CN104133291A - 多层自适应光学中放大变形镜位移冲程的变形镜匹配方式 - Google Patents

Abstract

一种可以有效增加MCAO系统中变形镜有效位移冲程的变形镜匹配方式，在系统的同一层级，由多个变形镜共轭匹配连接构成，光路在变形镜中反射后沿入射方向出射，通过分光镜滤出，进入同层的波前传感器及下一层的变形镜。本发明是根据在变形镜中的多次反射来达到增加多倍的变形镜位移冲程，达到更好的校正效果。系统整体结构简单，在现有变形镜工艺，及没有增加系统控制复杂度的前提下，很好的提高了系统的波前校正能力，扩大了MCAO系统的等晕角。

Description

多层自适应光学中放大变形镜位移冲程的变形镜匹配方式

技术领域

本发明属于自适应光学系统领域，具体涉及一种增大变形镜有效位移冲程的变形镜匹配方式设计。

背景技术

由于大气湍流的影响，在可见光波段对太阳的观测中，光的波前畸变限制了太阳光学望远镜的成像质量。因此，当前国际上一些主要的地基太阳望远镜为了补偿或修正大气湍流对波前的影响，都配备了自适应光学系统(adaptive optics，AO)。但是传统的自适应光学系统，视场在典型情况下只有几个弧秒的量级，在用于观察稍微偏离轴的目标时，分辨率便明显下降，限制了其推广应用。于是正在建设和设计的天文太阳望远镜，大多数都采用多层自适应光学系统(multi-conjugate adaptive optics，MCAO)。

变形镜是自适应光学中波前校正器的重要组成部分，相对于AO系统，MCAO系统的改进在于将大气湍流层进行分层，并针对每一层的共轭位置上配置一个自适应变形镜，以此来将大气湍流对每层产生的波面畸变进行波前校正。

通过Dustin C.Johnston等的文章知道，要提高MCAO系统的畸变波前的校正能力，进而增大MCAO的等晕角大小，增加视场，有两种方式(“Estimating contributions of turbulent layers to totalwavefront phase aberration”，SPIE，1992，1688：510-521)。

一种方式是增加对湍流层分层的层数，这样必然会同时增加系统结构的复杂程度，以及系统控制的难度。而且校正器件也会随着层数的增加而增加，那么成本也必然增加。

还有一种方式是增加系统中每层变形镜的校正能力，现在的做法一般是增加单个变形镜中驱动单元的密度，这种方式从商业来说，随之而来的将是更高的器件制作成本，更重要的是，对变形镜制作工艺上有很高的要求，在实际应用过程中，也很难避免由于驱动单元过密导致它们之间产生相互影响的情况，反而使校正效果下降。所以，目前的变形镜驱动单元数目不多，空间分辨率较低。

现在的变形镜还存在一个问题，以MEMS变形镜为例，它由于造价低廉，得到广泛应用。但是，大多商业用途的MEMS变形镜只有一个很小的位移冲程(即变形范围)，大概只有3μm，如果大气湍流带来的波前畸变过大，则得不到很好的校正。

发明内容

本发明的目的是为了在现有的变形镜制作工艺下，既不会增加MCAO系统分层的层数，也不增加变形镜驱动单元的同时，提高MCAO系统的波前校正效果，增大等晕角大小。为此提出了一种可以高效增加系统中位移冲程的变形镜配置方式。

本发明所采用的技术方案是：在MCAO系统的同一分层中，使用两个或多个变形镜，并且使他们的位置共轭匹配，使入射光在变形镜之间多次反射，再沿入射方向反射回去，最后通过分光镜到达波前传感器及下一层级的变形镜，从而实现在一层中对于同一个畸变波前进行多次校正，效果等同于增大了变形镜的位移冲程，增加了校正效果。在这个方案中，非常重要的一点是各个变形镜的位置必须是相互共轭的，而使用透镜的目的，是为了使反射回变形镜的波前与之前入射到它上面的波前是同一大小及相位的。

