CN101382652A - 无偏振液晶像差校正单元 - Google Patents

Abstract

无偏振液晶像差校正单元，包括两个液晶波前校正器和一个1/2波片，1/2波片置于两个平行放置的液晶波前校正器的中央；第一液晶波前校正器对入射自然光中的P偏振光进行校正并反射，对S偏振光直接被反射；反射后的P偏振光、S偏振光通过1/2波片变成S偏振光和P偏振光；第二液晶波前校正器对变换后的P偏振光校正并反射，对S偏振光直接反射；经过无偏振像差校正单元，自然光的两个偏振分量均被校正；并将至少两个上述无偏振像差校正单元级联使用于一种液晶级联自适应光学闭环系统，本发明所设计的无偏振像差校正单元校正动态范围大、校正精度高，使用该装置可以实现无偏振损失的液晶自适应光学闭环系统。

Description

无偏振液晶像差校正单元

技术领域

本发明属于自适应光学技术领域，特别涉及一种无偏振像差校正单元。

背景技术

液晶波前校正器作为自适应光学系统的执行元件，采用微电子制作技术，可以轻易实现上百万像素的制备，作为高分辨率波前校正器具有强大的应用潜力。然而液晶自适应光学系统目前仍停留在实验室阶段，限制其实际应用的因素除响应速度外，另一个主要原因是液晶只能对偏振方向平行于其光轴方向的偏振光实现相位调制(液晶的非寻常光折射率和寻常光折射率分别表示为n_e、n_o，)，n_e在电压作用下变化，光程差改变；n_o在电压作用下不变。从观测目标发出的光为非偏振光，需要经过起偏器，才能被液晶波前校正器调制。通过偏振元件光能至少损失50％。天文观测目标往往非常微弱，经过偏振器光能损失50％，经过液晶波前校正器到波前探测器的探测信号强度更加微弱，波前探测器不能正常工作，系统不能实现闭环校正。

液晶波前校正器的响应时间和液晶层厚度的平方成正比，为提高其响应速度，一方面采用双折射率高的液晶材料，另外将液晶波前校正器的相位调制深度限定在[0～2π]以降低液晶层厚，对大于一个波长的像差，液晶波前校正器采用Phase Wrapping方法扩大液晶波前校正器的校正范围，Phase Wrapping的次数越多，校正范围越大，但校正精度降低，尤其对高阶像差，Phase Wrapping的次数是限制液晶自适应光学系统校正精度的主要因素，如何在扩大液晶自适应光学系统校正范围的同时，同时具有高校正精度是决定液晶自适应光学系统应用范围的决定因素之一。

美国专利US5051571、US5046824、US5684545、US4943709、US6107617、US4943079等将液晶器件应用于自适应光学，其中美国专利US4943079“Liquid crystal adaptive opticssystem”利用分子相互垂直的两个液晶器件串联消偏，多个液晶器件叠加提高响应速度，此方法一方面要求两个液晶分子严格垂直，另一方面虽然响应速度提高，但Phase Wrapping方法不再适用，校正动态范围减小；美国专利US6107617“Liquid crystal active optics correction forlarge space optical system”，利用两层相互垂直的液晶分子层构成液晶波前校正器，实现非偏振光校正，然而液晶器件结构复杂，制作困难，同时液晶层厚增加，响应速度降低，校正由单个器件完成，校正动态范围和精度受限于单个液晶器件的校正能力；1993年Gordon Love(Applied Optics/Vol.32，No.13/1May1993)在反射式液晶反射基板前插入1/4波片的方法，入射光的两个偏振分量分别在入射和反射过程中实现相位调制，此方法同样使液晶器件的响应速度降低，限制了液晶器件对动态波前像差的校正。美国专利5051571“Cascaded adaptiveoptics system”采用多个液晶器件构成级联自适应系统扩大校正范围，提高校正精度，然而每个液晶器件的波前残余误差分别由对应干涉光路测量，光路结构复杂，同时多个波前测量干涉光路使每个液晶器件的波前残差的测量光强降低，测量误差大，同时系统没有解决液晶器件的偏振问题，光能利用率低，不适合在弱光条件下工作。

