CN113271144A - 基于双液晶空间光调制器的波前校正光学系统及校正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双液晶空间光调制器的波前校正光学系统及校正方法，包括依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、偏振分光镜、波前校正器，第四透镜靠近第三透镜的一侧设置有反射镜，反射镜的下方依次设置有第五透镜、第六透镜、CCD相机，CCD相机连接有计算机，计算机连接有第一液晶空间光调制器、第二液晶空间光调制器。本发明解决了现有无线激光通信中因为大气湍流造成的波前畸变问题。

Description

基于双液晶空间光调制器的波前校正光学系统及校正方法
技术领域
本发明属于无线激光通信技术领域，具体涉及一种基于双液晶空间光调制器的波前校正光学系统，还涉及一种基于双液晶空间光调制器的波前校正方法。
背景技术
在以大气为介质的光学成像系统和大气激光通信传输系统中，由于大气湍流在空间上无规则扰动，被探测的光波场在大气传输时，光波场波面由于大气湍流效应的影响，造成光斑形变和扩展，以及光学波前的畸变，这些引入的波前像差极大地降低了系统的成像质量或光束质量。因此必须对系统中的大气湍流效应进行校正和补偿。从而解决大气湍流扰动引起的成像问题，提高通信光束质量。
大气湍流对地面天文观测等的影响是显而易见的，解决这种情况的方法是使用一套复杂的技术，称为自适应光学(AO)。动态像差本质上是随机的，它需要一种更通用的方法，例如包括一个自适应反馈环，测量波前相位畸变，并通过波前校正单元应用相应的共轭进行校正。自适应光学系统被广泛应用于大口径望远镜，来克服大气湍流的影响。自适应光学技术可以缓解大气湍流的影响，对畸变波前信息进行实时检测，校正因大气抖动造成光波波前发生畸变，并通过相位补偿来实时校正探测波前的误差，从而改进光学系统性能。改善光束质量解决大气湍流扰动引起的成像问题。自适应光学技术被认为是目前最有效，也是最具有使用前景的补偿方法。
一个典型的自适应光学系统包含了哈特曼-夏克(HS)波前传感器(WFS)，它对波前像差进行实时测量，变形镜(DM)或空间光调制器(SLM)作为计算机控制的可重构单元来检测和纠正像差。其中的核心部分是波前校正器。随着光电技术的不断发展，对波前校正和补偿器件的要求也越来越高，目前波前校正的器件众多，然而它们的实际实施受到了传统自适应光学系统的高成本、高功耗和尺寸的极大限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于双液晶空间光调制器的波前校正光学系统，解决了现有无线激光通信中因为大气湍流造成的波前畸变问题。
本发明的另一目的是提供一种基于双液晶空间光调制器的波前校正方法。
本发明所采用的技术方案是，一种基于双液晶空间光调制器的波前校正光学系统，包括依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、偏振分光镜、波前校正器，第四透镜靠近第三透镜的一侧设置有反射镜，反射镜的下方依次设置有第五透镜、第六透镜、CCD相机，CCD相机连接有计算机，计算机连接有第一液晶空间光调制器、第二液晶空间光调制器。
本发明的特征还在于，
波前校正器包括第一液晶空间光调制器和第二液晶空间光调制器，第一液晶空间光调制器设置于偏振分光镜远离第四透镜的一侧，所述第二液晶空间光调制器设置于偏振分光镜的下方。
第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜均采用凸透镜。
第一透镜和第二透镜的焦点重合。
本发明所采用的另一技术方案是，一种基于双液晶空间光调制器的波前校正方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：接收端将接受到的信号光经过第一透镜和第二透镜进行扩束准直后变为平行光；
步骤2：平行光经过第三透镜进行扩束后倾斜入射到第四透镜上，出射光经偏振分光镜被分为两束偏振方向互相垂直的偏振光，并由第一液晶空间光调制器、第二液晶空间光调制器进行校正；
步骤3：经第一液晶空间光调制器、第二液晶空间光调制器校正后的两路光，经偏振分光镜合束到反射镜上，再经过第五透镜准直后变为平行光，平行光经过第六透镜汇聚到CCD相机进行成像；
步骤4：CCD相机成像后输送到计算机，计算机根据G-S算法进行相位恢复计算得到畸变波前的相位，进而通过MATLAB编程得到共轭相位灰度图，计算机将共轭相位灰度图加载到第一液晶空间光调制器、第二液晶空间光调制器上对畸变相位进行校正补偿；
步骤5：重复步骤3-4进行闭环控制，直到图像清晰。
本发明的有益效果是，
(1)本发明一种基于双液晶空间光调制器的波前校正光学系统，无波前传感器的自适应光学波前校正系统，与常规的自适应光学系统相比，无波前传感器的自适应光学系统由于不需要利用波前探测器来进行测量和需要进行重构波前信息，结构简单，系统成本降低且提高了响应速度，同时也不会因为波前传感器本身的测量精度问题对波前重构造成影响；
(2)本发明一种基于双液晶空间光调制器的波前校正光学系统，采用闭环控制，能够探测校后残差，实现波面的逐级校正且对波前校正器每次的校正精度要求较低；
(3)本发明一种基于双液晶空间光调制器的波前校正方法，能够实现无线激光通信中的畸变波前校正。
附图说明
图1是本发明一种基于双液晶空间光调制器的波前校正光学系统的结构示意图；
图2是本发明一种基于双液晶空间光调制器的波前校正光学系统的应用原理图。
图中，1.第一透镜，2.第二透镜，3.第三透镜，4.第四透镜，5.第五透镜，6.第六透镜，7.偏振分光镜，8.第一液晶空间光调制器，9.第二液晶空间光调制器，10.反射镜，11.CCD相机，12.计算机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种基于双液晶空间光调制器的波前校正光学系统，如图1所示，包括依次排列的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、偏振分光镜7、波前校正器，波前校正器包括第一液晶空间光调制器8和第二液晶空间光调制器9，第一液晶空间光调制器8设置于偏振分光镜7远离第四透镜4的一侧，第二液晶空间光调制器9设置于偏振分光镜7的下方，第四透镜4靠近第三透镜3的一侧设置有反射镜10，反射镜10的下方依次设置有第五透镜5、第六透镜6、CCD相机11，CCD相机11连接有计算机12，计算机12连接有第一液晶空间光调制器8、第二液晶空间光调制器9，计算机12用于实时处理波前畸变信号，计算波前误差。
反射镜10的放置位置需满足不影响光的入射角度。
第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6均采用凸透镜，第一透镜1和第二透镜2的焦点重合，第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6的设置位置按照图1中的位置设置，满足光路入射角度即可。
本发明一种基于双液晶空间光调制器的波前校正方法，如图2所示，本发明中第一液晶空间光调制器8和第二液晶空间光调制器9为波前校正器，具体按照以下步骤实施：
步骤1：接收端将接受到的信号光经过第一透镜1和第二透镜2进行扩束准直后变为平行光；
步骤2：平行光经过第三透镜3进行扩束后倾斜入射到第四透镜4上，出射光经偏振分光镜7被分为两束偏振方向互相垂直的偏振光，并由第一液晶空间光调制器8、第二液晶空间光调制器9进行校正；
步骤3：经第一液晶空间光调制器8、第二液晶空间光调制器9校正后的两路光，经偏振分光镜7合束到反射镜10上，再经过第五透镜5准直后变为平行光，平行光经过第六透镜6汇聚到CCD相机进行成像；
步骤4：CCD相机成像后输送到计算机12，计算机12根据G-S算法进行相位恢复计算得到畸变波前的相位，进而通过MATLAB编程得到共轭相位灰度图，计算机12将共轭相位灰度图加载到第一液晶空间光调制器8、第二液晶空间光调制器9上对畸变相位进行校正补偿；
步骤5：重复步骤3-4进行闭环控制，直到图像清晰。

