CN113311579A - 基于变形镜本征模式的液晶变形镜自适应光学系统波前解耦方法 - Google Patents

基于变形镜本征模式的液晶变形镜自适应光学系统波前解耦方法 Download PDF

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CN113311579A CN202110699749.XA CN202110699749A CN113311579A CN 113311579 A CN113311579 A CN 113311579A CN 202110699749 A CN202110699749 A CN 202110699749A CN 113311579 A CN113311579 A CN 113311579A
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金成滨
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穆全全
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Abstract

基于变形镜本征模式的液晶变形镜自适应光学系统波前解耦方法涉及光学波前分解与解耦控制领域，以Strehl Ratio为标准对像差进行分解，并推导出液晶响应矩阵在变形镜本征模式矩阵中的投影。在驱动液晶校正器前将耦合项剔除实现两种校正器的解耦，并通过仿真验证了解耦效果。搭建了2米望远镜液晶‑变形镜自适应光学系统，仿真和实验结果表明：本征模式解耦后校正残差的均方根(RMS)为0.09μm；不解耦校正残差的RMS为0.05μm，解耦校正后残差约为0.03μm，提高约40％；解耦校正后700‑1700nm宽波段的分辨率由1.1倍衍射极限提高至1倍衍射极限，优于传统Zernike模式的1.2倍衍射极限。

Description

基于变形镜本征模式的液晶变形镜自适应光学系统波前解耦 方法
技术领域
本发明涉及光学波前分解与解耦控制，具体涉及一种基于变形镜本征模式的液晶变形镜自适应光学系统波前解耦方法。
背景技术
自适应光学(Adaptive Optics,AO)是解决大气湍流干扰、恢复地基大口径望远镜衍射极限分辨率不可或缺的技术,并广泛应用于激光整形，眼底成像等像差校正领域。目前，大口径望远镜的AO系统大多工作于红外波段，还不能实现在星体辐射强度较高的可见光波段的高分辨率成像。变形镜(Deformable Mirror,DM)是传统AO系统的核心校正器，其驱动单元数正比于(D/r0)2，D为望远镜口径，因此，可见光波段成像要求DM驱动的密度更高。然而，DM受限于机械制作工艺，其驱动单元数很难超过200，一旦超过则成本和加工难度将剧增，且空间密度的增加使幅度减少，使2米以上大口径望远镜无法工作于可见波段。为了同时补偿低阶大幅度和高阶小幅度像差，研究者提出高-低阶双DM的AO系统，一个用于校正大幅度低空间频率像差，另一个用于校正小幅度高空间频率像差。
液晶波前校正器(Liquid Crystal,LC)具有高驱动单元数和大驱动量的优势，且成本低廉，可以弥补DM的不足。但由于LC在红外长段响应速度慢、波段扩宽色散严重，导致其工作较窄，一般在700nm-950nm波段。2016年长春光机所研究人员提出利用DM和LC组合作为波前校正器件，充分利用二者的优点，避免他们的缺点，利用DM无色散的特点校正红外波段中和可见波段中的低阶大幅度像差，LC校正可见波段中的高阶小幅度像差，以此来满足对宽波段像差校正的需求。无论是双DM系统还是LC-DM系统，待校正像差都是由一个波前探测器测量，需要研究像差的分配和解耦方法，避免各校正器产生相反的像差造成校正量损失，甚至工作不稳定。为了使多校正器协同工作，国内外学者提出了许多解耦控制方法，包括两步法，Zernike限定项方法，控制信号重置方法，傅里叶模式方法，拉格朗日阻尼最小二乘方法，小波模式解耦方法等，根据文献的结果，只有两步法，Zernike限定项方法和控制信号重置方法可以有效抑制耦合像差，其他方法由于计算量大，计算误差的累计等原因，无法使系统长时间稳定工作。两步法不适用于动态校正，Zernike限定项和控制信号重置方法在双DM系统中通过闭环修正，可以获得良好的效果，但对于LC-DM系统而言，LC为了提高能量利用率只能工作于开环模式，残差无法被测量，不能延用双DM的解耦方法。