CN103969825A - 光束折叠式液晶自适应光学成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于自适应光学领域，是一种光束折叠式液晶自适应光学成像系统的设计方法。如图1所示，本发明通过引入多个离轴抛物面镜和反射镜组合多次折叠光束，缩小了系统体积。由于哈特曼探测器与液晶校正器为前馈控制，在响应信号测量时必须切换为反馈控制，通过第四离轴抛物面镜13移出光路、对准第三离轴抛物面镜12出射的平行光束在探测支路插入45°放置的第五反射镜18，使通过液晶校正器10的光束被折轴进入哈特曼波前探测器17中、且从第三透镜16出射的光束被截止，同时令快速振镜4只作为普通反射镜，实现了自适应成像光路与液晶校正器响应信号测量光路间的切换，很好地避免了切换前后自适应系统中间光路的对准错位问题。
Description
技术领域
本发明属于自适应光学领域，是一种光束折叠式、紧凑型液晶自适应光学成像系统的设计方法。涉及抛物面镜、反射镜、分色镜、PBS分束器等光学元件与自适应光学系统中的关键元件液晶波前校正器、哈特曼波前探测器、快速振镜的组合结构，具体地说是一种装备于大口径地基望远镜的光束折叠式光学结构的液晶自适应光学成像系统的设计方法。
背景技术
液晶自适应光学系统可以对大气引起的光学波前畸变进行实时补偿校正、恢复望远镜的高分辨率成像，因此在大口径地基望远镜中具有重要应用。但是，随着望远镜口径的增加，液晶自适应光学系统中的光学元件尺寸也相应增大，如果仍然采用简单的透射式结构则系统体积会显著增加。这些变化不仅增加了透射式光学元件的加工难度和系统制备后期的装调难度，对液晶自适应光学系统的运行条件也提出了更高要求。因此，本发明针对上述问题，提出采用反射式光学元件对光束进行折叠，大幅缩小系统结构。由于采用了哈特曼探测器与液晶校正器为前馈控制的自适应光路，在对液晶校正器响应信号测量时必须切换为反馈控制，这种变动容易造成自适应系统中间光路的对准错位，本发明很好地避免了这个问题。
液晶校正器响应矩阵的获得方法参见中国发明专利(ZL200610173382.3)，“无偏振光能量损失的液晶自适应光学系统”。
发明内容
本发明的目的是提供一种光束折叠式紧凑型液晶自适应光学成像系统的设计方法。
本发明的内容是在图1所示的主光学系统中引入多个离轴抛物面镜(2、6、13、14)和反射镜(1、3、7、12)来代替一般透射系统中的透镜，从而使光束折叠，缩小系统体积；并通过将第四离轴抛物面镜13移出光路、第五反射镜18插入光路、以及与点光源氙灯19的光学组合，如图2所示，实现自适应成像光路与系统中快速振镜4和液晶校正器10的响应信号测量光路间的切换，切换前后两个校正器与哈特曼波前探测器17的光路对准精度没有影响。
为了更好地理解本发明，下面详述本发明的光路设计思想。
光路布局如图1所示，1为第一反射镜、2为第一离轴抛物面镜、3为第二反射镜、4为快速振镜、5为分色镜、6为第二离轴抛物面镜、7为第三反射镜、8为第一透镜、9为PBS偏振分束器、10为液晶校正器、11为第四反射镜、12为第三离轴抛物面镜、13为第四离轴抛物面镜、14为成像CCD相机、15为第二透镜、16为第三透镜、17为哈特曼波前探测器、20为本发明系统连接的望远镜焦点。
望远镜接收的目标光出射在望远镜焦面处聚焦为点20，令聚焦点20同时位于第一抛物面镜2的焦点处；而鉴于第一抛物面镜2的焦距较长使用第一反射镜1折叠光路然后入射到第一抛物面镜2上；由于是 焦点发出的光束，故第一抛物面镜2反射出的光束变为平行光束，并由第二反射镜3再次折叠光路后到达与光轴成45°放置的快速振镜4上，快速振镜4用于校正大气干扰引入的波前倾斜；被校正倾斜的光束可以无抖动地到达短波通分色镜5，分色镜5的作用是使望远镜接收的光能量按照波段分为两束，其中短波波段的光束透射、长波波段的光束90°折轴反射，形成互为垂直的长波光束和短波光束；透过的短波光束最终进入哈特曼波前探测器17，以探测消除倾斜后的光波前的高阶畸变，这段光路称为波前探测支路；90°折轴反射的长波光束经液晶校正器10校正哈特曼波前探测器17获得的波前高阶畸变、最终进入CCD相机14成像，这段光路称为校正成像支路。
