CN104062877A - 基于动态全息图的闭环自适应光学系统 - Google Patents

Abstract

基于动态全息图的闭环自适应光学系统，涉及自适应光学系统领域，解决了现有自适应光学系统存在的结构复杂、成本高的问题。方案一：该系统包括液晶空间光调制器、CCD相机和分光棱镜，入射光经分光棱镜分光作用后入射至液晶空间光调制器，液晶空间光调制器对入射光进行调制并将其反射回分光棱镜，反射光经分光棱镜分光作用后入射至CCD相机靶面上并形成空间上分离的全息像面光斑和成像光斑。方案二：该系统包括液晶空间光调制器和CCD相机，液晶空间光调制器的法线与入射光的夹角小于15°，入射光经液晶空间光调制器的调制作用后反射至CCD相机的靶面上并形成空间上分离的全息像面光斑和成像光斑。本发明结构简单、性能可靠、成本低廉。

Description

基于动态全息图的闭环自适应光学系统

技术领域

本发明涉及自适应光学系统技术领域，具体涉及一种基于动态全息图的闭环自适应光学系统。

背景技术

自适应光学系统能够实时校正波前像差，从而使光学系统达到或者接近衍射极限的像质水平。近年来自适应光学系统被广泛应用于光学技术的各个领域，如地基天文观测、眼底成像、激光光束整形、激光武器和自由空间光通信系统等。现有的自适应光学系统一般由独立的波前传感器、波前校正器和成像元件构成，此类系统结构复杂，体积较为庞大，装调方面显得尤为困难，器件众多使得系统成本增加。因此，迫切需要研制出一种结构简单、成本低廉的新型自适应光学系统。

发明内容

为了解决现有自适应光学系统存在的结构复杂、成本高的问题，本发明提供一种结构简单、性能可靠、成本低廉的基于动态全息图的闭环自适应光学系统。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

方案一：本发明的基于动态全息图的闭环自适应光学系统，包括液晶空间光调制器、CCD相机和分光棱镜，入射光经分光棱镜分光作用后入射至液晶空间光调制器，液晶空间光调制器对入射光进行调制并将其反射回分光棱镜，反射光经分光棱镜分光作用后入射至CCD相机靶面上并形成空间上分离的全息像面光斑和成像光斑。

方案二：本发明的基于动态全息图的闭环自适应光学系统，包括液晶空间光调制器和CCD相机，液晶空间光调制器的法线与入射光的夹角小于15°，入射光经液晶空间光调制器的调制作用后反射至CCD相机的靶面上并形成空间上分离的全息像面光斑和成像光斑。

在由2n幅全息图构成的复用全息图基础上，通过液晶空间光调制器叠加第2n+1幅成像全息图构成具有成像功能的复用全息图，第2n+1幅成像全息图复振幅透过率公式为：

$H_{2n+1}(x,y)=\mathrm{Aexp}\{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}[{(x-x_G)}^2+{(y-y_G)}^2+{z_G}^2{]}^{1/2}\}---\left(1\right)$

式(1)中，(x，y)为全息图平面坐标，λ为全息图设计波长，A为成像全息图系数，在成像全息图作用下，系统将成像于点G(x_G，y_G，z_G)；

在叠加了2n+1幅成像全息图的基础上，再乘以一项波前校正项构成具有波前校正功能的复用全息图，复用全息图复振幅透过率公式为：

$H(x,y)=\left[\underset{m=1}{\overset{2n+1}{\mathrm{\Σ}}}{H}_m(x,y)\right]\×\exp \{j\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}-c_i{Z}_i(x,y)\}---\left(2\right)$

式(2)中，(x，y)为全息图平面坐标，Z_i(x，y)表征第i项Zernike多项式，c_i为波前校正项的第i项Zernike多项式系数即复用全息图校正项系数；

通过液晶空间光调制器显示具有波前校正功能及成像功能的复用全息图，通过液晶空间光调制器探测由n项Zernike多项式表征的波前像差，并通过实时计算全息像面光斑来解算波前像差，同时改变加载在液晶空间光调制器中的复用全息图校正项系数c_i，进而能够动态调整复用全息图以使点G(x_G，y_G，z_G)达到衍射极限成像，使成像光斑的清晰度达到要求，实现波前像差的闭环校正。

本发明的有益效果是：本发明基于复用动态全息图同时实现波前探测与校正的闭环自适应，液晶空间光调制器复用为波前传感器、波前校正器和成像元件，由于只采用了一个液晶空间光调制器和一个CCD相机就实现了自适应光学系统的全部功能，结构上变得更加简单，成本较低，而且本发明仅通过动态改变由液晶空间光调制器加载的复用全息图来实现波前像差的闭环校正，稳定性高，性能可靠。

附图说明

图1为本发明的基于动态全息图的闭环自适应光学系统的光路图Ⅰ。

图2为本发明的基于动态全息图的闭环自适应光学系统的光路图Ⅱ。

图中：1、液晶空间光调制器，2、CCD相机，3、分光棱镜，4、全息像面光斑，5、成像光斑。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式一