在前期工作中，采用Zernike模式法进行了波前分解校正，证明力LC-DM系统的可行性，但DM的拟合精度会随着Zernike模式数增加而下降，校正器间耦合严重，校正效果有待提高。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于变形镜本征模式的液晶变形镜自适应光学系统波前解耦方法。有效实现双校正器解耦，并与传统Zernike模式分解方法对比，校正精度明显提高。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种基于变形镜本征模式的液晶变形镜自适应光学系统波前解耦方法，该方法包括：
步骤一：根据变形镜的响应矩阵推导了变形镜的本征模式矩阵；
步骤二：通过所述本征模式矩阵对应的驱动电压矩阵对采集的波前像差进行校正；
步骤三：以斯特列尔比为标准，在所述变形镜的本征模式下对校正过的波前像差进行分解，确定液晶和变形镜分别校正的模式数，并推导出液晶响应矩阵在所述变形镜本征模式矩阵中变形镜校正器和液晶校正器像差的耦合项；
步骤四：在驱动液晶校正器前将分解出的所述耦合项剔除，实现变形镜校正器和液晶校正器的解耦；通过仿真验证了解耦效果，实现了基于变形镜本征模式的液晶变形镜自适应光学系统波前解耦方法。
优选的，所述步骤三中液晶和变形镜分辨校正的模式数的分配方案为：以斯特列尔比>0.8为标准，斯特列尔比与波前残差σ的关系：
SR＝e- (kσ)2
σ＝0.075λ
K代表波数，K＝2π/λ，r0代表大气相干长度，其含义是波前残差均方根为1rad时对应的大气湍流直径，通过波前残差σ的大小确定液晶和变形镜分别校正的模式数。
优选的，所述步骤四中的通过对液晶驱动信号进行重置，实现了耦合项的剔除。本发明的有益效果是：本文提出了一种基于变形镜本征模式的液晶-变形镜自适应光学系统波前解耦控制方法，利用DM的响应矩阵构建了其本征模式，避免了DM对Zernike模式的拟合误差，采用本征模式对像差进行分解，提高了DM在红外波段的校正精度；由于可见波段的像差是由DM和LC共同工作实现校正的，为确保两校正器在同时工作时不产生耦合像差，对两校正器间产生像差耦合原因进行了分析，推导了LC的响应矩阵在本征模式响应矩阵中的投影，提出对LC的控制信号重置的方法完成校正器间的像差解耦，从而实现可见波段的高精度校正。
附图说明
图1本发明变形镜拟合前54项Zernike模式。
图2本发明145单元变形镜的前27项本征模式面型图。
图3本发明本征模式校正前后波前像差仿真结果(上)校正前和(下)校正后。
图4本发明50幅畸变波前解耦校正前后波前RMS之差曲线。
图5本发明变形镜-液晶校正器级联自适应系统结构示意图。
图6哈特曼波前探测器探测到的波前图：(a)原始波前；(b)变形镜校正后残余波前。
图7红外波段分辨率板成像：(a)1.5-1.7μm波段；(b)950-1500nm波段。
图8可见相机对700-950nm波段分辨率板成像情况：(a)未校正原始成像；(b)变形镜校正后液晶校正器校正前成像；(c)变形镜和液晶校正器不解耦校正后成像；(d)变形镜和液晶校正器解耦校正后成像。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
一种基于变形镜本征模式的液晶变形镜自适应光学系统波前解耦方法，该方法包括：
步骤一：根据变形镜的响应函数推导了变形镜的本征模式矩阵；
对于大多数双(多)变形镜的自适应光学系统，在进行波前像差分解时大多采用Zernike模式法对畸变波前进行像差的高低阶分解，然后让各变形镜分别产生共轭的Zernike模式，以实现对畸变像差的校正，但是对于变形镜而言，由于其自身参数等因素的限制，并不能对Zernike模式实现完美的拟合，图1为不考虑变形镜驱动器调制量时，对前54项单项Zernike模式的校正残差变化柱状图，其中每项模式所加像RMS值为1μm，可以看出校正残差随模式数目的增大整体上呈升趋势，究其原因，主要是由于随着模式数目的增大，其所代表波前的空间频率更高，波面更加复杂，校正此波前所需要的空间分辨率更大，当变形镜无法满足更高的空间分辨率要求时，校正效果就会变差，因此在利用Zernike模式进行波前分解及校正时，必然会产生拟合误差。变形镜的本征模式是根据变形镜的响应矩阵推导出来的一系列正交基函数，变形镜可以对各项本征模式完美拟合，有效降低变形镜的拟合误差，提高最终的校正精度。响应矩阵是通过哈特曼探测器测量得到，是一个二维矩阵，Ri表示各驱动器的响应函数，代表各驱动器响应面型；其中i代表各驱动器编号，变形镜最终的面型