在波前探测支路，光路较短，通过共焦面的第二透镜15、第三透镜16进行缩束、形成直径与哈特曼波前探测器17的接收口径相同的平行光束而全部进入其中即可；哈特曼波前探测器17的作用是探测快速振镜4校正了波前倾斜后的剩余光波前畸变，因此必须使快速振镜4与哈特曼波前探测器17共轭，即快速振镜4到第二透镜15的光路长度为第二透镜15的焦距，第三透镜16到哈特曼波前探测器17的距离为第三透镜16的焦距。
校正成像支路的光束行程很长，进一步分为两段：第一段是从分色镜5反射到入射液晶校正器10的入射光路，第二段是从液晶校正器10反射到进入CCD相机14的反射光路。对于入射光路采用第二抛物面镜6、第三反射镜7的组合对光束进行折叠，同时令第二抛物面镜6与第一透镜8共焦面，使光束调整为直径与液晶校正器10接收口径相同的平行光入射其上；第三反射镜7的反射角度与第二抛物面镜6的反射角度相同，使到达第二抛物面镜6的光束和从第三反射镜7反射光束的光轴相互平行；令这一光束偏心入射第一透镜8，以使入射光路光束与反射光路光束完全分离，即第一透镜8的轴线相对入射它的光束轴线上移0.035f1～0.052f1，其中f1为第一透镜8的焦距；从第一透镜8出射的光束产生约2°～3°的倾斜、经PBS偏振分束器9成为偏振光入射液晶校正器10，设置液晶校正器10的液晶取向方向平行于偏振方向，使通过液晶校正器10的光束波前畸变能被消除；从液晶校正器10反射的光束以与未经校正光束的倾斜方向反向倾斜2°～3°再次通过PBS偏振分束器9、到达第一透镜8，然后到达第四反射镜11，正好使第四反射镜11的光束与第三反射镜7上的入射光路光束完全分开；第四反射镜11与第三抛物面镜12所构成的光路完全和第三反射镜7与第二抛物面镜6构成的光路对称，光束再次变为与哈特曼波前探测器17接收口径相同的平行光束入射到第四抛物面镜13上，经第四抛物面镜13离轴汇聚于成像CCD相机14上。
为做自适应校正成像前的波前探测器相对校正器的响应测量，需使第三抛物面镜12与第一透镜8组合将液晶校正器10的孔径平面成像于哈特曼波前探测器17的微透镜阵列位置处，另外探测光路的设计已使快速振镜4与哈特曼波前探测器17共轭，再将点光源氙灯19放置在望远镜的出光焦点20处、也是第一抛物面镜2的焦点处，同时将望远镜接收的光截断而不能进入自适应光路。首先测量快速振镜4的响应数据；然后进行液晶校正器10的响应测量：如图2所示，将第四抛物面镜13向上移出光路，并对应第三 抛物面镜13反射出的平行光束在探测支路中45°角置入第五反射镜18，此时经液晶校正器10调制的反射光路光束被第五反射镜18折轴90°进入哈特曼波前探测器17、同时截断从第三透镜16出射的光束，可以完成对液晶校正器10的响应信号测量；最后从探测支路移出第五反射镜18，并将第四抛物面镜13下移回归至图1所示的位置，将点光源氙灯19移出光路，恢复与望远镜连接。即可进行空间目标的自适应波前校正成像。
本发明的系统不仅体积小，而且通过可移动第四离轴抛物面镜13、第五反射镜18、点光源氙灯19的光学组合，实现了哈特曼探测器17与液晶校正器10的前馈控制光路向液晶校正器10响应信号测量的反馈控制光路的切换，很好地避免了切换前后自适应系统中间光路的对准错位问题。
附图说明
图1是本发明的液晶自适应校正成像光路设计示意图。1为第一反射镜、2为第一抛物面镜，3为第二反射镜，4为快速振镜，5为以700nm波长分色的短波通分色镜，6为第二抛物面镜，7为第三反射镜，8为第一透镜，9为PBS偏振分束器，10为液晶校正器，11为第四反射镜，12为第三抛物面镜，13为可移动第四抛物面镜，14为成像CCD，15、16分别为第二、第三透镜，17为哈特曼波前探测器。
图2是测量液晶校正器10响应信号的光路示意图。19为点光源氙灯，位于第一抛物面镜2的焦点处；第四抛物面镜13从光路中移出，18为45°设置的第五反射镜，以使经过液晶校正器10的光束能够进入哈特曼波前探测器17、同时截断从第三透镜16出射的光束。
具体实施方式
与2米口径望远镜匹配的反射式液晶自适应光学系统的设计，望远镜焦距196米。图1、图2中各元件的具体参数如下：
1)第一抛物面镜2、第二抛物面镜6、第三抛物面镜12、第四抛物面镜13均为离轴抛物面反射镜，口径分别为100mm、50mm、50mm、50mm，曲率半径分别为3332mm、1940mm、1940mm、920mm，焦距分别为1666mm、970mm、970mm、460mm，离轴量分别为300mm、120mm、120mm、150mm；第四抛物面镜13下设置垂直于其与第二离轴抛物面镜12之间光轴的导轨，使其可以沿导轨向上方移出光路。
