CN101382653B - 双液晶自适应闭环系统 - Google Patents

Abstract

一种双液晶自适应光学闭环系统，其特征在于：自然光经过第一90°分束偏光镜，分成相互垂直的两束偏振光，一束为透射偏振光P，直接被第一液晶波前校正器校正，校正后的P偏振光被第一1/2波片调制为S偏振光；另一束反射偏振光S，首先被第二1/2波片调制为P偏振光，再被第二液晶波前校正器校正，校正后的S偏振光和P偏振光分别经反向使用的第二90°分束偏光镜反射和透射后，合束输出自然光，无偏振光强损失；本发明在不增加液晶器件的成本、不改变器件结构的前提下，采用液晶波前校正器与偏振分束、合束系统配合，解决了液晶器件构成的自适应光学闭环系统造成的波前探测光能利用率低，不能在弱光条件下工作的缺陷。

Description

双液晶自适应闭环系统

技术领域

本发明属于自适应光学领域，涉及一种自适应光学系统。

背景技术

在高分辨率天文成像观测、或高质量激光能量传输系统中，大气湍流引起的波前动态随机扰动造成光学波前畸变，光学系统的成像质量下降、灵敏度降低。自适应光学系统利用光电器件实时测量、校正波前畸变，使光学系统具有自动适应外界变化，始终保持良好工作状态的能力。目前世界上几乎每一台大型地基望远镜都有或正计划使用自适应光学闭环系统。

传统波前校正器-变形反射镜的单元制作技术复杂、费时，控制电压高达400-500V，另外由于制作技术的限制，变形镜的单元数目成为目前发展高分辨率波前校正器的技术瓶颈。液晶器件采用微电子制作技术，能够轻易实现上百万像素器件的制备，液晶器件作为波前校正器构建高分辨自适应光学系统可能具有很大的应用潜力，目前限制液晶波前校正器应用的主要因素之一是对偏振入射条件的依赖。自然界中发光体发出的光大多为自然光，从目标发出的自然光通过偏振片后，光能损失50％。从弱强度观测目标发出的自然光，首先通过偏振器件才能被液晶波前校正器校正，偏振造成的光能损失使进入波前传感器器的光强信号太弱，波前像差的测量误差大，系统不能闭环。解决偏振引起的50％的能量损失是液晶自适应光学闭环系统能够正常工作，特别是在弱光条件下正常工作的关键。

美国专利US4943079“liquid crystal adaptive optics system”，利用液晶分子排列方向平行的透射屏与液晶分子排列转过90度的反射屏叠加的方法解决偏振问题。1993年GordonLove(Applied Optics/Vol.32，No.13/1May 1993)采用在反射式液晶反射基板前插入1/4波片的方法，入射自然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。上述两种方法虽然可以解决液晶系统对偏振光的依赖，但对相同的相位校正量，液晶层厚度增加1倍，而液晶的响应速度与层厚的平方成正比，因此液晶的响应速度降低，不能满足闭环系统对动态波前像差的实时校正。美国专利US6107617“Liquid crystal active optics correction for large spaceoptical system”，利用两层分子排列相互垂直的液晶分子构成液晶器件，解决了入射偏振要求，但同样存在上述问题，且该器件制作时两层液晶分子垂直排列的技术相当困难，尚未见到批量生产的报道和产品。公开号为CN101169513A的中国专利“无偏振光能量损失的液晶自适应光学系统”利用偏振分束镜代替普通偏振片，两个偏振分量分别作为探测光和校正光形成一个自适应开环系统，用于波前探测的光能仍只有入射光能的50％，且不能实现校正信号的闭环控制，对于高阶像差的校正不利，校正效果差，另外系统中没有成像观测系统，不能对校正效果观测。更重要的是自适应光学系统对高光能利用率的要求缘于波前传感器器对探测光强度的需求，提高进入波前探测器的光强度是自适应光学系统在弱观测领域应用的关键。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述现有技术不足，本发明将两个液晶波前校正器与两个1/2波片，以及两个90°分束偏光镜有机组合，提供一种无偏振光能量损失，能够在弱光条件下工作的液晶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：一种双液晶自适应光学闭环系统，其特征在于：包含有第一90°分束偏光镜、第一透射型液晶波前校正器、第一1/2波片、第一全反射镜、第二1/2波片、第二透射型液晶波前校正器、第二全反射镜、第二90°分束偏光镜；自然光入射至第一90°分束偏光镜，被分为振动方向互相垂直的透射偏振光P和反射偏振光S，透射偏振光P直接垂直入射至第一透射型液晶波前校正器并被校正，再经过第一透射型液晶波前校正器后放置的第一1/2波片，校正后的透射偏振光P变为S光；反射偏振光S先通过置于第二透射型液晶波前校正器前的第二1/2波片，被调制成P光，再被第二透射型液晶波前校正器校正；校正后的S光和P光分别经置于第一1/2波片后的第一全反射镜和置于第二双液晶波前校正器系统后的第二全反射镜的反射，垂直进入反向使用的第二90°分束偏光镜，两偏振光合束，出射光为像差校正后的自然光；