Figure BDA0003129316610000051
可以用各驱动器响应函数的线性组合表示：
Figure BDA0003129316610000052
其中，n代表驱动器数目，vi代表第i根驱动器所加的电压。驱动器响应函数之间的耦合关系可以用耦合矩阵C表示，其中第i根驱动器和第j根驱动器的耦合值C(i,j)如下计算：
Figure BDA0003129316610000053
其中，D为变形镜通光口径面积。对对称矩阵C进行奇异值分解可得到：
C＝USUT (3)
其中，S为由矩阵C的奇异值组成的对焦矩阵；U为由矩阵C特征向量组成的酉矩阵，满足U-1＝UT。各驱动器响应函数与耦合矩阵特征向量的线性组合构成一种新的二维矩阵即变形镜本征模式：
Figure BDA0003129316610000054
其中，Mi为第i个本征模式，变形镜共n个本征模式，与驱动器数目相同，任意面型都可以用变形镜本征模式的线性组合表示：
Figure BDA0003129316610000061
其中，mi为第i个本征模式系数。图3给出了部分本征模式的面型。
由变形镜本征模式的推导过程可知，变形镜本征模式数与驱动器数相等；变形镜本征模式是相互正交的；模式数越大，空间频率越大。由于本征模式是通过变形镜的响应函数构造获得，反映的是变形镜的固有特性，因此在利用变形镜产生本征模式时是不存在拟合误差的。
步骤二：通过所述本征模式矩阵对应的驱动电压矩阵对采集的波前像差进行校正；
在建立了本征模式后即可进行波前重构，与Zernike模式重构过程类似。式(5)中由于
Figure BDA0003129316610000062
和Mi均为二维矩阵，为方便表示将
Figure BDA0003129316610000063
和Mi按列排开变为一列的向量
Figure BDA0003129316610000064
和
Figure BDA0003129316610000065
同(Matlab数
Figure BDA0003129316610000066
的功能)，则式(5)可表示为：
Figure BDA0003129316610000067
其中，
Figure BDA0003129316610000068
为变形镜本征模式响应矩阵，m＝[m1,m2,…,mn]T为本征模式系数，可以利用最小二乘法求出
Figure BDA0003129316610000069
对应的本征模式系数：
Figure BDA00031293166100000610
变形镜第i个本征模式与变形镜电压信号向量也可以利用最小二乘求解获得：
Figure BDA00031293166100000611
其中，
Figure BDA00031293166100000612
Figure BDA00031293166100000613
为各驱动器响应函数的列向量形式，
Figure BDA00031293166100000614
为第i个本征模式对应的驱动电压向量。结合式(6)(7)(8)，则任意波面
Figure BDA00031293166100000615
用本征模式表示时所对应的电压向量v为：
Figure BDA00031293166100000616
其中，
Figure BDA0003129316610000071
为本征模式响应矩阵M对应的驱动电压矩阵。式(9)中vM和M-1可提前求出。将电压向量v发送给变形镜即可完成波前校正。图4给出了一幅原始波前，其PV为3.66μm，RMS为0.52μm，经本征模式校正后PV和RMS分别降低至0.41μm和0.03μm。图4本征模式校正前后波前像差仿真结果(上)校正前；(下)校正后
步骤三：以斯特列尔比为标准，在所述变形镜的本征模式下对校正过的波前像差进行分解，并推导出液晶响应矩阵在所述变形镜本征模式矩阵中变形镜校正器和液晶校正器像差的耦合项；
对于液晶-变形镜级联自适应系统而言，只需要变形镜对前几项低阶像差进行校正即可满足红外波段成像要求，为使变形镜只校正前N项本征模式，对系数矩阵m进行选择，即：
m′＝IN·m (10)
其中m'为只校正前N项本征模式系数，IN为一nxn的单位矩阵，其前N各对角元素为1，其余为0，即：
