CN105785609B - 基于透射式液晶空间光调制器波前校正的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

基于透射式液晶光调制器调整波前的方法及装置，解决现有技术对大口径望远镜等光学元件波前的校正困难的问题，ZYGO干涉仪、偏振片、透射式液晶空间光调制器、反射镜同轴依次排列，ZYGO干涉仪分别与控制器和数据显示单元连接；ZYGO干涉仪、透镜、反射镜同轴依次排列，ZYGO干涉仪分别与控制器和数据显示单元连接；孔径光阑、滤光片、偏振片、透射式液晶空间光调制器、透镜和CMOS传感器同轴依次排列；CMOS传感器与PC相连用于接收图片信息；透射式液晶空间光调制器与驱动电路相连，用于供电且传输信息，驱动电路与PC相连，用于将测得透射式液晶空间光调制器相位与灰度关系图呈现于透射式液晶空间光调制器上。

Description

基于透射式液晶空间光调制器波前校正的方法及装置
技术领域
本发明涉及液晶空间光调制器波前的校正装置及方法，属于光学探测技术领域。
背景技术
传统的自适应光学可以通过采用波前探测器探测波前的畸变(如：利用哈特曼传感器)，在计算机中根据传感器所给信息跟完整波前进行对比，从而进行波前的畸变的校正，得到理想的成像系统。这种技术在航空航天、大飞机、人眼检测、医疗和生命工程等领域得到了广泛的应用。
近年来，由于液晶显示技术和相关技术的发展以及丰富的液晶材料，利用液晶空间光调制器代替变形镜在国外已受到日益关注。液晶空间光调制器可在电或光信号的驱动控制下改变液晶的旋转角度，从而改变光的方向，达到了对空间光的相位、振幅、偏振态乃至波长的改变。
空间光调制器分为透射式液晶空间光调制器和反射式液晶空间光调制器两种。透射式液晶空间光调制器的液晶是独立的，所呈图像是不连续的。而反射式液晶空间光调制器的液晶是连贯的，所呈图像是连续的。
中国专利公开号为：CN101546037，发明名称为“一种基于空间光调制器的无模型波前畸变校正系统”，该技术是应用反射式液晶空间光调制器进行空间光调制，其对于某些大口径望远镜等光学元件波前的校正十分困难。
发明内容
本发明为了解决现有技术对大口径望远镜等光学元件波前的校正困难的问题，使波前的调整变得易于操作，得到一个清晰完整的高质量的光学图像，并且能够降低成本却提高波前校正的精度，提出了一种基于透射式液晶光调制器调整波前的方法及装置。
解决上述技术问题的技术方案是：
基于透射式液晶空间光调制器波前校正的装置，该装置是由偏振片、透射式液晶空间光调制器、反射镜、孔径光阑、滤光片、透镜、CMOS传感器、ZYGO干涉仪、控制器、数据显示单元、驱动电路和PC组成；
所述ZYGO干涉仪、偏振片、透射式液晶空间光调制器、反射镜同轴依次排列，ZYGO干涉仪分别与控制器和数据显示单元连接；用于测得透射式液晶空间光调制器相位与灰度关系图；
所述ZYGO干涉仪、透镜、反射镜同轴依次排列，ZYGO干涉仪分别与控制器和数据显示单元连接；用于测试透镜波前；
所述孔径光阑、滤光片、偏振片、透射式液晶空间光调制器、透镜和CMOS传感器同轴依次排列；CMOS传感器与PC相连用于接收图片信息；透射式液晶空间光调制器与驱动电路相连用于给透射式液晶空间光调制器供电，且驱动电路与PC相连，用于将测得透射式液晶空间光调制器相位与灰度关系图呈现于透射式液晶空间光调制器上。
所述透射式液晶空间光调制器和透镜位置可互换，透射式液晶空间光调制器用于对透镜进行位相补偿。
基于透射式液晶空间光调制器波前校正的方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
步骤一，将液晶空间光调制器放入ZYGO干涉仪和反射镜之间，并且在ZYGO干涉仪和液晶空间光调制器之间加入偏振片，调节液晶空间光调制器在ZYGO干涉仪和反射镜之间的位置，当控制器显示3-5条稳定、清晰的干涉条纹时，记录数据显示单元显示的信息；数据显示单元显示的数据有泽尼克多项式的系数；将灰度值255分成52等分，把从0开始每增加5个灰度值的灰度图加载到透射式液晶空间光调制器并用ZYGO干涉仪进行一次测量，最终测得透射式液晶空间光调制器相位与灰度关系图；
步骤二，将透镜放入ZYGO干涉仪和反射镜之间，调节透镜在ZYGO干涉仪和反射镜之间的位置，当控制器显示3-5条稳定、清晰的干涉条纹时，记录数据显示单元的数据；数据显示单元显示的数据有泽尼克多项式的系数和透镜的波前图；
步骤三，把步骤二中获得的泽尼克多项式的系数正取负、负取正，将共轭变换后的泽尼克多项式系数输入Mablab内置的泽尼克函数便可绘图得到8位灰度图；
步骤四，将步骤三中得到的8位灰度图显示到PC上；
步骤五，将孔径光阑、滤光片、偏振片、透射式液晶空间光调制器、透镜和CMOS传感器同轴依次排列，CMOS传感器与PC相连，用于接收图像传输到PC中，透射式液晶空间光调制器与驱动电路相连，用于给透射式液晶空间光调制器供电且传输信息，驱动电路与PC相连；然后将步骤三中得到的8位灰度图输入于透射式液晶空间光调制器上，可完成透射式液晶空间光调制器波前校正的操作。
本发明的有益效果是：与现有的反射式液晶空间光调制器相比，透射式液晶空间光调制器具有成本低廉，光路简单等特点。对于液晶不连贯所导致图片不连续的效果可通过图像处理的方法来解决，这样大大降低了使用液晶空间光调制器校正波前的成本，使得在实际工程中有了广泛的市场空间。