所述的第一90°分束偏光镜和第二90°分束偏光镜的通光口径大于第一透射型液晶波前校正器第二透射型液晶波前校正器的口径。

所述的第一透射型液晶波前校正器的响应时间和相位调制特性与第二透射型液晶波前校正器相同。

还可以采用以下技术方案：一种双液晶自适应光学闭环系统，其特征在于：包含有第一90°分束偏光镜、第一反射型液晶波前校正器、第一1/2波片、第二1/2波片、第二反射型液晶波前校正器、第二90°分束偏光镜；自然光入射至第一90°分束偏光镜，被分为振动方向互相垂直的透射偏振光P和反射偏振光S，透射偏振光P直接垂直入射至第一反射型液晶波前校正器被反射并同时被校正，再经过第一反射型液晶波前校正器后放置的第一1/2波片，校正后的透射偏振光P变为S光；反射偏振光S先通过置于第二反射型液晶波前校正器前的第二1/2波片，被调制成P光，再被第二反射型液晶波前校正器校正；校正后的S光和P光垂直进入反向使用的第二90°分束偏光镜，两偏振光合束，出射光为像差校正后的自然光。

所述的第一90°分束偏光镜和第二90°分束偏光镜的通光口径大于第一反射型液晶波前校正器、第二反射型液晶波前校正器的口径。

所述的第一反射型液晶波前校正器的响应时间和相位调制特性与第二反射型液晶波前校正器相同。

本发明与现有技术相比所具有的优点是：本发明在不增加液晶器件的成本、不改变器件结构的前提下，采用双液晶波前校正器与偏振分束、合束系统配合，解决了商品化液晶器件构成的自适应光学闭环系统造成的波前探测光能利用率低，不能在弱光条件下工作的缺陷，使液晶自适应光学系统的应用范围扩大，真正实现了无偏振的液晶自适应光学闭环系统。

附图说明

图1为本发明透射型液晶波前校正器的双液晶自适应光学闭环系统组成结构示意图；

图2为本发明反射型液晶波前校正器的双液晶自适应光学闭环系统组成结构示意图；

图3为透射型液晶波前校正器的双液晶自适应光学闭环系统实现自然光分束、校正、合束原理图；

图4为双液晶自适应光学系统的闭环控制流程图；

图中：1为光源，2为单色滤光片，3第一透镜，4第二透镜，5空间滤波器，6第三透镜，7第一90°分束偏光镜，8第一透射型液晶波前校正器，9第一1/2波片，10第一全反射镜，11第二1/2波片，12第二透射型液晶波前校正器，13第二全反射镜，14第二90°分束偏光镜，15分束镜，16第四透镜，17第五透镜，18波前传感器，19第六透镜，20CCD相机，21监视器，22工控机，23第一反射型液晶波前校正器，24第二反射型液晶波前校正器。

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。

本实施例的采用透射型液晶波前校正器的双液晶自适应光学闭环系统，如图1所示：包括下列组件：由光源1、单色滤光片2和第一透镜3组成的单色平行光系统、由第二透镜4、空间滤波器5和第三透镜6组成的缩束系统、第一90°分束偏光镜7、第一透射型液晶波前校正器8、第一1/2波片9、第一全反射镜10、第二1/2波片11、第二透射型液晶波前校正器12、第二全反射镜13、第二90°分束偏光镜14、分束镜15、以及第四透镜16和第五透镜17构成的扩束系统、波前传感器18，以及第六透镜19和CCD相机20、监视器21组成的成像探测系统和工控机22。