Figure BDA0003129316610000072
将公式(10)和(11)带入公式(9)可以计算出只校正前N项本征模式时的控制电压向量v'：
Figure BDA0003129316610000073
求出电压后用电压和变形镜响应矩阵得到变形镜实际产生的面型，用待校正波面减去变形镜实际产生的面型后，残余波面即发送给液晶校正的驱动信号：
Figure BDA0003129316610000081
其中，
Figure BDA0003129316610000082
为发送给液晶校正器的待校正波面，
Figure BDA0003129316610000083
为变形镜产生的面型。由于液晶校正器具有成千上万的像素数，如果对单个像素逐一进行驱动的话，计算过程将会十分复杂并且耗时严重，因此在用液晶校正器采用Zernike模式对其进行整体面型的驱动，液晶校正器的波前校正过程为
Figure BDA0003129316610000084
其中，VLC为液晶校正器的控制信号，T为液晶校正器的响应矩阵。在液晶-变形镜级联自适应系统中，由于变形镜并未采用Zernike模式法进行波前校正，而是采用了本征模式法进行波前分解及重构，且变形镜本征模式间是相互正交的，因此由公式(12)计算得到的变形镜控制电压不会导致模式间的像差耦合，变形镜在对低阶像差进行校正时不会产生额外的像差。而对于液晶校正器来说，在采用Zernike模式法对残余的高阶像差进行二级校正时，计算并发送给液晶校正器的控制信号VLC将会导致模式像差间的耦合，也就是说，由控制信号VLC重构的波前中存在变形镜已经校正过的像差
Figure BDA0003129316610000085
这将会降低最终的校正效果，因此这部分像差必须通过解耦去掉。
步骤四：在驱动液晶校正器前将分解出的所述耦合项剔除，实现变形镜校正器和液晶校正器的解耦；通过仿真验证了解耦效果，实现了基于变形镜本征模式的液晶变形镜自适应光学系统波前解耦方法。
由公式(12)、(13)及(14)可以计算得到补偿此高阶像差时发送给液晶校正器的控制信号VLC，液晶响应的波前可以表示为：
Figure BDA0003129316610000086
由上述分析可知，液晶校正器重构的波前
Figure BDA0003129316610000087
中存在变形镜已经校正过的像差
Figure BDA0003129316610000088
为了避免液晶校正器重复产生这部分耦合像差，首先用变形镜的本征模式M对
Figure BDA0003129316610000091
进行波前重构：
Figure BDA0003129316610000092
其中mLC为液晶校正器重构的波前对应的本征模式系数，由于变形镜已经将前N项本征模式对应的像差进行了校正，因此理论上液晶校正器重构产生的波前中不应该再含有低阶本征模式，因此mLC中前N项系数所对应的像差波前即为需要滤除掉的耦合像差
Figure BDA0003129316610000093
因此
Figure BDA0003129316610000094
可以计算为：
Figure BDA0003129316610000095
由公式(14)和公式(17)可以求得液晶校正器生成此耦合像差时的控制信号VLC-coup，所以经过解耦后发送给液晶校正器的系数矩阵为：
VLC'＝VLC-VLC-coup (18)
此时发送给液晶校正器的控制信号VLC'中已经滤除了耦合像差对应的控制系数，从而实现两校正器间的像差解耦。
4、液晶-变形镜校正模式数选择方法
一般来说，静态光学系统中斯特列尔比达到0.8时就能够实现高对比度的衍射极限分辨率成像。按照这个标准，在各成像波段的中心波长处自适应校正后的斯特列尔比应该达到0.8，利用斯特列尔比与波前残差σ的关系：
Figure BDA0003129316610000096
σ＝0.075λ (19)
K代表波数，K＝2π/λ，r0代表大气相干长度，其含义是波前残差均方根为1rad时对应的大气湍流直径。根据本征模式数与波前残差公式可知，对于口径D＝2米的望远镜，r0＝10cm@λ＝550nm的中等强度湍流，其在λ＝1200nm处的r0＝25.5cm，校正55项本征模式，波前残差为0.073λ。同样的D＝2m，在λ＝950nm处的r0＝19.3cm，变形镜校正74项本征模式才能使该波段达到衍射极限。在液晶-变形镜级联自适应光学系统中，液晶负责校正700-950nm波段，变形镜负责校正700-1700nm波段，只要波前残差小于0.075λ，两个波段均可达到衍射极限分辨率。因此，变形镜只校正前55项本征模式，使红外波段达到衍射极限，令液晶校正器对变形镜校正后的残余波前进行二级校正，经计算，液晶校正器须校正前69项Zernike模式波前残差可达到0.073λ。图5针对口径D＝2米，r0＝10cm@λ＝550nm的中等强度湍流模拟了50幅波前，采用本文提出的波前解耦方案进行仿真，仿真结果显示，变形镜校正55项本征模式后残差约0.09μm，液晶不解耦校正69项Zernike模式残差约为0.05μm，解耦校正后残差约为0.03μm，解耦后校正残差降低约0.02μm。
为了验证本文提出的波前解耦方法，在实验室搭建了一套可满足2米口径望远镜成像要求的液晶-变形镜级联自适应光学系统。系统主要由两大部分构成，分别是自适应校正部分及成像终端。自适应校正部分主要包括变形镜、液晶校正器和哈特曼波前探测器。变形镜的型号为ALPAO公司生产的145单元连续面型变形镜，口径为30mm，驱动器波前调制量约为3μm，驱动器排布方式为正方形排布；液晶校正器由BNS公司制造，像素数为256x256，响应时间为0.75ms，有效口径6.14mm；波前探测器为由FIRST-LIGHT公司制造的S-H波前探测器，相机帧频约为1.67kHz，像素大小为24μm，微透镜数目为20x20，接收口径约为5.8mm。成像终端包括可见相机和红外相机，可见相机为ANDOR公司的生产的ixon ultra 897型号相机，像素大小为16μm，像素数为512×512，其光谱响应范围为400-900nm；红外相机为Xenics公司的Cheetah-640CL短波红外相机，其像素大小为20μm，像素数目为320x256，其光谱响应范围为900-1700nm。
为实现对宽波段的自适应校正，系统中光源选用波段覆盖400-1700nm的氙灯，经准直透镜L1后光束变为通光口径为20mm的平行光，在准直时容易产生色差，因此采用KF51+TF3+KF51的三胶合透镜来实现消色差的目的。光束先后镜变形镜和倾斜镜的反射后，由950nm高通分色片分光，其中950-1700nm波段的光透过分色片并由聚焦透镜L2聚焦进入红外相机进行成像，反射的400-950nm波段经L3和L4进行缩束，然后由700nm高通分色片实现光束的分束，其中700-950nm波段的光透过分色片，400-750nm的光束被反射，经L5和L6组成的4f系统的扩束，再由另一个700nm高通分色片的反射进入哈特曼波前探测器，实现对像差的探测。对于透过第一个700nm高通分色片的700-950nm波段的光，经过透镜L7和L8的扩束后入射到液晶校正器上，经过校正后的波前经过由L8和L9组成的4f系统及两次反射后，由聚焦透镜L10聚焦进入可见相机进行成像。系统中各透镜的参数如表1所示。表1液晶-变形镜级联系统中各透镜参数
透镜 焦距(mm) 通光口径(mm)
L1 200 20
L2 548 20
L3 300 20
L4 -43.5 2.9
L5 100 2.9
L6 200 5.8
L7 150 2.9
L8 300 5.8
L9 300 5.8
L10 272 5.8
表1
系统中变形镜、液晶校正器及哈特曼波前探测器均处于共轭位置，变形镜对全波段的低阶像差进行校正后，红外950-1700nm波段基本可以实现理想成像，由于液晶校正器处于开环工作状态，变形镜校正后的残差将全部交由液晶校正器进行二级校正，此时残差中的低阶成分基本被消除，只剩下700-950nm波段的高阶像差，经过液晶校正器对次波段的高阶像差二级校正后，最终实现对700-1700nm宽波段的自适应校正及成像。
首先开展了本征模式校正实验，已经确定了变形镜校正前55项本征模式，将湍流模拟器置于系统孔径光阑处，此时哈特曼探测到的系统像差如图6(a)所示，此时畸变波前的PV值为4.32μm，RMS为0.71μm，经过变形镜对前55项像差的校正之后，残余像差的波前图变为图6(b)所示，此时其PV降低至1.21μm，RMS降至0.08μm。根据残差与本征模式数关系公式可以计算出理论上变形镜校正55项本征模式后，波前残差RMS大约可以降低到0.47rad，对于950nm波段而言即为0.07μm，因此实际情况与理论结果基本一致。
