CN101169513A - 无偏振光能量损失的液晶自适应光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于自适应光学领域，是一种无偏振光能量损失的液晶自适应光学系统。由于用PBS偏振分束器替代了普通偏振片，使液晶自适应光学系统的能量利用效率提高1倍。系统为开环自适应光路，可以使用光谱宽度不超过50nm的准单色平行光经快速振镜校正波面的倾斜后反射到PBS分束器，分成透过P和反射S偏振光；P光作为探测光经透镜调节为平行光进入波前探测器；与探测器相连结的计算机将探知的波面倾斜数据反馈给振镜使光束不抖动、波面畸变数据输出给S光路的LCOS波前校正器；S光被校正后成为无波面畸变的光，到达CCD呈现完美的像。

Description

无偏振光能量损失的液晶自适应光学系统

技术领域

本发明属于自适应光学领域，涉及液晶波前校正器、波前探测器和PBS分束器等光学元件的组合，具体地说是一种无偏振光能量损失的液晶自适应光学系统。

背景技术

随着天文成像、光通讯及遥感探测等的迅速发展，大气湍流对光传输的干扰越来越引起人们的重视，因此，有必要研制光波前自适应校正系统。光波前自适应校正系统的功能是对入射光的畸变波面进行实时补偿校正，得到理想的光学传输。

目前使用的自适应光学系统中的关键器件是一种可以补偿波面畸变的可变形反射镜，它利用一系列压电驱动器控制镜面变形。驱动器的驱动电压高达400V左右；上百个驱动器的挑选与检验非常费时，使变形镜的研制周期往往需要数年时间。液晶器件采用微电子制备技术，高象素密度是其特点。液晶的象素数只要达到变形镜驱动器数目的64倍就可获得同样校正精度，且百万象素的液晶校正器制备工艺是目前已经成熟的工艺，因此基于液晶校正器的自适应系统具有更大的应用潜力。

1990年7月公开了Jan Grinberg等人1989年5月11日申请的美国专利US4943709“Liquid crystal adaptive optics system”，他们主要提出液晶分子排列方向平行的透射屏叠加在液晶分子排列方向与之转过90度的反射屏上，以此来校正非偏振光，这种方法不能有效地校正偏振矢量在45度和135度附近的光。2000年8月又公开了Gordon D.Love等人1998年6月5日申请的美国专利US6107617“Liquid crystal active optics correction forlarge space based optical systems”，他们把两层分子排列方向互相垂直的液晶层做在1个器件中，对非偏振光的校正效果与上相同。1999年有人提出了在反射式液晶屏的后基板上附上1/4波长板，可使与1/4波长板限定的单波长光在入射液晶层后、在1/4波长板上入射、反射出来，所有偏振矢量都旋转90度，然后再经反射路程通过液晶层，这样所有方向的偏振光在入、反两个过程中获得一致相同的校正量。这种能使液晶波前校正器应用于非偏振光系统的思想，虽然还只能使液晶工作于单色光中，但从原理上解决了液晶系统必须偏振的苛刻要求。2002年美国应用技术协会与空军实验室采用双频液晶材料做成91象元的液晶自适应系统，工作频率达到40Hz，校正量1.8微米，在700-950nm近红外波段、望远镜1.12米的通光口径上对400公里轨道上的国际空间站进行了自适应观测，获得了国际空间站太阳能帆板图像。但他们没有报道液晶自适应系统中偏振光的处理方法，也没有报道是否使用偏振片或其它偏振元件。

自然界中的发光体发出的光大多是自然光，自然光通过偏振片能成为偏振光，但使入射光能量降低50％，这使必须工作在偏振光条件下的液晶自适应系统在弱目标观测领域无法应用。因此，须将这50％的光能量转换成可利用的能量。