Claims (5)

1.一种基于双液晶空间光调制器的波前校正光学系统，其特征在于，包括依次排列的第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、偏振分光镜(7)、波前校正器，所述第四透镜(4)靠近第三透镜(3)的一侧设置有反射镜(10)，所述反射镜(10)的下方依次设置有第五透镜(5)、第六透镜(6)、CCD相机(11)，所述CCD相机(11)连接有计算机(12)，所述计算机(12)连接有第一液晶空间光调制器(8)、第二液晶空间光调制器(9)。
2.根据权利要求1所述的一种基于双液晶空间光调制器的波前校正光学系统，其特征在于，所述波前校正器包括第一液晶空间光调制器(8)和第二液晶空间光调制器(9)，所述第一液晶空间光调制器(8)设置于偏振分光镜(7)远离第四透镜(4)的一侧，所述第二液晶空间光调制器(9)设置于偏振分光镜(7)的下方。
3.根据权利要求1所述的一种基于双液晶空间光调制器的波前校正光学系统，其特征在于，所述第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、第五透镜(5)、第六透镜(6)均采用凸透镜。
4.根据权利要求1所述的一种基于双液晶空间光调制器的波前校正光学系统，其特征在于，所述第一透镜(1)和第二透镜(2)的焦点重合。
5.一种基于双液晶空间光调制器的波前校正方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的一种基于双液晶空间光调制器的波前校正光学系统，具体按照以下步骤实施：
步骤1：接收端将接受到的信号光经过第一透镜(1)和第二透镜(2)进行扩束准直后变为平行光；
步骤2：平行光经过第三透镜(3)进行扩束后倾斜入射到第四透镜(4)上，出射光经偏振分光镜(7)被分为两束偏振方向互相垂直的偏振光，并由第一液晶空间光调制器(8)、第二液晶空间光调制器(9)进行校正；
步骤3：经第一液晶空间光调制器(8)、第二液晶空间光调制器(9)校正后的两路光，经偏振分光镜(7)合束到反射镜(10)上，再经过第五透镜(5)准直后变为平行光，平行光经过第六透镜(6)汇聚到CCD相机进行成像；
步骤4：CCD相机成像后输送到计算机(12)，计算机(12)根据G-S算法进行相位恢复计算得到畸变波前的相位，进而通过MATLAB编程得到共轭相位灰度图，计算机(12)将共轭相位灰度图加载到第一液晶空间光调制器(8)、第二液晶空间光调制器(9)上对畸变相位进行校正补偿；
步骤5：重复步骤3-4进行闭环控制，直到图像清晰。
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