由光源1出射的自然光通过单色滤光片2，第一透镜3得到单色平行自然光，单色滤光片2的波长与透射型液晶波前校正器的工作波长相同；单色平行自然光通过第二透镜4、空间滤波器5、第三透镜6组成的缩束系统(根据共焦滤波原理，空间滤波器5位于第二透镜4和第三透镜6的公共焦点)，单色平行自然光束的口径与透射型液晶波前校正器的口径相匹配；单色平行自然光包含两个正交偏振分量，通过缩束系统的单色平行自然光首先到达第一90°分束偏光镜7，被分成偏振方向相互垂直的P和S两束偏振光，其中透射光为P光，P光与透射型液晶波前校正器的光轴方向平行，直接透过第一透射型液晶波前校正器8，P光的像差被校正，再透过第一1/2波片9变成S光，经第一全反射镜10反射到达第二90°分束偏光镜14；另一束为经第一90°分束偏光镜7的反射偏振光S，S光与第二透射型液晶波前校正器光轴方向垂直，S光首先透过第二1/2波片11变成P光，偏振方向与透射型液晶波前校正器系统光轴方向平行，再透过第二透射型液晶波前校正器12，像差被校正，再经第二全反射镜13反射，到达第二90°分束偏光镜14。经过两个透射型液晶波前校正器和两个1/2波片的有机组合，第一90°分束偏光镜7的透射偏振光P和反射偏振光S变为S偏振光和P偏振光，且波前像差被校正。S偏振光和P偏振光的偏振方向相互垂直，光束夹角为90度垂直入射至第二90°分束偏光镜14，第二90°分束偏光镜14反向使用，根据光路可逆原理，S偏振光和P偏振光合束，输出光为校正后的自然光。输出自然光到达分束镜15后，一部分光透射，另一部分光被反射。第四透镜16和第五透镜17配合构成扩束系统，将分束镜15反射的光扩束为与波前传感器18口径相同的平行光，然后进入波前传感器18中；波前传感器18测量波前的像差，波前传感器18与工控机22相连接，工控机22对波前传感器18的测量信号进行波前复原，得到波前校正残余误差的相位分布，并转换为透射型液晶波前校正器的灰度控制信号反馈给与工控机22相连接的第一透射型液晶波前校正器8和第二透射型液晶波前校正器12，光学系统闭环。从分束镜15透射的校正光通过第六透镜19成像，CCD相机20位于第六透镜的焦点位置记录波前像差校正后的远场强度分布，并显示在与CCD相机20相连接的监视器21上。

本发明中，液晶波前校正器还可以为反射型液晶波前校正器，下面结合图2说明反射型液晶波前校正器在双液晶自适应闭环系统中的使用；图2中第一反射型液晶波前校正器23和第二反射型液晶波前校正器24既作为波前校正器，同时具备全反射镜的功能。与图1相比，去掉第一全发射镜10和第二全反射镜12，第一1/2波片9和第二1/2波片11与液晶波前校正器的相对位置不变，第一1/2波片9位于第一反射型液晶波前校正器23前，第二1/2波片11则置于第二反射型液晶波前校正器24之后。

双液晶自适应光学闭环系统中，两个液晶波前校正器到第四透镜16的光程相等，即两个液晶波前校正器对第四透镜16和第五透镜17的成像位置相同，波前传感器18位于该成像位置上，保证波前传感器对波前像差测量的准确性。另外第一透射型液晶波前校正器8和第二透射型液晶波前校正器12的响应时间和相位调制特性相同，工控机22同时控制两个液晶波前校正器，且控制信号完全相同。

图3为第一透射型液晶波前校正器8和第二透射型液晶波前校正器12对入射自然光校正，无偏振损失的原理图，图中两个液晶波前校正器为透射型。工作原理如下：入射自然光包含两个正交的偏振分量，经过第一90°分束偏光镜7被分解成透射的偏振光P和反射的偏振光S，P光和S光的偏振方向垂直，且从第一90°分束偏光镜7相互垂直输出。液晶波前校正器是基于液晶的电控双折射效应对光波的相位进行调制，要求入射光为线偏振光，且偏振光的振动方向与液晶光轴方向平行。透射的偏振光P的振动方向与液晶光轴方向平行，第一透射型液晶波前校正器8直接校正其波前像差；反射的偏振光S的振动方向与第二透射型液晶波前校正器12的光轴方向垂直，因此校正前先通过第二1/2波片11，偏振方向旋转90度，成为与第二透射型液晶波前校正器12光轴方向平行的P偏振光；这样透射偏振光P经过第一透射型液晶波前校正器8后和反射偏振光S经过第二透射型液晶波前校正器12校正后，均为同一偏振态的偏振光P。根据光路可逆原理，将90°分束偏光镜反向使用，可以对互相垂直的两个偏振态合束；在第一透射型液晶波前校正器8后插入第一1/2波片9，第一透射型液晶波前校正器系统8校正后的P偏振光的偏振态旋转90度，变成S偏振光；校正后的S和P偏振光分别被第一全反射镜10和第二全反射镜13反射，垂直入射至反向使用的第二90°分束偏光镜14，P偏振光对该第二90°分束偏光镜14透射，S偏振光被该第二90°分束偏光镜14反射，两束偏振光合束成自然光。