本发明的优点在于：

1.本发明就单一层来说，以使用两个变形镜为例，本发明中，通过同一个波前控制器控制两个变形镜，达到了一个3倍的有效位移冲程，校正效果非常高效；

2.本发明没有增加MCAO系统的湍流分层，并且，在同一层中，虽然使用了多个变形镜，但仍然受同一个波前控制器控制，对于系统的控制难度及复杂度都没有增加；

3.本发明所采用的配置方式，使用的变形镜是现有的器件，对于变形镜的工艺没有额外的要求，另外采用的透镜及分光镜也是价格低廉的器件，没有对于系统增加过多的成本；

4.本方法配置方式简单易行，可以通过增加更多变形镜，重复这种配置的方式，再将位移冲程进行更高倍数的放大。

附图说明

图1是MCAO系统的一个分层中光入射的光路图。

图2是MCAO系统的一个分层中光放射的光路图。

图3是一个变形镜的结构示意图，可以是MEMS等技术制造的变形镜。

图4是现有的MCAO系统的结构示意图，以两层为例。

图5是本发明所采用的MCAO系统的结构示意图，以两层为例。

图中：1-变形镜1、2-变形镜2、3-分光镜1、4-变形镜3、5-变形镜4、6-分光镜2、7-分光镜3、8-分光镜4、9-反射镜、10-波前1、11-波前2、12-波前3、13-波前4、14-波前5、15-波前传感器1、16-波前传感器2、17-波前控制器1、18-波前控制器2

具体实施方式

图1所表示的是MCAO系统的一个分层中入射光的光路，首先，入射光经过分光镜1(图1中3)到达变形镜1(图1中1)，假设变形镜中的驱动器1产生校正驱动(图3)，产生波前1(图1中10)，经过2个透镜后，会使波前的YZ平面上位移坐标产生颠倒(图1中11)，但是X轴向上的位移大小不变，最后到达变形镜2(图1中)。

图2所表示的是MCAO系统的一个分层中出射光的光路，由于波前2的Y，Z轴位移相对波前1有颠倒，所以到达变形镜2(图2中2)时，是变形镜的驱动器16产生驱动(图3)，产生了波前3(图2中12)，由于变形镜2的反射及校正，波前3是X轴位移冲程反向，并且加倍，有了2倍的位移冲程。同样，再次进过2个透镜，YZ平面上位移坐标再次反转，产生了波前4(图2中13)。最后，经过变形镜1(图2中1)的反射校正，由于波前4与波前1在位移冲程上位于坐标轴同一个位置，所以仍然是变形镜1的驱动器1进行校正驱动，产生了波前14，这束反射光最终经过了分光镜1(图2中3)，到达波前传感器1(图2中15)，波前传感器将光畸变信息传递给波前控制器1(图2中17)，最终有一个控制信号分别传递给变形镜1和变形镜2。

首先，如图2所示，在校正效果上，最终产生的波前5(图2中14)与入射光相比较，是经了2个变形镜3次的校正，很好的产生了3倍的位移冲程。如果一个变形镜的最大位移冲程是a，那么在这套MCAO系统的一层中，将产生最大为3a的位移冲程。

其次，在系统控制方面，波前控制器同时控制变形镜1和2，使两个变形镜的位移冲程的大小相同，只有位置有反转。假设通过波前传感器感知需要给出b的变形校正，那么控制器只需要控制两个变形镜同时给出b/3的位移冲程，就达到了整体对于波前给出b的校正量。并且控制器控制位移冲程变化的范围缩短，相应地控制器只需要考虑在变化精度上的提高，从而对整个变形镜的调节精度产生质的飞跃。

图5所表示的是本发明所最终采用的MCAO系统的结构示意图，以两层为例。也可以看出，与图4，现有的MCAO系统相比，有着相同的波前传感器和波前控制器，在系统控制方面没有复杂化，降低了控制的难度并省去了额外的控制成本，但是校正效果会有显著提升。

Claims (4)

1.一种可以有效增加MCAO系统中变形镜有效位移冲程的变形镜匹配方式，包括变形镜，透镜，分光镜，反光镜，波前传感器和波前控制器，MCAO系统是多层结构，但是在同一层级中，采用多个变形镜共轭匹配连接构成，光路在变形镜中反射后沿入射方向出射，通过分光镜滤出，进入同层的波前传感器及下一层的变形镜。

2.如权利要求书1所述，在该系统分层的一个层级中，每两个变形镜间是通过2个透镜连接，来形成共轭匹配关系，入射光在变形镜中反射，然后沿入射方向反射同去，并且再次经过分光镜后进入波前传感器，其中使用透镜的目的，是为了反射回变形镜的波前与之前入射到它上面的波前是同一大小及方向的。

3.如权利要求书1所述，在该系统分层的一个层级中，可以通过增加变形镜数量，形成更多变形镜的匹配方式，但仍然是通过同一个波前传感器和波前控制器来进行控制。

4.如权利要求书2所述的变形镜与透镜的组合方式，也可以将透镜完全用凹面镜代替，同样要求每两个变形镜是通过2个凹面镜连接后，形成共轭匹配关系，那么就形成变形镜与凹面镜的反射组合方式。