通常自适应系统均为闭环系统，闭环与开环的不同是在光路上光束先通过校正器然后再通过探测器，即先校正波面然后再探测波面，探得的波面残差反馈给校正器，校正器在上一回校正的基础上进行修正，这样当闭环频率大于外界大气湍流干扰频率时，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，经过一段时间校正器的校正量就会保持在一个较小的平衡量上。开环自适应是先探测波面后校正，因此每一周期都是重新开始，校正器所变动的位相量较大，驱动电压也高，这需要校正器的驱动稳定性要很高才行。因为液晶校正器是利用分子在电场中的旋转运动进行位相补偿，它的驱动稳定性极好，不需要校正后的平衡时间，且位相校正量越大、驱动电压越高、液晶的响应速度越快；而常规变形镜自适应系统依靠反射镜面的曲率变形、一种机械运动进行位相补偿，所以在平衡点会产生机械运动的阻尼振荡，它与液晶正相反，驱动电压越高、平衡点的振荡越强、平衡越慢。所以闭环自适应很适合变形镜这类校正器，校正量逐渐减小会使变形镜校正器很快到达驱动平衡点，而开环系统符合液晶校正器的电场响应特点，可以响应速度快、又不失稳定性。

发明内容

本发明将液晶波前校正器、波前探测器和PBS分束器等光学元件进行有机组合，目的是提供一种无偏振光能量损失的、对光源单色性要求宽松的液晶自适应光学系统，其中PBS分束器是能将自然光中的P偏振分量和S偏振分量分开的分束器。

本发明的设计思想是采用PBS分束器替代普通的偏振片；PBS分束器将入射物光分成P偏振和S偏振的两束光，P光束完全用于波前探测，S光束完全用于校正成像，使能量全部得到利用；而普通的偏振片靠吸收掉一个方向的偏振分量来产生偏振光，出射的偏振光有一半要用于波前探测，另一半用于校正成像，造成50％的光能量损失。

本发明的光学系统由快速振镜1、PBS分束器2、第一透镜3、第二透镜4、波前探测器5、第三透镜6、第四透镜7、硅基板上的液晶(LCOS)屏8、反射镜9、第五透镜10、第六透镜11、CCD相机12构成。第一透镜3与第二透镜4安装在PBS分束器2和波前探测器5之间，第三透镜6与第四透镜7安装在PBS分束器2和LCOS屏8之间。在第三透镜6和第四透镜7之间、第四透镜7的反射光路焦点处放置反射镜9。在反射镜9和CCD相机12之间，依次安装有第五透镜10和第六透镜11。

本发明的光路如图1所示：外来的波带宽度不超过50nm的准单色平行自然光，首先到达快速振镜1上、然后反射到PBS分束器2时分成P和S两束光，其中透过光为P光，进入第一透镜3、第二透镜4成为口径与波前探测器5匹配的平行光，然后进入波前探测器5中；另一束在PBS分束器2上反射的光为S光，具有很好的偏振性，进入第三透镜6与第四透镜7变成口径与LCOS屏8匹配的平行光，然后以1～2°入射角进入LCOS屏8，从LCOS屏8反射回来的光再通过第四透镜7与入射光束分离聚焦在反射镜9上，再通过第五透镜10、第六透镜11形成汇聚光到达CCD相机12成像。

本发明中所涉及的快速振镜1、波前探测器5、LCOS屏8、CCD相机12均与一计算机相连结，计算机的作用是：首先对波前探测器5获得的微透镜光点列阵进行拟合，给出波面函数和数值解，并将波面整体倾斜数据与较高次畸变数据分离，将波面整体倾斜数据反馈给快速振镜1以消除光束的抖动；较高次畸变数据反馈给LCOS屏8，使畸变波面得到校正。此时CCD相机12所摄的像为校正后的无畸变像，计算机给出所拍摄像的显示。

为了更清楚理解本发明，下面对各个部件作进一步详细说明。

所述的快速振镜1为闭环自适应倾斜平面反射镜，与一计算机相连结，在计算机的驱动下校正波面的倾斜度，使进入波前探测器5和LCOS屏8的光束不抖动。

所述的PBS分束器2为偏振光分束器，反射的S光消光比小于1×10^-3。

所述的第一透镜3与第二透镜4配合，将透过的P光光束缩束为与波前探测器5口径相同的平行光。第一透镜3与第二透镜4引入的波前畸变不会进入校正器中，但被波前探测器5探测到，将造成校正器误校，所以限制其畸变的最大峰谷即畸变的PV值小于二十分之一波长。

