼波前探測器17獲得的波前高階畸變、最終進入CXD相機14成像，這段光路稱為校正成像支路。
[0009]在波前探測支路，光路較短，通過共焦面的第二透鏡15、第三透鏡16進行縮束、形成直徑與哈特曼波前探測器17的接收口徑相同的平行光束而全部進入其中即可；哈特曼波前探測器17的作用是探測快速振鏡4校正了波前傾斜后的剩余光波前畸變，因此必須使快速振鏡4與哈特曼波前探測器17共軛，即快速振鏡4到第二透鏡15的光路長度為第二透鏡15的焦距，第三透鏡16到哈特曼波前探測器17的距離為第三透鏡16的焦距。
[0010]校正成像支路的光束行程很長，進一步分為兩段:第一段是從分色鏡5反射到入射液晶校正器10的入射光路，第二段是從液晶校正器10反射到進入CXD相機14的反射光路。對于入射光路采用第二拋物面鏡6、第三反射鏡7的組合對光束進行折疊，同時令第二拋物面鏡6與第一透鏡8共焦面，使光束調(diào)整為直徑與液晶校正器10接收口徑相同的平行光入射其上；第三反射鏡7的反射角度與第二拋物面鏡6的反射角度相同，使到達第二拋物面鏡6的光束和從第三反射鏡7反射光束的光軸相互平行；令這一光束偏心入射第一透鏡8，以使入射光路光束與反射光路光束完全分離，即第一透鏡8的軸線相對入射它的光束軸線上移0.035fl?0.052fl，其中fl為第一透鏡8的焦距；從第一透鏡8出射的光束產(chǎn)生約2°?3°的傾斜、經(jīng)PBS偏振分束器9成為偏振光入射液晶校正器10，設置液晶校正器10的液晶取向方向平行于偏振方向，使通過液晶校正器10的光束波前畸變能被消除；從液晶校正器10反射的光束以與未經(jīng)校正光束的傾斜方向反向傾斜2°?3°再次通過PBS偏振分束器9、到達第一透鏡8，然后到達第四反射鏡11，正好使第四反射鏡11的光束與第三反射鏡7上的入射光路光束完全分開；第四反射鏡11與第三拋物面鏡12所構成的光路完全和第三反射鏡7與第二拋物面鏡6構成的光路對稱，光束再次變?yōu)榕c哈特曼波前探測器17接收口徑相同的平行光束入射到第四拋物面鏡13上，經(jīng)第四拋物面鏡13離軸匯聚于成像CXD相機14上。
[0011]為做自適應校正成像前的波前探測器相對校正器的響應測量，需使第三拋物面鏡12與第一透鏡8組合將液晶校正器10的孔徑平面成像于哈特曼波前探測器17的微透鏡陣列位置處，另外探測光路的設計已使快速振鏡4與哈特曼波前探測器17共軛，再將點光源氙燈19放置在望遠鏡的出光焦點20處、也是第一拋物面鏡2的焦點處，同時將望遠鏡接收的光截斷而不能進入自適應光路。首先測量快速振鏡4的響應數(shù)據(jù)；然后進行液晶校正器10的響應測量:如圖2所示，將第四拋物面鏡13向上移出光路，并對應第三拋物面鏡13反射出的平行光束在探測支路中45°角置入第五反射鏡18，此時經(jīng)液晶校正器10調(diào)制的反射光路光束被第五反射鏡18折軸90°進入哈特曼波前探測器17、同時截斷從第三透鏡16出射的光束，可以完成對液晶校正器10的響應信號測量；最后從探測支路移出第五反射鏡18，并將第四拋物面鏡13下移回歸至圖1所示的位置，將點光源氙燈19移出光路，恢復與望遠鏡連接。即可進行空間目標的自適應波前校正成像。
[0012]本發(fā)明的系統(tǒng)不僅體積小，而且通過可移動第四離軸拋物面鏡13、第五反射鏡18、點光源氙燈19的光學組合，實現(xiàn)了哈特曼探測器17與液晶校正器10的前饋控制光路向液晶校正器10響應信號測量的反饋控制光路的切換，很好地避免了切換前后自適應系統(tǒng)中間光路的對準錯位問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的液晶自適應校正成像光路設計示意圖。I為第一反射鏡、2為第一拋物面鏡，3為第二反射鏡，4為快速振鏡，5為以700nm波長分色的短波通分色鏡，6為第二拋物面鏡，7為第三反射鏡，8為第一透鏡，9為PBS偏振分束器，10為液晶校正器，11為第四反射鏡，12為第三拋物面鏡，13為可移動第四拋物面鏡，14為成像(XD，15、16分別為第二、第三透鏡，17為哈特曼波前探測器。