本发明利用ZYGO干涉仪做波前测试，对待校正的波前进行泽尼克多项式描述，再根据透射式液晶空间光调制器的相位与灰度关系，产生相应的灰度图，获得畸变波前的共轭波前，从而完成畸变波前的静态校正。并且可以使PV、RMS和Strehl比值等相关参数得到明显改善。
这种基于透射式液晶空间光调制器调制波前可以使波前校正的效率大大提高，相对于反射式液晶空间光调制器而言成本大大下降，并且具有体积小、便于二次开发、精度高、便于控制、误差小等优点。本发明会在未来大型的光学系统设计中应用广泛，是当今光学系统中的热门元件。
附图说明
图1是本发明所述透视式液晶空间光调制器的相位与灰度关系测试实验装置图。
图2是本发明所述用ZYGO干涉仪测试透镜波前的实验装置图。
图3是本发明基于透射式液晶空间光调制器波前校正的装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
基于透射式液晶空间光调制器波前校正的装置，该装置是由偏振片1、透射式液晶空间光调制器2、反射镜3、孔径光阑4、滤光片5、透镜6、CMOS传感器7、ZYGO干涉仪9、控制器10、数据显示单元11、驱动电路12和PC 8组成。
如图1所示，ZYGO干涉仪9、偏振片1、透射式液晶空间光调制器2、反射镜3同轴依次排列；ZYGO干涉仪9发出的光经过偏振片1、透射式液晶空间光调制器2和反射镜3，光被反射镜3反射后再经透射式液晶空间光调制器2和偏振片1后入射到ZYGO干涉仪9，在ZYGO干涉仪9上形成干涉条纹。
所述ZYGO干涉仪9分别与控制器10和数据显示单元11连接。控制器10接收ZYGO干涉仪9传来的干涉条纹信息，若光强过亮或过暗时，控制器10调整内部参数，控制ZYGO干涉仪9，使ZYGO干涉仪9得到一个合适的光强，从而得到稳定的干涉条纹。数据显示单元11用于显示ZYGO干涉仪9的干涉条纹信息。
将灰度值255分成52等分，把从0开始每增加5个灰度值的灰度图加载到透射式液晶空间光调制器2并用ZYGO干涉仪9进行一次测量，可以测得透射式液晶空间光调制器2相位与灰度关系图。
如图2所示，ZYGO干涉仪9、透镜6、反射镜3同轴依次排列；ZYGO干涉仪9发出的光经过透镜6和反射镜3，光被反射镜3反射后再经透镜6后入射到ZYGO干涉仪9，在干涉仪上形成干涉条纹。所述ZYGO干涉仪9分别与控制器10和数据显示单元11连接。即可获得透镜的波前。
如图3所示，孔径光阑4、滤光片5、偏振片1、透射式液晶空间光调制器2、透镜6和CMOS传感器7同轴依次排列；CMOS传感器7与PC 8相连；透射式液晶空间光调制器2与驱动电路12相连，用于给透射式液晶空间光调制器2供电且传输信息，驱动电路12与PC 8相连。其中，透射式液晶空间光调制器2用于对透镜6进行位相补偿。入射光经过孔径光阑4和滤光片5，经过滤光片5后获得某一波段的光，再经过偏振片1后获得偏振光，偏振光经过透射式液晶空间光调制器2和透镜6后，使光束变成球面波，被CMOS传感器7接收后成像。CMOS传感器7将所得像传输给PC8，PC8通过驱动电路将所得像的信息传输给透射式液晶空间光调制器2。
基于透射式液晶空间光调制器波前校正的方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
步骤1，通过图1透视式液晶空间光调制器相位与灰度关系测试实验装置，通过ZYGO干涉仪9、控制器10和数据显示单元11的操作采集到相位调制与灰度的数据，将数据输入到Matlab中，通过调用Matlab中的泽尼克函数便可绘图得到8位灰度图，为液晶的校正波前应用作为基础。
具体的操作是：将液晶空间光调制器2放入ZYGO干涉仪9和反射镜3之间，并且在ZYGO干涉仪9和液晶空间光调制器2之间加入偏振片1，调节液晶空间光调制器2在ZYGO干涉仪9和反射镜3之间的位置，当控制器10显示3-5条稳定、清晰的干涉条纹时，记录数据显示单元11显示的信息；数据显示单元11显示的数据有泽尼克多项式的系数；将灰度值255分成52等分，把从0开始每增加5个灰度值的灰度图加载到透射式液晶空间光调制器2并用ZYGO干涉仪9进行一次测量，多次改变ZYGO干涉仪9中入射光的方向，再通过调用Matlab中的泽尼克函数便可绘图得到透射式液晶空间光调制器2相位与灰度关系图8位灰度图。
步骤2，如图2用ZYGO干涉仪测试透镜波前的实验装置图，将透镜6放入ZYGO干涉仪9和反射镜3之间，便可由ZYGO干涉仪9可以得到透镜6的波前图以及泽尼克多项式的系数。具体的操作是：将透镜6放入ZYGO干涉仪9和反射镜3之间，调节透镜6在ZYGO干涉仪9和反射镜3之间的位置，当控制器10显示3-5条稳定、清晰的干涉条纹时，记录数据显示单元11的数据；数据显示单元11显示的数据有泽尼克多项式的系数和透镜的波前图。
步骤3，将步骤2中所得的泽尼克多项式的系数共轭取反，绘制8位灰度图。具体的操作是：把极坐标形式的泽尼克多项式的系数正取负、负取正。将共轭变换后的泽尼克多项式系数输入Mablab内置的泽尼克函数便可绘图得到8位灰度图。
步骤4，将将步骤3中得到的8位灰度图显示到PC 8上。
步骤5，按照图3将孔径光阑4、滤光片5、偏振片1、透射式液晶空间光调制器2、透镜6和CMOS传感器7同轴依次排列，CMOS传感器7与PC 8相连，用于接收图像传输到PC 8中，透射式液晶空间光调制器2与驱动电路12相连，用于给透射式液晶空间光调制器2供电且传输信息，驱动电路12与PC 8相连；将步骤3中得到的8位灰度图呈现于透射式液晶空间光调制器2上，可完成透射式液晶空间光调制器波前校正的操作。