所述的波前探测器5一般使用Hartmann微透镜阵列探测器，用来探测波前畸变，探测的均方根误差rms值应小于百分之一波长，波面PV值的探测误差小于二十分之一波长，探测速度由应用的要求来确定；波前探测器5也与快速振镜1连接的计算机相连结，测得的信号在计算机中解析为波面数据，其中波面倾斜数据反馈给快速振镜1，波面较高次的畸变数据反馈给LCOS屏8。

所述的第三透镜6与第四透镜7配合实现合适的缩束比，使反射光S光束形成直径与LCOS屏8口径相等的平行光进入LCOS屏8；第四透镜7焦距为20～30mm，保证有足够的空间放置反射镜9，以引入成像光路。

所述的LCOS屏8为纯位相波前校正器，与波前探测器5所连接的计算机相连；计算机根据波前探测器5获得的信号解出波面数值解，扣除倾斜后将波面畸变转换为波面校正器LCOS屏8上的电压分布值，由计算机驱动LCOS屏8，校正波面的畸变。LCOS屏8的位相调制深度是光源中心波长的1.1～1.2倍，刷新速率符合应用要求的速度，像素数符合应用要求的分辨率。

所述的反射镜9位于第四透镜7的反射光路焦点处，引入成像光路。

所述的第五透镜10、第六透镜11焦距相同，使成像光束到达CCD相机12。

所述的CCD相机12的信噪比要符合具体应用要求，CCD相机12也与计算机相连，在计算机的显示屏上给出波面校正后的清晰图像。

本发明由于使用PBS分束器替代了普通偏振片使液晶自适应光学系统能量利用效率提高1倍。

附图说明

图1是本发明的光路示意图。图中1为快速振镜，2为PBS分束器，3第一透镜，4第二透镜，5波前探测器，6第三透镜，7第四透镜，8为LCOS屏，9反射镜，10第五透镜，11第六透镜，12为CCD相机。

图2是本发明具体实施方式的结构图。图中13为计算机，14为点光源，15为第七透镜，16为热扰源，17为单色滤光片。

图3是本发明测量拟合波前用的响应矩阵D的结构图。

图4是校正前和校正后的光源灯丝像，(a)为校正前的光源灯丝像，(b)为校正后的光源灯丝像。

具体实施方式

按图2所示备齐各部件。

1)快速振镜1是德国普爱纳米位移技术有限公司的产品，为闭环自适应驱动式快速振镜，其中反射镜直径为20mm，反射率大于97％，所用材料为不易膨胀的微晶硅玻璃，表面平整度PV值小于λ/20，其中λ＝633nm，最大转动范围2mrad，分辨率0.1μrad，全程重复定位精度是±2μrad，工作频率：2mrad转动范围时为150～200Hz，0.2mrad转动范围时为800Hz。

2)PBS分束器2，尺寸：长×宽×高为25mm×25mm×25mm，其中透过光S的消光比小于1×10^-3。

3)第一透镜3、第二透镜4、第三透镜6、第四透镜7、第五透镜10和第六透镜11的口径依次为20mm、10mm、30mm、20mm、20mm和20mm，焦距依次为300mm、60mm、210mm、200mm、200mm和200mm，因为允许成像光束有50nm的光谱宽度，故这些透镜均为消色差透镜，且第一透镜3、第二透镜4各自引入的波前畸变PV值小于λ/20。

4)波前探测器5是法国Imagine Optics公司的产品，为哈特曼波前探测器，其微透镜阵列为32×32，探测的均方根误差rms值小于λ/100，波面PV值的探测误差小于λ/20，工作频率60Hz。

5)波前校正器LCOS屏8，是纯位相波前校正器，象素尺寸19μm×19μm，象素数1024×768，256灰度级，此处灰度级对应驱动电压的分度值，调制深度为1.1λ，表面平整度或自我修正后的平整度PV值小于λ/15。

6)反射镜9，表面平整度PV值小于λ/20，反射率大于95％。

7)CCD相机12，象素数640×480，象素尺寸9μm ×9μm，最大帧频100Hz。

8)计算机13的硬件基本配置为：CPU1.8G，内存256M，硬盘40G。波前探测器5、快速振镜1和LCOS屏8、CCD相机12均与计算机13相连。

9)用手电筒灯泡、其灯丝长约1mm，作为点光源14；在点光源14前面放置第七透镜15，为消色散透镜，其口径20mm、焦距200mm，形成平行光源；再在CCD相机12前面、第五透镜10和第六透镜11之间插入中心波长为633nm的单色滤光片17，允许其透过光的光谱全宽度小于50nm。这样做的效果相当于使用了一个准单色平行光源。