中国专利，公开号：CN101169513A“无偏振光能量损失的液晶自适应光学系统”利用PBS分束镜代替普通偏振片，PBS分束镜将自然光中的P偏振光和S偏振光分开，P光作为探测光，S光作为校正光构成开环自适应光学系统。闭环系统与开环系统的不同在于波前探测器测量波前校正器校正后的波前残差，并将其反馈给波前校正器，校正器在上次校正的基础上进行修正，直到获得最好的校正效果；而开环每一次校正都是重新开始，很难达到最佳校正效果。另外，液晶波前校正器通过灰度控制加载在各像素上的电压，而灰度只0-255内的离散变化，因此液晶自适应开环系统只对像差进行单次校正很难实现高精度的校正效果，尤其当像差的动态范围大，或像差以高阶像差为主时，开环系统很难实现校正范围大、校正精度高的目的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对以上现有技术的不足，提供一种由两个液晶波前校正器和一个1/2波片组成的无偏振液晶像差校正单元，及一种液晶级联自适应光学闭环系统，该系统至少包含两个所述的无偏振液晶像差校正单元级联使用；该系统满足校正动态范围大、校正精度高，光能利用率高；可以实现无偏振光损失的液晶级联自适应光学闭环系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：无偏振液晶像差校正单元，其特征在于：包括两个液晶波前校正器和一个1/2波片，两个液晶波前校正器平行放置，1/2波片置于两个液晶波前校正器的中央位置；第一液晶波前校正器对入射自然光中的P偏振光进行校正并反射，对入射自然光中的S偏振光直接被反射；反射后的P偏振光、S偏振光通过1/2波片偏振方向旋转90度，变成S偏振光和P偏振光；变换后的偏振光入射到第二液晶波前校正器，第二液晶波前校正器对变换后的P偏振光校正并反射，对变换后的S偏振光直接反射；经过无偏振像差校正单元，自然光的两个偏振分量均被校正。

所述的两个液晶波前校正器的工作波长、响应时间、相位调制特性相同。

所述的1/2波片平行度高，延迟偏差小于5％，自然透射率大于90％，引入像差的PV值小于二十分之一波长。

所述的液晶波前校正器可以为反射型液晶波前校正器，也可以是透射型液晶波前校正器。

一种液晶级联自适应光学闭环系统，其特征在于：至少包含两个级联使用的无偏振像差校正单元，所述的无偏振像差校正单元包括两个液晶波前校正器和一个1/2波片，两个液晶波前校正器平行倾斜放置，1/2波片置于两个液晶波前校正器的中央位置；第一液晶波前校正器对入射自然光中的P偏振光进行校正并反射，对入射自然光中的S偏振光直接被反射；反射后的P偏振光、S偏振光通过1/2波片偏振方向旋转90度，变成S偏振光和P偏振光；变换后的偏振光入射到第二液晶波前校正器，第二液晶波前校正器对变换后的P偏振光校正并反射，对变换后的S偏振光直接反射；经过无偏振像差校正单元，自然光的两个偏振分量均被校正，校正后的自然光再依次经过级联的其余无偏振像差校正单元完成校正。

本发明与现有技术相比所具有的优点：通过两个液晶波前校正器与1/2波片的串联，实现了无偏振损失的液晶自适应光学闭环系统；采用两个或多个无偏振像差校正单元串联的方法，扩大了液晶自适应光学闭环系统的校正动态范围，同时校正精度提高。本发明利用商用液晶波前校正器，在不改变液晶波前校正器结构、成本和工艺难度条件下，解决了商用液晶波前校正器的偏振损失问题，将液晶自适应光学闭环系统推向实际应用，实现了一种大校正范围，高空间分辨率、高光能利用率、价格低廉的小型自适应光学闭环系统。

附图说明

图1无偏振液晶像差校正单元；

图2液晶级联自适应光学闭环系统；

图中1为入射自然光，2为第一透镜，3为单色滤光片，4为第二透镜，5为反射镜，6为第一液晶波前校正器，7为第一1/2波片，8为第二液晶波前校正器，9为第三透镜，10为分束镜，11为第四透镜，12为波前探测器，13为工控机，14为CCD相机，15为第三液晶波前校正器，16为第二1/2波片，17为第四液晶波前校正器，18为第一无偏振液晶像差校正单元，19为第二无偏振液晶像差校正单元。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例本领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

本实施例中的无偏振液晶像差校正单元，如图1所示；由第一液晶波前校正器6、第一1/2波片7和第二液晶波前校正器8组成，两个液晶波前校正器倾斜放置，第一1/2波片7置于两个液晶波前校正器的中央位置；第一液晶波前校正器6对入射自然光中的P偏振光进行校正并反射，对入射自然光中的S偏振光直接被反射；反射后的P偏振光、S偏振光通过第一1/2波片7偏振方向旋转90度，变成S偏振光和P偏振光；变换后的偏振光入射到第二液晶波前校正器8，第二液晶波前校正器8对变换后的P偏振光校正并反射，对变换后的S偏振光直接反射；经过无偏振像差校正单元，自然光的两个偏振分量均被校正，且无偏振光能量损失。