如图1所示，本发明的基于动态全息图的闭环自适应光学系统，由液晶空间光调制器1、CCD相机2和分光棱镜3组成，入射光经过分光棱镜3的分光作用后入射至液晶空间光调制器1中，液晶空间光调制器1对入射光进行调制并将其反射回分光棱镜3中，反射光经过分光棱镜3的分光作用后入射至CCD相机2的靶面上，CCD相机2的一部分靶面用来采集全息像面光斑4，另一部分靶面用来采集成像光斑5，通过液晶空间光调制器1的调制作用使全息像面光斑4与成像光斑5在空间上分离。

根据全息波前传感器基本原理，用来探测由n项Zernike多项式表征的波前像差的全息波前传感器，需要叠加2n幅全息图用来构成复用全息图。本发明对全息波前传感器进行了改进，在由2n幅全息图构成的复用全息图基础上，通过液晶空间光调制器1叠加第2n+1幅成像全息图构成具有成像功能的复用全息

图，第2n+1幅成像全息图复振幅透过率如式(1)所示：

$H_{2n+1}(x,y)=\mathrm{Aexp}\{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}[{(x-x_G)}^2+{(y-y_G)}^2+{z_G}^2{]}^{1/2}\}---\left(1\right)$

式(1)中，(x，y)为全息图平面坐标；λ为全息图设计波长；A为成像全息图系数，在成像全息图作用下，系统将成像于点G(x_G，y_G，z_G)。

在叠加了2n+1幅成像全息图的基础上，再乘以一项波前校正项，从而形成具有波前校正功能的复用全息图，复用全息图复振幅透过率如式(2)所示：

$H(x,y)=\left[\underset{m=1}{\overset{2n+1}{\mathrm{\Σ}}}{H}_m(x,y)\right]\×\exp \{j\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}-c_i{Z}_i(x,y)\}---\left(2\right)$

式(2)中，(x，y)为全息图平面坐标；Z_i(x，y)表征第i项Zernike多项式；c_i为波前校正项的第i项Zernike多项式系数即复用全息图校正项系数。

通过液晶空间光调制器1显示具有波前校正功能以及成像功能的复用全息图，通过液晶空间光调制器1探测由n项Zernike多项式表征的波前像差，并通过实时计算全息像面光斑4来解算波前像差，同时改变加载在液晶空间光调制器1中的复用全息图校正项系数c_i，进而能够动态调整复用全息图以使点G(x_G，y_G，z_G)达到衍射极限成像，使成像光斑5的清晰度达到要求，获得更加清晰的图像，从而实现波前像差的闭环校正。

具体实施方式二

如图2所示，本发明的基于动态全息图的闭环自适应光学系统，由液晶空间光调制器1和CCD相机2组成，液晶空间光调制器1的法线与入射光的夹角小于15°。液晶空间光调制器1对入射光进行调制并将其反射至CCD相机2的靶面上，CCD相机2的一部分靶面用来采集全息像面光斑4，另一部分靶面用来采集成像光斑5，通过液晶空间光调制器1的调制作用使全息像面光斑4与成像光斑5在空间上分离。

根据全息波前传感器基本原理，用来探测由n项Zernike多项式表征的波前像差的全息波前传感器，需要叠加2n幅全息图用来构成复用全息图。本发明对全息波前传感器进行了改进，在由2n幅全息图构成的复用全息图基础上，通过液晶空间光调制器1叠加第2n+1幅成像全息图构成具有成像功能的复用全息

图，成像全息图复振幅透过率如式(1)所示：

$H_{2n+1}(x,y)=\mathrm{Aexp}\{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}[{(x-x_G)}^2+{(y-y_G)}^2+{z_G}^2{]}^{1/2}\}---\left(1\right)$

式(1)中，(x，y)为全息图平面坐标；λ为全息图设计波长；A为成像全息图系数，在成像全息图作用下，系统将成像于点G(x_G，y_G，z_G)。

在叠加了2n+1幅成像全息图的基础上，再乘以一项波前校正项，从而形成具有波前校正功能的复用全息图，复用全息图复振幅透过率如式(2)所示：

$H(x,y)=\left[\underset{m=1}{\overset{2n+1}{\mathrm{\Σ}}}{H}_m(x,y)\right]\×\exp \{j\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}-c_i{Z}_i(x,y)\}---\left(2\right)$

式(2)中，(x，y)为全息图平面坐标；Z_i(x，y)表征第i项Zernike多项式；c_i为波前校正项的第i项Zernike多项式系数即复用全息图校正项系数。