10)25W烙铁作为热扰源16。

11)首先建立拟合波前用的响应矩阵D：按照图3搭建光学系统。开启点光源14，开启计算机13；根据任意波面Φ(x，y)都可以用Zernike多项式的线性组表示的原理，Φ(x，y)写成为：

$\mathrm{\Φ}(x,y)=\underset{k=1}{\overset{k=M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{z}_k(x,y)$

此处k对应Zernike项数，a_k为每一项前面的系数，通常选M＝36，因为第一项为常数在波面拟合中不起作用，故选择k是2至36的自然数，即采用35项Zernike多项式；令每一项前面的系数为1，以波长为单位，分别解出35项Zernike项的面形位相数值解；利用事先在LCOS屏8上测好的位相-灰度级关系，将35项Z_k(x，y)的面形位相数值转换成LCOS屏8上的灰度级分布值；将35项Zernike项的面形灰度级分布通过计算机13逐项施加在LCOS屏8上，在哈特曼面阵探测器5上测量出每个子孔径上像点与标定位置的偏移量，由计算机13换算出子孔径光束在x轴和y轴上的斜率；由这一系列波前斜率组成一个2k行m列响应矩阵D

此处k对应Zernike项数是2至36的自然数，m对应哈特曼面阵探测器上每一行或每一列的子孔径数m是1至32的自然数。到此得到了响应矩阵D，并被自动存入计算机13；后面对于自适应系统哈特曼探测器探测到的任意波面的2行m列波前斜率矩阵s，都有s＝Da，a是Zernike多项式每一项前面的系数a_k构成的向量，由这个等式计算机13可以解出a_k，即可得到所探测波面的Zernike方程；Zernike方程中的第一项与第二项分别为整个波面在x轴和y轴上的倾斜量，计算机13算出其数值并反馈给自适应系统快速振镜1以消除波面的整体倾斜；其余项为波面的较高次畸变也由计算机13算出位相数值解，并根据波面校正器LCOS屏8的位相与灰度级的关系将位相数值解转换为灰度级分布反馈给自适应系统LCOS屏8，就可使畸变波面得到校正。

13)按照图2搭建液晶开环自适应光学系统，手电筒灯泡的灯丝作为被观察物。在点光源14前面加入第七透镜15形成准平行光，模拟无穷远处的点光源；在第七透镜15和自适应驱动式快速振镜1之间、光束之下放置25W烙铁作为热扰源16；在第五透镜10和第六透镜11之间插入633nm的单色滤光片17，以滤除波长范围以外的光。

14)在搭建好的系统上开启热扰源16，使入射平行光受到大气湍流干扰，自适应系统开始工作：a)畸变波前首先到达快速振镜1上、然后反射到PBS分束器2时分成P光和S光；b)P光经过第一、第二透镜3、4准直和口径匹配后进入波前探测器5，波前探测器5给出2行m列波前斜率矩阵s；c)计算机13根据s＝Da，解出Zernike多项式每一项前面的系数a_k，然后由Zernike方程解出波面数值解，并将其转换为波面校正器LCOS屏8上的灰度级分布值；d)驱动LCOS屏8校正波面的畸变；e)PBS分束器2分出的S光经过第三、第四透镜6、7准直和口径匹配后入射到LCOS屏8上，且入射S光与LCOS屏8的基板法线夹1.5°的角度，从LCOS屏8反射的S光是校正后没有畸变的平行光；f)从LCOS屏8反射的S光再通过第四透镜7与入射光束分离，聚焦在反射镜9上，然后通过第五透镜10、单色滤光片17、第六透镜11形成灯丝像到达CCD相机12；g)计算机13显示出CCD相机12所拍摄的像。到此完成一个工作周期，之后周而复始重复a)到g)步骤。

在热扰中，自适应校正前拍摄的光源灯丝像如图4(a)，进行自适应校正后拍摄的光源灯丝像如图4(b)，表明了本发明的效果。

Claims (8)