所述的两个液晶波前校正器可以为反射型液晶波前校正器，也可以是透射型液晶波前校正器；且两个液晶波前校正器的工作波长、响应时间、相位调制特性相同；所述的1/2波片平行度高，延迟偏差小于5％，自然透射率大于90％，引入像差的PV值小于二十分之一波长。

一种液晶级联自适应光学闭环系统，该系统至少包含两个上述的无偏振液晶像差校正单元；本实施例选取包含有两个无偏振像差校正单元级联的液晶级联自适应光学闭环系统为例作以说明，其具体装置如图2所示，该液晶级联自适应光学闭环系统包含有由第一液晶波前校正器6、第一1/2波片7、第二液晶波前校正器8组成的第一无偏振像差校正单元18，由第三液晶波前校正器15、第二1/2波片16、第四液晶波前校正器17组成的第二无偏振像差校正单元19，以及第一透镜2、单色滤光片3、第二透镜4、反射镜5、第二液晶波前校正器8、第三透镜9、分束镜10、第四透镜11、波前探测器12、工控机13、CCD相机14组成，其中第一透镜2、第二透镜4安装在第一液晶波前校正器6之前，单色滤光片3位于第一透镜2和第二透镜4的公共焦点；第三透镜9、第四透镜11安装在第四液晶波前校正器17与波前探测器12之间；波前探测器12置于第四液晶波前校正器17对第三透镜9、第四透镜11的成像面；分束镜10在第三透镜9和CCD相机14之间，第三透镜9焦点之前；在分束镜10之后，CCD相机14安装在第四透镜11的焦点处；工控机13连接第一液晶波前校正器6、第二液晶波前校正器7、第三液晶波前校正器15和第四液晶波前校正器17，第一液晶波前校正器6、第二液晶波前校正器7、第三液晶波前校正器15和第四液晶波前校正器17的工作面尺寸、像素数目、光轴方向相同，且同时具有相同的响应时间和相位调制特性，对同一工作波长的相位调制范围为[0～2π]。

本发明的实施例的原理是：为清楚起见，以下说明设定XYZ正交坐标系，入射光的偏振方向参照XYZ正交坐标系进行说明，所用液晶波前校正器的光轴方向沿X轴方向，在电压作用下，液晶分子在XZ平面内发生偏转。沿Z轴方向传播的入射自然光1透过第一透镜2、单色滤光片3、第二透镜4后，得到与所用液晶波前校正器的工作面尺寸匹配，波长在其工作波长范围的出射光，再经反射镜5至第一液晶波前校正器6。自然光可以看成是振动方向垂直的两个偏振光的叠加，定义入射自然光1中的两个偏振光分别为与所用液晶波前校正器光轴方向平行的P光和与光轴方向垂直的S光。P光的偏振方向沿X轴方向，S光的偏振方向沿Y轴方向，工控机13对第一液晶波前校正器6施加电压，液晶分子在XZ平面内发生偏转，X方向的折射率随电压变化，因此偏振方向平行X轴的P光的像差被第一液晶波前校正器6校正后反射；S光偏振方向平行与Y轴，与XZ平面垂直，液晶分子在XZ平面内的偏转不会改变Y方向的折射率，S光直接被第一液晶波前校正器6反射，像差未被校正。校正后的P光和未校正的S光透过第一1/2波片7，偏振方向均旋转90度，变成偏振方向与Y轴平行的S光(像差已被第一液晶波前校正器6校正)直接被第二液晶波前校正器7反射，和偏振方向与X轴平行的P光(像差未被第一液晶波前校正器6校正)被第二液晶波前校正器7校正反射。第一液晶波前校正器6、第二液晶波前校正器8与位于其间的第一1/2波片7配合分别校正入射自然光的两个偏振光P、S的像差，第一无偏振像差校正单元18校正后的自然光入射至由第三液晶波前校正器15、第二1/2波片16、第四液晶波前校正器17组成的第二无偏振像差校正单元19，像差校正原理同第一无偏振像差校正单元18。

经两个无偏振液晶像差校正单元校正后的波面透过第三透镜9，进入位于第三透镜9的透射焦点前的分束镜10分成透射光和反射光，反射光再经第四透镜11(第四透镜11的焦点与第三透镜9的反射焦点重合)进入波前探测器12，波前探测器12测量波面残差，与之相连的工控机13对波面进行复原，并将波面残差反馈给所有的液晶波前校正器，各液晶波前校正器在上次校正的基础上进行修正，直到位于第三透镜9透射焦点位置的CCD相机上得到完美的像。