[0014]圖2是測量液晶校正器10響應信號的光路不意圖。19為點光源氣燈,位于第一拋物面鏡2的焦點處；第四拋物面鏡13從光路中移出，18為45°設置的第五反射鏡，以使經(jīng)過液晶校正器10的光束能夠進入哈特曼波前探測器17、同時截斷從第三透鏡16出射的光束。
【具體實施方式】
[0015]與2米口徑望遠鏡匹配的反射式液晶自適應光學系統(tǒng)的設計，望遠鏡焦距196米。圖1、圖2中各元件的具體參數(shù)如下:
[0016]I)第一拋物面鏡2、第二拋物面鏡6、第三拋物面鏡12、第四拋物面鏡13均為離軸拋物面反射鏡，口徑分別為100mm、50mm、50mm、50mm,曲率半徑分別為3332mm、1940mm、1940mm、920mm,焦距分別為 1666mm、970mm、970mm、460mm,離軸量分別為 300mm.120mm、120mm、150mm ;第四拋物面鏡13下設置垂直于其與第二離軸拋物面鏡12之間光軸的導軌，使其可以沿導軌向上方移出光路。
[0017]2)第一透鏡8、第二透鏡15、第三透鏡16均為雙膠合消色差透鏡，口徑分別為60mm、20mm、20mm,焦距分別為 350mm、62mm、62mm。
[0018]3)快速振鏡4為德國PI公司的S330型號產(chǎn)品，直徑為25mm，初始以45度角放置，對應的出瞳直徑為17_，相對第二反射鏡3出射的平行光束成45度角放置，使入射光束折軸90°能夠進入哈特曼波前探測器17。
[0019]4)哈特曼波前探測器17具有17mm接收孔徑，可探測波段從350nm?lOOOnm。
[0020]5)第一、第二、第三、第四、第五反射鏡1、3、7、11、18，口徑分別為100mm、70mm、30mm、30mm、35mm ;第五反射鏡18與哈特曼波前探測器17的入射光軸成45°角放置，且在第五反射鏡18之下設置平行于第三離軸拋物面鏡12光軸的導軌，使第五反射鏡18可以沿導軌方向左右移動，其中向右移動是為移出光路，向左移動是為進入光路。
[0021]6)液晶校正器10為純位相LCOS型液晶校正器，接收窗口為6.14mmX6.14mm，象素數(shù)256 X 256，位相調(diào)制深度800nm。
[0022]7)PBS偏振分束器9，尺寸為50mmX50mmX50mm，其P偏振光偏振光的消光比為1X10-3。[0023]8)成像C⑶相機14為英國ANDOR公司DV897型號的產(chǎn)品，像素數(shù)512X512，口徑為 13mmX13mm。
[0024]9)點光源氣燈19,是光纖束稱合的齒素光源,具有氣燈光譜,光纖束直徑1_。
[0025]10)分色鏡5為分色波長700nm的短波通分色鏡，口徑35mm。
[0026]11)利用I)?10)所述的元件按照圖1所示光路搭建液晶自適應光學系統(tǒng)。第一反射鏡I與望遠鏡焦點20間距離為1000mm，第一拋物面鏡2與第一反射鏡I間距離為666mm，第二反射鏡3與第一拋物面鏡2間距離850mm，第二反射鏡3與快速振鏡4間距離920mm,快速振鏡4與分色鏡5間距離為31mm,分色鏡5與第二拋物面鏡6間距離為570mm,第二拋物面鏡6與第三反射鏡7間距離為440mm，第三反射鏡7與第一透鏡8間距離為880mm,第一透鏡8與PBS偏振分束器9間距離為100mm，PBS偏振分束器9與液晶校正器10間距離為150mm，第一透鏡8與第四反射鏡11間距離為880mm，第四反射鏡11與第三拋物面鏡12間距離為440mm，第三拋物面鏡12與第四拋物面鏡13間距離為440mm，第四拋物面鏡13與成像(XD相機14間距離為460mm，分色鏡5與第二透鏡15間距離為31mm，第二透鏡15與第三透鏡16間距離為124mm，第三透鏡16與哈特曼波前探測器17間距離為62mm。