1.一种无偏振光能量损失的液晶自适应光学系统，其特征是由快速振镜(1)、PBS分束器(2)、第一透镜(3)、第二透镜(4)、波前探测器(5)、第三透镜(6)、第四透镜(7)、LCOS屏(8)、反射镜(9)、第五透镜(10)、第六透镜(11)、CCD相机(12)和计算机(13)构成；第一透镜(3)和第二透镜(4)安装在PBS分束器(2)和波前探测器(5)之间，第三透镜(6)和第四透镜(7)安装在PBS分束器(2)和LCOS屏(8)之间；在第四透镜(7)和第三透镜(6)之间、第四透镜7的反射光路焦点处放置一反射镜(9)；在反射镜(9)和CCD相机(12)之间，依次安装有第五透镜(10)和第六透镜(11)；快速振镜(1)、波前探测器(5)、LCOS屏(8)和CCD相机(12)与计算机(13)连接；外来的波带宽度不超过50nm的准单色平行自然光到达快速振镜(1)上、然后反射到PBS分束器(2)时分成透过光P和反射光S两束偏振光；其中透过光P在通过第一透镜(3)、第二透镜(4)后进入波前探测器(5)中；另一束反射光S，通过第三透镜(6)与第四透镜(7)，然后以1～2°入射角进入LCOS屏(8)，从LCOS屏(8)反射出来的光再次通过第四透镜(7)与入射光束分离聚焦在反射镜(9)上，再通过第五透镜(10)、第六透镜(11)形成汇聚光到达CCD相机(12)成像。

2.根据权利要求1所述的无偏振光能量损失的液晶自适应光学系统，其特征是所使用的透镜均为消色差透镜，由第一透镜(3)与第二透镜(4)各自引入的波前畸变最大峰谷值即波前畸变PV值小于二十分之一波长。

3.根据权利要求2所述的无偏振光能量损失的液晶自适应光学系统，其特征是：

所述的快速振镜(1)为闭环自适应倾斜平面反射镜；

所述的PBS分束器(2)为偏振分光器，透过光S的消光比优于10^-3；

所述的第二透镜(4)与第一透镜(3)配合，将透过光P的光束缩束为与波前探测器(5)口径相同的平行光，进入波前探测器(5)中；

所述的波前探测器(5)使用Hartmann微透镜阵列探测器，探测的均方根误差rms值小于百分之一波长，波面PV值的探测误差小于二十分之一波长，探测速度由应用的要求来确定；

所述的第四透镜(7)与第三透镜(6)配合实现合适的缩束比，使反射光S的光束形成直径与LCOS屏(8)口径相等的平行光进入LCOS屏(8)；第四透镜(7)焦距为20-30mm，保证有足够的空间放置反射镜(9)；

所述的LCOS屏(8)为纯位相波前校正器，根据波前探测器(5)获得的信号，通过计算机解出波面数值解，并转换为波面校正器LCOS屏(8)上的电压分布值，由计算机驱动LCOS屏(8)；LCOS屏(8)的位相调制深度为光源中心波长的1.1～1.2倍，刷新速率符合应用要求的速度，像素数符合应用要求的分辨率；其基板法线与入射光S夹1～2°的角度，使入射光倾斜入射到LCOS屏(8)上，并以相同角度反射通过第四透镜(7)，使通过第四透镜(7)的入射光束和反射光束分离，反射光束聚焦在反射镜(9)上；

所述的反射镜(9)在第四透镜(7)反射光路的焦点处，引入成像光路；

所述的第五透镜(10)和第六透镜(11)焦距相同，使成像光束到达CCD相机(12)；

所述的CCD相机(12)给出波面校正后的清晰图像，其信噪比要符合具体应用要求。

4.根据权利要求3所述的无偏振光能量损失的液晶自适应光学系统，其特征是：

1)所述的快速振镜(1)的反射镜直径为20mm，反射率大于97％，所用材料为不易膨胀的微晶硅玻璃，最大转动范围2mrad，分辨率0.1μrad，全程重复定位精度为±2μrad，工作频率：2mrad转动范围时为150～200Hz，0.2mrad转动范围时为800Hz；