自然光分成两个偏振光束后，每个偏振光束的波面像差的大小、性质与分束前相同，因此第一透射型液晶波前校正器8和第二透射型液晶波前校正器12的校正信号相同。入射自然光的两个偏振分量的像差均被校正，校正后合束输出仍为自然光，无偏振光能损失。图2所示的反射型液晶波前校正器在双液晶自适应闭环系统道理类似。

图4为双液晶自适应光学闭环系统的信号控制流程方框图，整个闭环过程中，波前传感器测量双液晶波前校正器系统校正后的波前残差，波前控制运算的任务是对波前探测器的测量值进行波前复原，并转换为液晶波前校正器的灰度控制信号，再同时控制两个液晶波前校正器校正波前像差。

本发明采用两个液晶波前校正器、两个90°分束偏光镜和两个1/2波片有机组合，组成双液晶自适应光学闭环系统，在不改变液晶器件的结构、成本前提下，实现了无偏振损失的液晶自适应光学闭环系统，可以使目前的商品化液晶器件用于实际的自适应光学系统，使小型液晶自适应光学闭环系统成为现实。

以上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，而且通过以上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，实施例中未作详细描述的属于本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种双液晶自适应光学闭环系统，其特征在于：包含有第一90°分束偏光镜(7)、第一透射型液晶波前校正器(8)、第一1/2波片(9)、第一全反射镜(10)、第二1/2波片(11)、第二透射型液晶波前校正器(12)、第二全反射镜(13)、第二90°分束偏光镜(14)；自然光入射至第一90°分束偏光镜(7)，被分为振动方向互相垂直的透射偏振光P和反射偏振光S，透射偏振光P直接垂直入射至第一透射型液晶波前校正器(8)并被校正，再经过第一透射型液晶波前校正器(8)后放置的第一1/2波片(9)，校正后的透射偏振光P变为S光；反射偏振光S先通过置于第二透射型液晶波前校正器(12)前的第二1/2波片(11)，被调制成P光，再被第二透射型液晶波前校正器(12)校正；校正后的S光和P光分别经置于第一1/2波片(9)后的第一全反射镜(10)和置于第二透射型液晶波前校正器(12)后的第二全反射镜(13)的反射，垂直进入反向使用的第二90°分束偏光镜(14)，两偏振光合束，出射光为像差校正后的自然光。

2.根据权利要求1所述的一种双液晶自适应光学闭环系统，其特征在于：所述的第一90°分束偏光镜(7)和第二90°分束偏光镜(14)的通光口径大于第一透射型液晶波前校正器(8)、第二透射型液晶波前校正器(12)的口径。

3.根据权利要求1所述的一种双液晶自适应光学闭环系统，其特征在于：所述的第一透射型液晶波前校正器(8)的响应时间和相位调制特性与第二透射型液晶波前校正器(12)相同。

4.一种双液晶自适应光学闭环系统，其特征在于：包含有第一90°分束偏光镜(7)、第一反射型液晶波前校正器(23)、第一1/2波片(9)、第二1/2波片(11)、第二反射型液晶波前校正器(24)、第二90°分束偏光镜(14)；自然光入射至第一90°分束偏光镜(7)，被分为振动方向互相垂直的透射偏振光P和反射偏振光S，透射偏振光P直接垂直入射至第一反射型液晶波前校正器(23)被反射并同时被校正，再经过第一反射型液晶波前校正器(23)后放置的第一1/2波片(9)，校正后的透射偏振光P变为S光；反射偏振光S先通过置于第二反射型液晶波前校正器(24)前的第二1/2波片(11)，被调制成P光，再被第二反射型液晶波前校正器(24)校正；校正后的S光和P光垂直进入反向使用的第二90°分束偏光镜(14)，两偏振光合束，出射光为像差校正后的自然光。

5.根据权利要求4所述的一种双液晶自适应光学闭环系统，其特征在于：所述的第一90°分束偏光镜(7)和第二90°分束偏光镜(14)的通光口径大于第一反射型液晶波前校正器(23)、第二反射型液晶波前校正器(24)的口径。

6.根据权利要求4所述的一种双液晶自适应光学闭环系统，其特征在于：所述的第一反射型液晶波前校正器(23)的响应时间和相位调制特性与第二反射型液晶波前校正器(24)相同。

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