CN101178477B - 快速向列液晶自适应光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于自适应光学领域，是一种快速向列液晶自适应光学系统。由PBS分束镜、第一透镜、第二透镜、波前探测器、第三透镜、第四透镜、LCOS屏、反射镜、第五透镜、第六透镜、CCD相机和计算机构成，其中PBS分束镜是能将自然光中的P偏振分量和S偏振分量分开的分束器。第一透镜与第二透镜安装在PBS分束镜和波前探测器之间，第三透镜与第四透镜安装在PBS分束镜和LCOS屏之间。在第三透镜和第四透镜之间、第四透镜的反射光路焦点处放置反射镜。在反射镜和CCD相机之间，依次安装有第五透镜和第六透镜。波前探测器、LCOS屏、CCD相机均与计算机13相连。

Description

快速向列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，涉及利用计算机将液晶自适应系统的波前校正速度发挥到最大，具体地说是一种快速向列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。

液晶器件采用微电子制备技术，百万象素的液晶校正器制备工艺是目前已经成熟的工艺，制备成本低，波面校正精度高，因此基于液晶校正器的自适应系统具有很大的应用潜力。

但目前适用于波前校正的向列液晶的电场响应时间约为15-30毫秒，自适应光学系统中其它元件的延迟时间总和为十几毫秒，这使得向列液晶自适应光学系统的工作频率只能在30Hz以下。而使用波前校正系统的空间观测必须克服大气层40Hz以上湍流对光波面的影响，因此提高液晶校正器的速度，使其电场响应时间缩短到数毫秒，意义极其重大。

1990年7月公开了Jan Grinberg等人1989年5月11日申请的美国专利4943709“Liquid crystal adaptive optics system”，该专利的第9项权利提出用多个液晶校正器叠加在一起来校正畸变波前，这使得每个校正器中液晶层的厚度远小于单独使用一个校正器条件下的液晶层厚度，液晶层厚度减小会使响应时间缩短。但这种方法会遇到几个问题，一是光利用率会有所降低；二是要受限于使用透射式液晶校正器，这样就不能发挥硅基板液晶校正器高象素密度的优势；三是各个校正器间象素的严格对准成为工艺上的困难问题。2002年美国应用技术协会与空军实验室报道了采用双频液晶材料做成91象元的液晶自适应系统，闭环频率达到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(Optics Express，Vol.10，No.25，(2002)1508～1519)。2005年这一研究组又在SPIE国际会议上报道了通过改进界面电子学技术使双频液晶自适应系统闭环频率达到70Hz(Proceedings of SPIE，Vol.5894，(2005)58940M-1～58940M-6)。但双频液晶的驱动电压较高，超过集成电路所能承受的负荷，所以驱动不能使用集成电路模块，液晶校正器的象素密度大大降低，此系统只有91象素，失去了液晶高象素密度的优势。

液晶的驱动稳定性极好，因为是分子的旋转运动进行位相补偿，而不象常规变形镜自适应系统那样依靠反射镜面的曲率变形、一种机械运动进行位相补偿，所以液晶没有机械运动中在平衡点的阻尼振荡，而且正相反，驱动电压越高，液晶的响应速度越快。由于液晶这种驱动稳定特性，可将液晶校正器的自适应系统做成开环系统。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。闭环自适应很适合变形镜这类校正器，校正量减小会使变形镜校正器很快到达驱动平衡点。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，而这正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

本发明的目的是提供一种快速向列液晶波前校正自适应光学系统。

本发明旨在不降低液晶高象素密度优势的条件下，提高液晶自适应系统的校正速度。自适应光学中最关键的技术就是缩短从探测到校正完成的时间，这个时间决定自适应系统所能克服的最大干扰频率，因此本发明针对这一点提出一种快速向列液晶波前校正自适应光学系统设计。

本发明的核心技术是采用开环向列液晶自适应系统，将波前校正做成脉冲式过程，即在10～15毫秒的短时间内按顺序完成如下步骤：a)波面探测-波面解析-驱动液晶校正器校正波面-CCD曝光摄像；b)在15～20毫秒内进行去除液晶校正器上的电压使液晶回归为初始状态，同时CCD进行曝光后的数据处理与成像显示，此过程CCD不摄像。这样往复a)、b)过程，向列液晶波前校正开环自适应光学系统可以相当于65～100Hz闭环自适应系统的效果，并得到每秒28～40张瞬态摄像，给出较连续的动态观测。

本发明由准单色平行光源1、PBS分束镜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和计算机13构成，其中PBS分束镜是能将自然光中的P偏振分量和S偏振分量分开的分束器。第一透镜3与第二透镜4安装在PBS分束镜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分束镜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。波前探测器5、LCOS屏8、CCD相机12均与计算机13相连。

本发明的结构如图1所示：光源1的准单色平行光，在到达PBS分束镜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分束镜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。与波前探测器5、LCOS屏8、CCD相机12相连结的计算机13，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，并转换为LCOS屏8上的灰度级分布，其中灰度级对应驱动电压值；然后驱动LCOS屏8；当LCOS屏8完成波面校正时计算机13还要驱动CCD相机12立即曝光摄像，然后去除LCOS屏8上的电压，保持15ms～20ms使液晶回归为初始状态，并在此期间令CCD相机12不摄像，对CCD相机12进行时钟控制；最后计算机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。