2)第一透镜(3)、第二透镜(4)、第三透镜(6)、第四透镜(7)、第五透镜(10)和第六透镜(11)的口径依次为20mm、10mm、30mm、20mm、20mm和20mm，焦距依次为300mm、60mm、210mm、200mm、200mm和200mm；

3)PBS分束器(3)，尺寸：长×宽×高为25mm×25mm×25mm；

4)波前探测器(5)为哈特曼波前探测器；

5)LCOS屏(8)为256灰度级驱动的波前校正器；

6)快速振镜(1)、波前探测器(5)与LCOS屏(8)所共用的计算机，其硬件的基本配置为：CPU1.8G，内存256M，硬盘40G；

7)反射镜(9)，表面平整度PV值小于二十分之一波长，反射率大于95％。

5.根据权利要求4所述的无偏振光能量损失的液晶自适应光学系统，其特征是在第五透镜(10)和第六透镜(11)之间安装有单色滤光片(17)。

6.根据权利要求4所述的无偏振光能量损失的液晶自适应光学系统，其特征是入射S光与LCOS屏(8)的基板法线夹角为1.5°。

7.根据权利要求1所述的无偏振光能量损失的液晶自适应光学系统，其特征是在计算机(13)内建立拟合波前用的响应矩阵D；所述的响应矩阵D通过下述方法得到：

根据任意波面Φ(x，y)都可以用Zernike多项式的线性组表示的原理，Φ(x，y)写成为：

$\mathrm{\Φ}(x,y)=\underset{k=1}{\overset{k=M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{z}_k(x,y)$

此处k对应Zernike项数，a_k为每一项前面的系数，通常选M＝36，因为第一项为常数在波面拟合中不起作用，故选择k是2至36的自然数，即采用35项Zernike多项式；令每一项前面的系数为1，以波长为单位，分别解出35项Zernike项的面形位相数值解；利用事先在LCOS屏(8)上测好的位相-灰度级关系，将35项Z_k(x，y)的面形位相数值转换成LCOS屏(8)上的灰度级分布值；将35项Zernike项的面形灰度级分布通过计算机(13)逐项施加在LCOS屏(8)上，在哈特曼面阵探测器(5)上测量出每个子孔径上像点与标定位置的偏移量，由计算机(13)换算出子孔径光束在x轴和y轴上的斜率；由这一系列波前斜率组成一个2k行m列响应矩阵D

$D=\left(\begin{array}{cccccc}{S}_{x1z1}& S_{x2z1}& .& .& .& S_{\mathrm{xmz}1}\\ S_{y1z1}& S_{y2z1}& .& .& .& S_{\mathrm{ymz}1}\\ \·& \·& \·& & & \·\\ \·& \·& & \·& & \·\\ \·& \·& & & \·& \·\\ S_{x1\mathrm{zk}}& S_{x2\mathrm{zk}}& .& .& .& S_{\mathrm{xmzk}}\\ S_{y1\mathrm{zk}}& S_{y2\mathrm{zk}}& .& .& .& S_{\mathrm{ymzk}}\end{array}\right)$

此处k对应Zernike项数k＝2...36，m对应哈特曼面阵探测器上每一行或每一列的子孔径数m＝1...32；得到的响应矩阵D，被自动存入计算机(13)。

8.根据权利要求7所述的无偏振光能量损失的液晶自适应光学系统，其特征是计算机(13)通过下述过程控制快速振镜(1)消除波面的整体倾斜和LCOS屏(8)校正畸变波面：

波面探测器(5)探测到任意波面的2行m列波前斜率矩阵s，都有s＝Da，a是Zernike多项式每一项前面的系数a_k构成的向量，由这个等式计算机(13)解出a_k，即得到所探测波面的Zernike方程；Zernike方程中的第一项与第二项分别为整个波面在x轴和y轴上的倾斜量，计算机(13)算出其数值并反馈给自适应系统快速振镜(1)以消除波面的整体倾斜；其余项为波面的较高次畸变也由计算机(13)算出位相数值解，并根据波面校正器LCOS屏(8)的位相与灰度级的关系将位相数值解转换为灰度级分布反馈给自适应系统LCOS屏(8)，使畸变波面得到校正。

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