通过液晶空间光调制器1显示具有波前校正功能以及成像功能的复用全息图，通过液晶空间光调制器1探测由n项Zernike多项式表征的波前像差，并通过实时计算全息像面光斑4来解算波前像差，同时改变加载在液晶空间光调制器1中的复用全息图校正项系数c_i，进而能够动态调整复用全息图以使点G(x_G，y_G，z_G)达到衍射极限成像，使成像光斑5的清晰度达到要求，获得更加清晰的图像，从而实现波前像差的闭环校正。

Claims (6)

1.基于动态全息图的闭环自适应光学系统，其特征在于，包括液晶空间光调制器(1)、CCD相机(2)和分光棱镜(3)，入射光经分光棱镜(3)分光作用后入射至液晶空间光调制器(1)，液晶空间光调制器(1)对入射光进行调制并将其反射回分光棱镜(3)，反射光经分光棱镜(3)分光作用后入射至CCD相机(2)靶面上并形成空间上分离的全息像面光斑(4)和成像光斑(5)；

在由2n幅全息图构成的复用全息图基础上，通过液晶空间光调制器(1)叠加第2n+1幅成像全息图构成具有成像功能的复用全息图，在成像全息图作用下，系统将成像于点G(x_G，y_G，z_G)，在叠加了2n+1幅成像全息图的基础上，再乘以一项波前校正项构成具有波前校正功能的复用全息图，通过液晶空间光调制器(1)显示具有波前校正功能及成像功能的复用全息图，通过液晶空间光调制器(1)探测由n项Zernike多项式表征的波前像差，并通过实时计算全息像面光斑(4)来解算波前像差，同时改变加载在液晶空间光调制器(1)中的复用全息图校正项系数，进而能够动态调整复用全息图以使点G(x_G，y_G，z_G)达到衍射极限成像，使成像光斑(5)的清晰度达到要求，实现波前像差的闭环校正。

2.根据权利要求1所述的基于动态全息图的闭环自适应光学系统，其特征在于，第2n+1幅成像全息图复振幅透过率公式为：

$H_{2n+1}(x,y)=\mathrm{Aexp}\{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}[{(x-x_G)}^2+{(y-y_G)}^2+{z_G}^2{]}^{1/2}\}$

式(1)中，(x，y)为全息图平面坐标，λ为全息图设计波长，A为成像全息图系数。

3.根据权利要求1所述的基于动态全息图的闭环自适应光学系统，其特征在于，复用全息图复振幅透过率公式为：

$H(x,y)=\left[\underset{m=1}{\overset{2n+1}{\mathrm{\Σ}}}{H}_m(x,y)\right]\×\exp \{j\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}-c_i{Z}_i(x,y)\}$

式(2)中，(x，y)为全息图平面坐标，Z_i(x，y)表征第i项Zernike多项式，c_i为波前校正项的第i项Zernike多项式系数即复用全息图校正项系数。

4.基于动态全息图的闭环自适应光学系统，其特征在于，包括液晶空间光调制器(1)和CCD相机(2)，液晶空间光调制器(1)的法线与入射光的夹角小于15°，入射光经液晶空间光调制器(1)的调制作用后反射至CCD相机(2)的靶面上并形成空间上分离的全息像面光斑(4)和成像光斑(5)；

在由2n幅全息图构成的复用全息图基础上，通过液晶空间光调制器(1)叠加第2n+1幅成像全息图构成具有成像功能的复用全息图，在成像全息图作用下，系统将成像于点G(x_G，y_G，z_G)，在叠加了2n+1幅成像全息图的基础上，再乘以一项波前校正项构成具有波前校正功能的复用全息图，通过液晶空间光调制器(1)显示具有波前校正功能及成像功能的复用全息图，通过液晶空间光调制器(1)探测由n项Zernike多项式表征的波前像差，并通过实时计算全息像面光斑(4)来解算波前像差，同时改变加载在液晶空间光调制器(1)中的复用全息图校正项系数，进而能够动态调整复用全息图以使点G(x_G，y_G，z_G)达到衍射极限成像，使成像光斑(5)的清晰度达到要求，实现波前像差的闭环校正。

5.根据权利要求4所述的基于动态全息图的闭环自适应光学系统，其特征在于，第2n+1幅成像全息图复振幅透过率公式为：

$H_{2n+1}(x,y)=\mathrm{Aexp}\{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}[{(x-x_G)}^2+{(y-y_G)}^2+{z_G}^2{]}^{1/2}\}---\left(1\right)$

式(1)中，(x，y)为全息图平面坐标，λ为全息图设计波长，A为成像全息图系数。

6.根据权利要求4所述的基于动态全息图的闭环自适应光学系统，其特征在于，复用全息图复振幅透过率公式为：

$H(x,y)=\left[\underset{m=1}{\overset{2n+1}{\mathrm{\Σ}}}{H}_m(x,y)\right]\×\exp \{j\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}-c_i{Z}_i(x,y)\}---\left(2\right)$

式(2)中，(x，y)为全息图平面坐标，Z_i(x，y)表征第i项Zernike多项式，c_i为波前校正项的第i项Zernike多项式系数即复用全息图校正项系数。