2)第一透镜8、第二透镜15、第三透镜16均为双胶合消色差透镜，口径分别为60mm、20mm、20mm，焦距分别为350mm、62mm、62mm。
3)快速振镜4为德国PI公司的S330型号产品，直径为25mm，初始以45度角放置，对应的出瞳直径为17mm，相对第二反射镜3出射的平行光束成45度角放置，使入射光束折轴90°能够进入哈特曼波前探测器17。
4)哈特曼波前探测器17具有17mm接收孔径，可探测波段从350nm～1000nm。
5)第一、第二、第三、第四、第五反射镜1、3、7、11、18，口径分别为100mm、70mm、30mm、 30mm、35mm；第五反射镜18与哈特曼波前探测器17的入射光轴成45°角放置，且在第五反射镜18之下设置平行于第三离轴抛物面镜12光轴的导轨，使第五反射镜18可以沿导轨方向左右移动，其中向右移动是为移出光路，向左移动是为进入光路。
6)液晶校正器10为纯位相LCOS型液晶校正器，接收窗口为6.14mm×6.14mm，象素数256×256，位相调制深度800nm。
7)PBS偏振分束器9,尺寸为50mm×50mm×50mm，其P偏振光偏振光的消光比为1×10-3。
8)成像CCD相机14为英国ANDOR公司DV897型号的产品，像素数512×512，口径为13mm×13mm。
9)点光源氙灯19，是光纤束耦合的卤素光源，具有氙灯光谱，光纤束直径1mm。
10)分色镜5为分色波长700nm的短波通分色镜，口径35mm。
11)利用1)～10)所述的元件按照图1所示光路搭建液晶自适应光学系统。第一反射镜1与望远镜焦点20间距离为1000mm，第一抛物面镜2与第一反射镜1间距离为666mm，第二反射镜3与第一抛物面镜2间距离850mm，第二反射镜3与快速振镜4间距离920mm，快速振镜4与分色镜5间距离为31mm，分色镜5与第二抛物面镜6间距离为570mm，第二抛物面镜6与第三反射镜7间距离为440mm，第三反射镜7与第一透镜8间距离为880mm，第一透镜8与PBS偏振分束器9间距离为100mm，PBS偏振分束器9与液晶校正器10间距离为150mm，第一透镜8与第四反射镜11间距离为880mm，第四反射镜11与第三抛物面镜12间距离为440mm，第三抛物面镜12与第四抛物面镜13间距离为440mm，第四抛物面镜13与成像CCD相机14间距离为460mm，分色镜5与第二透镜15间距离为31mm，第二透镜15与第三透镜16间距离为124mm，第三透镜16与哈特曼波前探测器17间距离为62mm。
12)快速振镜4、哈特曼波前探测器17、液晶校正器10、成像CCD相机14均与存有自适应控制软件的工控机相连结。以上即形成能与2米口径望远镜匹配的本发明所设计的系统。
13)在实验室模拟操作自适应校正过程：
首先测量快速振镜4、液晶校正器10在标准驱动信号下哈特曼波前探测器17的响应信号，将具有稳定光谱的氙灯即点光源氙灯19放置在第一离轴抛物面镜2的焦点、即望远镜焦点20处，虚拟将望远镜出射的光束截断而不能进入本发明系统；
测量快速振镜4在标准驱动信号下哈特曼波前探测器17的响应信号：令工控机向快速振镜4的A轴和B轴分别施加系列电压Vx、Vy，其中Vx、Vy的电压范围在[0V，9V]、分为60个分度值，并在哈特曼波前探测器17中读出相应的微透镜阵列光斑质心平均偏移量值Ax、Ay，做成两个二维响应矩阵Ax(Vx)、Ay(Vy)，然后存储于工控机的数据库中，完成了快速振镜4的响应信号测量；
再将光路改变为测量液晶校正器10的响应信号光路，按照图2所示，将第四抛物面镜13向上移出光路，并对应第三抛物面镜12反射出的平行光束将第五反射镜18向左移入探测支路，使经液晶校正器10 调制的反射光路光束被第五反射镜18折轴90°进入哈特曼波前探测器17、同时截断从第三透镜16出射的光束，令快速振镜4只作为普通反射镜，测量液晶校正器10的响应信号：用工控机向液晶校正器10施加19阶Zernike模式的分布电压，同时在哈特曼波前探测器17中获得相应的微透镜阵列光斑质心响应信号，做成响应矩阵D，将矩阵D存入工控机的数据库中，完成了液晶校正器10的响应信号的测量；