[0027]12)快速振鏡4、哈特曼波前探測器17、液晶校正器10、成像CXD相機14均與存有自適應控制軟件的工控機相連結。以上即形成能與2米口徑望遠鏡匹配的本發(fā)明所設計的系統(tǒng)。
[0028]13)在實驗室模擬操作自適應校正過程:
[0029]首先測量快速振鏡4、液晶校正器10在標準驅動信號下哈特曼波前探測器17的響應信號，將具有穩(wěn)定光譜的氙燈即點光源氙燈19放置在第一離軸拋物面鏡2的焦點、即望遠鏡焦點20處，虛擬將望遠鏡出射的光束截斷而不能進入本發(fā)明系統(tǒng)；
[0030]測量快速振鏡4在標準驅動信號下哈特曼波前探測器17的響應信號:令工控機向快速振鏡4的A軸和B軸分別施加系列電壓Vx、Vy，其中Vx、Vy的電壓范圍在[0V，9V]、分為60個分度值，并在哈特曼波前探測器17中讀出相應的微透鏡陣列光斑質心平均偏移量值K、Ay,做成兩個二維響應矩陣K (Vx)、Ay (Vy)，然后存儲于工控機的數(shù)據(jù)庫中，完成了快速振鏡4的響應信號測量；
[0031]再將光路改變?yōu)闇y量液晶校正器10的響應信號光路，按照圖2所示，將第四拋物面鏡13向上移出光路，并對應第三拋物面鏡12反射出的平行光束將第五反射鏡18向左移入探測支路，使經(jīng)液晶校正器10調(diào)制的反射光路光束被第五反射鏡18折軸90°進入哈特曼波前探測器17、同時截斷從第三透鏡16出射的光束，令快速振鏡4只作為普通反射鏡，測量液晶校正器10的響應信號:用工控機向液晶校正器10施加19階Zernike模式的分布電壓，同時在哈特曼波前探測器17中獲得相應的微透鏡陣列光斑質心響應信號，做成響應矩陣D，將矩陣D存入工控機的數(shù)據(jù)庫中，完成了液晶校正器10的響應信號的測量；
[0032]從探測支路向右移出第五反射鏡18，并將第四拋物面鏡13下移回歸至圖1所示的位置；將點光源氙燈19虛擬為2米口徑望遠鏡接收的空間目標的像，其光束經(jīng)其反射進入成像CXD相機14，證明恢復為與望遠鏡連接的自適應系統(tǒng)；
[0033]在第二反射鏡3和快速振鏡4之間插入湍流模擬器，利用工控機中的自適應控制軟件進行點光源氙燈19的自適應校正成像。
[0034]成像CXD相機14中顯示的結果證明本發(fā)明所設計的與2米口徑望遠鏡匹配的反射式液晶自適應光學系統(tǒng)能夠正常工作。
[0035]發(fā)明所設計的系統(tǒng)體積約為1400mmX 1000mm,舊式透射式體積則約為3400mmX2600mm。新設計可以使系統(tǒng)占用面積縮小為原來的16%。
【權利要求】
1.一種適用于大口徑望遠鏡的光束折疊式液晶自適應光學系統(tǒng)的設計方法，其特征是:主光學系統(tǒng)由第一反射鏡(I)、第一拋物面鏡(2)、第二反射鏡(3)、快速振鏡(4)、分色鏡(5)、第二拋物面鏡(6)、第三反射鏡(7)、第一透鏡(8)、PBS偏振分束器(9)、液晶校正器(10)、第四反射鏡(11)、第三拋物面鏡(12)、第四拋物面鏡(13)、成像CCD(14)、第二透鏡(15)、第三透鏡(16)、哈特曼波前探測器(17)組成； 第一拋物面鏡(2)的前焦點與望遠鏡的出射焦點(20)重合；分色鏡(5)為短波通分色鏡，分色鏡(5)之后是互為垂直的波前探測支路和校正成像支路； 在波前探測支路，第二透鏡(15)和第三透鏡(16)共焦面，快速振鏡(4)到第二透鏡(15)的光路長度為第二透鏡(15)的焦距，第三透鏡(16)到哈特曼波前探測器(17)的距離為第三透鏡(16)的焦距； 在校正成像支路，第二離軸拋物面鏡(6)與第一透鏡(8)共焦面；第三反射鏡(7)的反射角度與第二離軸拋物面鏡出)的反射角度相同，使光束在到達第二離軸拋物面鏡(6)前和從第三反射鏡(7)出射后的光軸相互平行；第一透鏡(8)的軸線相對第三反射鏡(7)后的光束軸線上移一段距離，這段距離約為第一透鏡(8)焦距的0.035?0.052倍，使得通過第一透鏡(8)的光束為偏心入射，然后產(chǎn)生約2°?3°的傾斜出射，以這個入射角通過PBS偏振分束器(9)被分成透射P偏振光和反射S偏振光,在平行P偏振方向設置液晶校正器(10)的e光光軸、即液晶取向方向；經(jīng)液晶校正器(10)校正后的P偏振光束被反射回PBS偏振分束器(9)，且與未經(jīng)校正光束的傾斜方向反向傾斜2°?3°再次偏心通過第一透鏡(8)，使光束到達第四反射鏡(11)時正好與第三反射鏡(7)上的入射光束分開；第四反射鏡(11)與第三拋物面鏡(12)所構成的光路完全和第三反射鏡(7)與第二拋物面鏡(6)構成的光路對稱，從第四反射鏡(11)反射的校正后光束經(jīng)過第三離軸拋物面鏡(12)后，再次變?yōu)榕c哈特曼波前探測器(17)接收口徑相同的平行光束入射到第四離軸拋物面鏡(13)上，經(jīng)第四離軸拋物面鏡(13)匯聚于成像CCD相機(14)上； 上述光路中的快速振鏡(4)、哈特曼波前探測器(17)、液晶校正器(10)和成像CCD相機(14)均與存有自適應控制軟件的工控機相連； 在自適應校正成像過程之前，需用哈特曼波前探測器(17)測量快速振鏡(4)和液晶校正器(10)的標準驅動響應信號，因此將點光源氙燈(19)放置在第一離軸拋物面鏡(2)的前焦點處，同時將望遠鏡接收的光束截斷使其不能進入系統(tǒng)光路；測量快速振鏡(4)的標準驅動響應信號，并將測得的響應信號存入工控機的數(shù)據(jù)庫中；然后測量液晶校正器(10)的響應信號:將第四離軸拋物面鏡(13)從光路中移出，然后將第五反射鏡(18)移入光路，其與哈特曼波前探測器(17)的入射光軸成45°角放置，則從第三離軸拋物面鏡(12)出射的平行光束經(jīng)第五反射鏡(18)反射進入哈特曼波前探測器(17)中，而從第三透鏡(16)出射的光束被截止，同時令快速振鏡(4)只作為普通反射鏡，保證只有通過液晶校正器(10)的光束進入哈特曼波前探測器(17)，用一系列Zernike模式驅動液晶校正器(10)，在哈特曼波前探測器(17)上獲得相應的一系列響應信號，將測得的液晶校正器(10)的一系列響應信號存入工控機的數(shù)據(jù)庫中；將點光源氙燈(19)、第五反射鏡(18)移出光路，第四離軸拋物面鏡(13)移進光路，恢復為與望遠鏡連接的光學波前自適應校正成像系統(tǒng)。
【文檔編號】G02B26/06GK103969824SQ201410204007
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月14日 優(yōu)先權日:2014年5月14日
【發(fā)明者】宣麗, 穆全全, 曹召良, 李大禹, 劉永剛, 夏明亮, 胡立發(fā), 彭增輝, 楊程亮, 姚麗雙, 徐煥宇, 王玉坤, 王少鑫, 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