为了评价经校正后的光束可以达到的分辨率，实验时采用CG-USAF-1951-0标准分辨率板作为观测目标，对其进行了校正前后的成像对比实验。将其置于光源附近的位置，用红外相机对比其校正前后的成像情况。如图7(a)所示为变形镜校正前后红外相机在1.5-1.7μm波段对分辨率板的成像情况。校正前相机内一片模糊，无法清晰的分辨图像细节，经过变形镜对前55项本征模式进行校正后，分辨率板的第五组第五线对可以被分辨，对应的线对频率为50.8线对/毫米，即分辨能力为19.7μm。在此自适应光学系统中，光阑直径为20mm，中心波长1.6μm处的衍射极限为19.5μm，因此，经过校正1.5-1.7μm波段基本达到了衍射极限。图7(b)给出了950-1500nm波段校正前后的成像，经校正后第六组第一线对可以被分辨，对应的线对频率为64线对/mm，即分辨能力为15.6μm，中心波长在1.2μm的衍射极限为14.9μm。因此，950-1500nm波段成像结果也基本达到了衍射极限。
经过变形镜对前55项本征模式的校正，950-1700nm波段基本可以实现衍射极限级别的成像，变形镜校正后的高阶像差交给液晶校正器进行二级校正，实现对700-950nm波段的像差校正，并对校正前后的分辨率板成像情况进行了观测。由于液晶校正器处于开环工作模式，经变形镜和液晶校正器共同校正后的波前无法由哈特曼探测器探测到，因此无法获得校正前后波前的变化情况，只能获得校正前后可见相机中分辨率板的成像情况。
如图8(a)所示为两校正器校正前可见相机对分辨率板的成像情况，由于湍流的存在，分辨率板在可见相机中的像无法分辨细节。经过变形镜对前55项本征模式校正后，可见相机对分辨率板成的像如图8(b)所示，虽然图像有所好转，但远未达到其在可见波段的衍射极限。图8(c)所示为不解耦情况下，液晶校正器对变形镜校正残差补偿后的可见相机对分辨率板成的像，分辨率板第六组第四线对可以被分辨，此处对应的线对频率为90.51线对/mm，即分辨能力为11.04μm。图8(d)所示为解耦情况下的图像，此处对应的线对频率为101.6线对/mm，即分辨能力为9.84μm，由于中心波段800nm处的衍射极限分辨率为9.76μm，因此，经过变形镜和液晶校正器解耦校正后，700-950nm波段成像达到了衍射极限。
从实验结果来看，变形镜校正前55像本征模式，剩余残差由液晶校正器补偿69项Zernike像差，不解耦校正只能分辨第六组第四线，解耦校正后第六组第五线清晰可见，成像效果基本达到了衍射极限，成像效果优于采用Zernike模式分解方法达到的1.2倍衍射极限，说明本文方法可以有效的实现700-1700nm波段的像差校正及高分辨率成像。

Claims (3)

1.基于变形镜本征模式的液晶变形镜自适应光学系统波前解耦方法，该方法包括：
步骤一：根据变形镜的响应矩阵推导了变形镜的本征模式矩阵；
步骤二：通过所述本征模式矩阵对应的驱动电压矩阵对采集的波前像差进行校正；
步骤三：以斯特列尔比为标准，在所述变形镜的本征模式下对校正过的波前像差进行分解，确定液晶和变形镜分别校正的模式数，并推导出液晶响应矩阵在所述变形镜本征模式矩阵中变形镜校正器和液晶校正器像差的耦合项；
步骤四：在驱动液晶校正器前将分解出的所述耦合项剔除，实现变形镜校正器和液晶校正器的解耦；通过仿真验证了解耦效果，实现了基于变形镜本征模式的液晶变形镜自适应光学系统波前解耦方法。
2.根据权利要求1所述的基于变形镜本征模式的液晶变形镜自适应光学系统波前解耦方法，其特征在于，所述步骤三中液晶和变形镜分辨校正的模式数的分配方案为：以斯特列尔比>0.8为标准，斯特列尔比与波前残差σ的关系：
Figure FDA0003129316600000011
σ＝0.075λ
K代表波数，K＝2π/λ，r0代表大气相干长度，其含义是波前残差均方根为1rad时对应的大气湍流直径，通过波前残差σ的大小确定液晶和变形镜分别校正的模式数。
3.根据权利要求1所述的基于变形镜本征模式的液晶变形镜自适应光学系统波前解耦方法，其特征在于，所述步骤四中的通过对液晶驱动信号进行重置，实现了耦合项的剔除。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113360842A (zh) * 2021-06-29 2021-09-07 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 快速全局解耦的液晶变形镜自适应光学系统波前控制算法
