液晶‑变形镜的混合式自适应光学系统设计方法

摘要

本发明是液晶校正器和变形镜的双校正器自适应光学系统设计方法，目的是解决数米大口径望远镜的近红外～中红外宽谱段波前自适应校正成像的问题。该系统采用一个波前探测器、一个能工作于短波红外～中远红外波段的变形镜和能工作于近红外波段的液晶校正器；对变形镜闭环控制、液晶校正器开环控制，利用Zernike模式重构波前；其中变形镜校正前几十项Zernike低阶模式，然后将一级校正后的光束分为两束，其中长于950nm的长波波段已能达到高分辨率成像要求；而对于700nm～950nm波段的光束，再用液晶校正器做几十项之后的高阶Zernike模式的二级校正，从而在近红外～中红外全波段获得自适应光学高分辨成像。

主权项

液晶‑变形镜的混合式自适应光学系统设计方法，其特征是：系统由第一透镜(1)、快速振镜(2)、变形镜(3)、第一分色片(4)、第二透镜(5)、第二分色片(6)、短波红外相机(7)、中红外相机(8)、第三透镜(9)、第四透镜(10)、第三分色片(11)、第五透镜(12)、第六透镜(13)、第四分色片(14)、波前探测器(15)、第七透镜(16)、薄型反射镜(17)、第八透镜(18)、PBS分束器(19)、液晶校正器(20)、第九透镜(21)、反射镜(22)、可移动反射镜(23)、第十透镜(24)、可见相机(25)组成；可见相机(25)接收700nm～950nm的I波段光束成像，短波红外相机(7)接收950nm～1500nm的J波段光束成像，中红外相机(8)接收1500nm～1900nm的H波段光束成像；分别取λ_I＝800nm、λ_J＝1200nm、λ_H＝1600nm为三个成像波段的中心波长；第一透镜(1)的前焦点与所连接的望远镜输出光焦点重合，将望远镜的出瞳成像于快速振镜(2)上；快速振镜(2)将光束折轴45度反射到变形镜(3)；变形镜(3)又将光束折轴成水平光束，通过在950nm波长处分色的第一分色片(4)后分成互为垂直的两束，其中950nm～1700nm波段透过第一分色片(4)，经第二透镜(5)汇聚至1500nm波长处分色的第二分色片(6)，进一步分成950nm～1500nm的J波段和1500nm‑1700nm的H波段的两光束，其中950nm～1500nm的J波段光束透射第二分色片(6)，聚焦于短波红外相机(7)成像；1500nm～1700nm H波段的光束经过第二分色片(6)反射，聚焦于中红外相机(8)成像；而在第一分色片(4)处反射的垂直光束为400nm～950nm波段的光束，该垂直光束经过第三透镜(9)和第四透镜(10)缩束，使光束直径与700nm波长处分色的第三分色片(11)的口径匹配；经过第三分色片(11)后光束又分为反射和透射两束，其中反射光束为400nm～700nm可见波段用于波前探测，其通过第五透镜(12)和第六透镜(13)组成的4F系统进行扩束以与波前探测器(15)的口径匹配，再由与第三分色片(11)完全相同的第四分色片(14)反射，进入到波前探测器(15)中；再说透过第三分色片(11)的700nm～950nm的I波段光束透射第七透镜(16)、由薄型反射镜(17)折轴45度、偏心5mm通过第八透镜(18)，以使液晶校正器(20)反射回来的光经第八透镜(18)后能避开薄型反射镜(17)；PBS分束器(19)位于第八透镜(18)和液晶校正器(20)之间，PBS分束器(19)的作用是将进入液晶校正器(20)的光束滤为P偏振光，以满足液晶校正器(20)的工作条件，而且液晶校正器(20)与快速振镜(2)共轭配置保证入射的P偏振光没有抖动；液晶校正器(20)将P偏振光中的高阶畸变校正后反射再进入PBS分束器(19)，通过第八透镜(18)、第九透镜(21)，光束变为平行光到达与光轴成45度放置的反射镜(22)上，从而折轴90度，到达也与光轴成45度放置的可移动反射镜(23)上，使光轴再次折转90度，通过第十透镜(24)聚焦于可见相机(25)，使高阶畸变校正后的700nm～950nm的I波段光束成像；当畸变波前中的前N项Zernike模式得到完全校正、残余的高阶波前畸变量RMS值时，成像分辨率可以达到望远镜的两倍光学衍射极限分辨率，此处λ代表成像波段的中心波长，则认为达到了自适应波前校正的要求；残余的高阶波前畸变量可以表示为：这里N是已校正的Zernike模式数，r₀是大气湍流强度的特征参数称为大气相干长度、厘米为单位，D是望远镜的口径、单位也取为厘米，残余高阶波前畸变量的单位为弧度；选择I波段的中心波长λ_I处的大气相干长度r_0I＝10cm，根据r₀与波长λ的6/5次方成正比的关系式，可以计算出对应λ_J＝1200nm、λ_H＝1600nm两个成像波段中心波长处的r₀值分别为r_0J＝16cm和r_0H＝23cm；选择将上述参量分别代入(1)式中，并确定望远镜口径D，得出I、J、H三个成像波段对应的校正Zernike模式数N分别为N_I、N_J、N_H，且有N_I>N_J>N_H；快速振镜(2)、变形镜(3)、短波红外相机(7)、中红外相机(8)、波前探测器(15)、液晶校正器(20)和可见相机(25)均与一台计算机相连结；计算机中存有自适应校正控制软件，其作用是：首先对波前探测器(15)获得的光学信号进行处理，将波前畸变表达为不同权重的Zernike模式函数多项式；然后将其中前2项Zernike模式函数多项式决定的波前整体倾斜数据反馈给快速振镜(2)以消除光束的倾斜抖动，将3～N_J项低阶Zernike模式函数多项式决定的波前数据反馈给变形镜(3)，使波前的低阶畸变成分得到校正，将剩余N_J+1～N_I项高阶Zernike模式函数多项式决定的波前数据反馈给液晶校正器(20)，使波前的高阶畸变成分得到校正；此时短波红外相机(7)、中红外相机(8)和可见相机(25)所拍摄的像为自适应光学校正后的高分辨图像，计算机给出所拍摄像的显示。