为了更清楚理解本发明，下面详述本发明系统中各元件的作用与特性参数。

所述的准单色平行光源1，其中心波长位于450-900nm光谱范围内，光谱宽度为50-100nm，这是因为液晶校正器适合于较短波长的校正，但又有较强的色散，波长越短色散越强，所以只能在一个较窄的光谱范围内进行中心波长校正。

所述的PBS分束镜2为偏振分光镜，反射光S的消光比小于1×10^-3。

所述的第一透镜3与第二透镜4配合，将透过光P的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(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，探测频率不低于500Hz。

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为纯位相液晶波前校正器，位相调制深度是光源中心波长的1.1～1.2倍，液晶对驱动电压的响应时间t_on＜5ms，去除电压时液晶恢复初始态的时间t_off＜20ms，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，使成像光束聚焦到达CCD相机12。

所述的CCD相机12为高灵敏度、低噪声电子倍增型EMCCD相机，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，曝光时间不超过2ms。

所述的计算机13数据处理量很大，需配置DSP集成模块，使数据处理占用的时间不超过2ms。

本发明可以校正100Hz的湍流。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。图中1为准单色平行光源，2为PBS分束镜，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，13为计算机。

图2是本发明中测量拟合波前用的响应矩阵D的结构示意图。

具体实施方式

1)选择准单色平行光源1的中心波长λ为633nm，光谱宽度60nm。

2)PBS分束镜2的尺寸长×宽×高为25mm×25mm×25mm，其中反射光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60nm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)委托俄国莫斯科州立大学装配哈特曼波前探测器5，子孔镜阵列为14×14，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，探测频率500Hz，量子效率峰值在500nm到600nm波长处，高达90％。

5)委托美国BNS公司加工了LCOS屏8，在电场中的上升响应时间为5ms，下降时间为7ms，反射率61.5％，像素面积19μm×19μm，象素数512×512，256灰度级，位相调制深度为800nm。

6)反射镜9的表面平整度PV小于λ/20，反射率大于95％。

7)CCD相机12是美国ANDOR公司的产品，型号为DV897，像素数512×512，像素面积16μm×16μm，量子效率在500～650nm波段达到峰值，高达90％，读出噪声在读出速率10MHz时为1～62个电子。

8)计算机13的基本配置：CPU1.8G，内存256M，硬盘40G，法国VP3型DSP板卡，含有8块TMS320C64的DSP芯片。

9)按照图2搭建光学系统，以建立拟合波前用的响应矩阵D。开启准单色平行光源1，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＝2、3、…、36，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，k＝2、3、…、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、3、…、14。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。然后计算机13算出波面的位相数值解，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。

10)按照图1搭建快速向列液晶开环自适应系统，在准单色平行光源1和PBS分束镜2之间、光束之下放置25W烙铁作为热扰源。

11)开启热扰源，使准单色平行光1受到大气湍流干扰，自适应系统开始工作：a)畸变波前经过PBS分束镜2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在2ms内，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，LCOS屏8的电场响应时间为5ms；e)PBS分束镜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、第六透镜11形成星点像到达CCD相机12；g)CCD相机12的曝光时刻由计算机13的时钟程序控制，当LCOS屏8完成波面校正时计算机13驱动CCD相机12立即曝光摄像，然后计算机13去除LCOS屏8上的电压，保持15ms使液晶回归为初始状态，并在此期间令CCD相机12不摄像；h)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h)步骤。

上述自适应系统可以校正100Hz的湍流。

检验上述自适应系统的校正效果：自适应校正之前计算机13显示出的星点像是亮度较低、形状不规则的大尺寸弱光斑；而自适应校正之后所成的像是尺寸很小的园亮斑，说明校正效果良好。

Claims (1)

1.一种快速向列液晶自适应光学系统，其特征是由PBS分束镜(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)与第二透镜(4)安装在PBS分束镜(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分束镜(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)；波前探测器(5)、LCOS屏(8)、CCD相机(12)均与计算机(13)相连；准单色平行光(1)在到达PBS分束镜(2)时分成P和S两束光，其中透过的P光通过第一透镜(3)、第二透镜(4)后进入波前探测器(5)中；反射的S光通过第三透镜(6)与第四透镜(7)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)与入射光束分离后通过反射镜(9)，经第五透镜(10)、第六透镜(11)形成汇聚光到达CCD相机(12)成像；计算机(13)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，并转换为LCOS屏(8)上的灰度级分布，其中灰度级对应驱动电压值；然后驱动LCOS屏(8)；当LCOS屏(8)完成波面校正时计算机(13)还要驱动CCD相机(12)立即曝光摄像，然后去除LCOS屏(8)上的电压，保持15ms～20ms使液晶回归为初始状态，并在此期间令CCD相机(12)不摄像，对CCD相机(12)进行时钟控制；最后计算机(13)显示出CCD相机(12)所拍摄的像。

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