Claims (1)

1.基于透射式液晶空间光调制器波前校正的方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
步骤一，将液晶空间光调制器(2)放入ZYGO干涉仪(9)和反射镜(3)之间，并且在ZYGO干涉仪(9)和液晶空间光调制器(2)之间加入偏振片(1)，调节液晶空间光调制器(2)在ZYGO干涉仪(9)和反射镜(3)之间的位置，当控制器(10)显示3-5条稳定、清晰的干涉条纹时，记录数据显示单元(11)显示的信息；数据显示单元(11)显示的数据有泽尼克多项式的系数；将灰度值255分成52等分，把从0开始每增加5个灰度值的灰度图加载到透射式液晶空间光调制器(2)并用ZYGO干涉仪(9)进行一次测量，最终测得透射式液晶空间光调制器(2)相位与灰度关系图；
步骤二，将透镜(6)放入ZYGO干涉仪(9)和反射镜(3)之间，调节透镜(6)在ZYGO干涉仪(9)和反射镜(3)之间的位置，当控制器(10)显示3-5条稳定、清晰的干涉条纹时，记录数据显示单元(11)的数据；数据显示单元(11)显示的数据有泽尼克多项式的系数和透镜的波前图；
步骤三，把步骤二中获得的泽尼克多项式的系数正取负、负取正，将共轭变换后的泽尼克多项式系数输入Mablab内置的泽尼克函数便可绘图得到8位灰度图；
步骤四，将步骤三中得到的8位灰度图显示到PC(8)上；
步骤五，将孔径光阑(4)、滤光片(5)、偏振片(1)、透射式液晶空间光调制器(2)、透镜(6)和CMOS传感器(7)同轴依次排列，CMOS传感器(7)与PC(8)相连，CMOS传感器(7)用于接收图像传输到PC(8)中，透射式液晶空间光调制器(2)与驱动电路(12)相连，驱动电路(12)用于给透射式液晶空间光调制器(2)供电且传输信息，驱动电路(12)与PC(8)相连；然后将步骤三中得到的8位灰度图输入于透射式液晶空间光调制器(2)上，可完成透射式液晶空间光调制器波前校正的操作。
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