在某些应用领域例如超大口径望远镜观测系统、或人眼自适应光学系统都要求波前校正器的行程满足10μm以上。虽然液晶波前校正器可以采用Phase Wrapping方法扩大其动态范围，然而校正范围越大，Phase Wrapping次数越多，校正效果变差，尤其对于高阶像差，PhaseWrapping次数会是校正精度急剧下降。本实施例将两个无偏振液晶像差校正单元串联，构成一个液晶级联自适应光学闭环系统。波前探测器测量经过两个无偏振像差校正单元校正后的波前残差，与之连接的工控机13对波前进行复原，得到总的波前误差为Φ_total，对其进行分解表示为：Φ_total＝Φ_low+Φ_high，Φ_high表示高阶像差分量，Φ_low表示低阶像差分量；工控机13控制第一无偏振像差校正单元18校正低阶像差，第二无偏振像差校正单元19校正高阶像差；或将总的波前误差分解为： ${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{total}}=\frac{1}{2}{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{total}}+\frac{1}{2}{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{total}},$ 工控机13控制两个无偏振像差校正单元分别校正总的波前误差的1/2；这样每个无偏振像差校正单元中的液晶波前校正器所需要PhaseWrapping的次数降低，液晶波前校正器校正波前的精度提高，校正的动态范围扩大。

单个无偏振液晶像差校正单元所包含的两个液晶波前校正器分别校正偏振光P、S的像差，自然光中的两个偏振光的像差的大小和性质与自然光的像差的大小、性质完全相同，因此同一个无偏振像差校正单元中的两个液晶波前校正器的像差校正对象完全相同，工控机13对其二者的控制信号完全相同。本发明实施例中，工控机13对第一液晶波前校正器6与第二液晶波前校正器8的控制相同，第三液晶波前校正器15与第四液晶波前校正器17相同。另外工控机13对各液晶波前校正器的控制同步，没有时间延迟，液晶波前校正器的响应时间不变。在本实施方式中，系统中包含的无偏振液晶像差校正单元的数目不局限于2个，可以根据校正像差的特点和应用场合以及校正精度的要求来确定系统中包含无偏振液晶像差校正单元的数目。

在本实施方式中，波前探测器13的位置由距离其最近的液晶波前校正器对第三透镜9、第四透镜11所成像的位置决定，波前探测器13涉及哈特曼传感器和曲率传感器。

Claims (5)

1、无偏振液晶像差校正单元，其特征在于：包括两个液晶波前校正器和一个1/2波片，两个液晶波前校正器平行放置，1/2波片置于两个液晶波前校正器的中央；第一液晶波前校正器对入射自然光中的P偏振光进行校正并反射，对入射自然光中的S偏振光直接被反射；反射后的P偏振光、S偏振光通过1/2波片偏振方向旋转90度，变成S偏振光和P偏振光；变换后的偏振光入射到第二液晶波前校正器，第二液晶波前校正器对变换后的P偏振光校正并反射，对变换后的S偏振光直接反射；经过无偏振像差校正单元，自然光的两个偏振分量均被校正。

2、根据权利要求1所述的无偏振液晶像差校正单元，其特征在于：所述的两个液晶波前校正器的工作波长、响应时间、相位调制特性相同。

3、根据权利要求1所述的无偏振像差液晶校正单元，其特征在于：所述的1/2波片平行度高，延迟偏差小于5％，自然透射率大于90％，引入像差的PV值小于二十分之一波长。

4、根据权利要求1所述的无偏振像差液晶校正单元，其特征在于：所述的液晶波前校正器可以为反射型液晶波前校正器，也可以是透射型液晶波前校正器。

5、一种液晶级联自适应光学闭环系统，其特征在于：至少包含两个级联使用的无偏振液晶像差校正单元，所述的无偏振液晶像差校正单元包括两个液晶波前校正器和一个1/2波片，两个液晶波前校正器平行放置，1/2波片置于两个液晶波前校正器的中央位置；第一液晶波前校正器对入射自然光中的P偏振光进行校正并反射，对入射自然光中的S偏振光直接被反射；反射后的P偏振光、S偏振光通过1/2波片偏振方向旋转90度，变成S偏振光和P偏振光；变换后的偏振光入射到第二液晶波前校正器，第二液晶波前校正器对变换后的P偏振光校正并反射，对变换后的S偏振光直接反射；经过无偏振像差校正单元，自然光的两个偏振分量均被校正，校正后的自然光再依次经过级联的其余无偏振像差校正单元完成校正。

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