CN114881874A (zh) * 2022-04-26 2022-08-09 中国科学院光电技术研究所 基于自适应光学望远镜成像过程的高分辨力图像生成方法
CN117055207A (zh) * 2023-07-21 2023-11-14 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种压电变形镜的耦合力补偿协同控制方法及其装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101211008A (zh) * 2006-12-29 2008-07-02 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 白光液晶自适应光学系统
CN102879110A (zh) * 2012-10-15 2013-01-16 中国科学院光电技术研究所 基于有调制和无调制组合式棱锥波前传感器的自适应光学系统
CN106324828A (zh) * 2016-09-28 2017-01-11 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 液晶‑变形镜的混合式自适应光学系统设计方法
CN106526829A (zh) * 2016-09-28 2017-03-22 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 与2米望远镜匹配的液晶‑变形镜混合式自适应系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101211008A (zh) * 2006-12-29 2008-07-02 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 白光液晶自适应光学系统
CN102879110A (zh) * 2012-10-15 2013-01-16 中国科学院光电技术研究所 基于有调制和无调制组合式棱锥波前传感器的自适应光学系统
CN106324828A (zh) * 2016-09-28 2017-01-11 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 液晶‑变形镜的混合式自适应光学系统设计方法
CN106526829A (zh) * 2016-09-28 2017-03-22 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 与2米望远镜匹配的液晶‑变形镜混合式自适应系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
金成滨: "基于本征模式的变形镜-液晶校正器级联自适应光学系统的研究", 《中国博士学位论文全文数据库-基础科学辑》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113360842A (zh) * 2021-06-29 2021-09-07 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 快速全局解耦的液晶变形镜自适应光学系统波前控制算法
CN114881874A (zh) * 2022-04-26 2022-08-09 中国科学院光电技术研究所 基于自适应光学望远镜成像过程的高分辨力图像生成方法
CN114881874B (zh) * 2022-04-26 2023-03-31 中国科学院光电技术研究所 基于自适应光学望远镜成像过程的高分辨力图像生成方法
CN117055207A (zh) * 2023-07-21 2023-11-14 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种压电变形镜的耦合力补偿协同控制方法及其装置
CN117055207B (zh) * 2023-07-21 2024-08-16 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种压电变形镜的耦合力补偿协同控制方法及其装置

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