从探测支路向右移出第五反射镜18，并将第四抛物面镜13下移回归至图1所示的位置；将点光源氙灯19虚拟为2米口径望远镜接收的空间目标的像，其光束经其反射进入成像CCD相机14，证明恢复为与望远镜连接的自适应系统；
在第二反射镜3和快速振镜4之间插入湍流模拟器，利用工控机中的自适应控制软件进行点光源氙灯19的自适应校正成像。
成像CCD相机14中显示的结果证明本发明所设计的与2米口径望远镜匹配的反射式液晶自适应光学系统能够正常工作。
发明所设计的系统体积约为1400mm×1000mm，旧式透射式体积则约为3400mm×2600mm。新设计可以使系统占用面积缩小为原来的16％。
Claims (1)
1.一种适用于大口径望远镜的光束折叠式液晶自适应光学系统的设计方法，其特征是：主光学系统由第一反射镜(1)、第一抛物面镜(2)、第二反射镜(3)、快速振镜(4)、分色镜(5)、第二抛物面镜(6)、第三反射镜(7)、第一透镜(8)、PBS偏振分束器(9)、液晶校正器(10)、第四反射镜(11)、第三抛物面镜(12)、第四抛物面镜(13)、成像CCD(14)、第二透镜(15)、第三透镜(16)、哈特曼波前探测器(17)组成；
第一抛物面镜(2)的前焦点与望远镜的出射焦点(20)重合；分色镜(5)为短波通分色镜，分色镜(5)之后是互为垂直的波前探测支路和校正成像支路；
在波前探测支路，第二透镜(15)和第三透镜(16)共焦面，快速振镜(4)到第二透镜(15)的光路长度为第二透镜(15)的焦距，第三透镜(16)到哈特曼波前探测器(17)的距离为第三透镜(16)的焦距；
在校正成像支路，第二离轴抛物面镜(6)与第一透镜(8)共焦面；第三反射镜(7)的反射角度与第二离轴抛物面镜(6)的反射角度相同，使光束在到达第二离轴抛物面镜(6)前和从第三反射镜(7)出射后的光轴相互平行；第一透镜(8)的轴线相对第三反射镜(7)后的光束轴线上移一段距离，这段距离约为第一透镜(8)焦距的0.035～0.052倍，使得通过第一透镜(8)的光束为偏心入射，然后产生约2°～3°的倾斜出射，以这个入射角通过PBS偏振分束器(9)被分成透射P偏振光和反射S偏振光，在平行P偏振方向设置液晶校正器(10)的e光光轴、即液晶取向方向；经液晶校正器(10)校正后的P偏振光束被反射回PBS偏振分束器(9)，且与未经校正光束的倾斜方向反向倾斜2°～3°再次偏心通过第一透镜(8)，使光束到达第四反射镜(11)时正好与第三反射镜(7)上的入射光束分开；第四反射镜(11)与第三抛物面镜(12)所构成的光路完全和第三反射镜(7)与第二抛物面镜(6)构成的光路对称，从第四反射镜(11)反射的校正后光束经过第三离轴抛物面镜(12)后，再次变为与哈特曼波前探测器(17)接收口径相同的平行光束入射到第四离轴抛物面镜(13)上，经第四离轴抛物面镜(13)汇聚于成像CCD相机(14)上；
上述光路中的快速振镜(4)、哈特曼波前探测器(17)、液晶校正器(10)和成像CCD相机(14)均与存有自适应控制软件的工控机相连；
在自适应校正成像过程之前，需用哈特曼波前探测器(17)测量快速振镜(4)和液晶校正器(10)的标准驱动响应信号，因此将点光源氙灯(19)放置在第一离轴抛物面镜(2)的前焦点处，同时将望远镜接收的光束截断使其不能进入系统光路；测量快速振镜(4)的标准驱动响应信号，并将测得的响应信号存入工控机的数据库中；然后测量液晶校正器(10)的响应信号：将第四离轴抛物面镜(13)从光路中移出，然后将第五反射镜(18)移入光路，其与哈特曼波前探测器(17)的入射光轴成45°角放置，则从第三离轴抛物面镜(12)出射的平行光束经第五反射镜(18)反射进入哈特曼波前探测器(17)中，而从第三透镜(16)出射的光束被截止，同时令快速振镜(4)只作为普通反射镜，保证只有通过液晶校正器(10)的光束进入哈特曼波前探测器(17)，用一系列Zernike模式驱动液晶校正器(10)，在哈特曼波前探测器(17)上获得相应的一系列响应信号，将测得的液晶校正器(10)的一系列响应信号存入工控机的数据库中；将点光源氙灯(19)、第五反射镜(18)移出光路，第四离轴抛物面镜(13)移进光路，恢复为与望远镜连接的光学波前自适应校正成像系统。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |