CN1664650B - 双波前校正器自适应光学系统 - Google Patents

Abstract

双波前校正器自适应光学系统包括倾斜反射镜、两个波前校正器、波前传感器、分光镜、波前处理机等，两个波前校正器根据系统中实际像差的需要分别实现对低阶像差和高阶像差的校正，校正低阶像差的波前校正器要求具有较大行程，校正高阶像差的波前校正器具有较高的空间频率。本发明避开了制作同时具有大行程、高空间频率两个特征波前校正器这样一个困难，在提高系统校正能力的同时也提高了系统的性价比。本发明不仅可以用于改善激光光束质量，还可用于人眼自适应光学系统、ICF等各种具有较大低阶像差的自适应光学系统。

Description

双波前校正器自适应光学系统

技术领域

本发明涉及一种自适应光学系统，特别是能够克服常规自适应光学系统针对像差中含有较大低阶像差，同时又含有高阶像差时波前校正器行程与分辨率之间的矛盾，提高系统校正能力的一种双波前校正器自适应光学系统。

背景技术

自适应光学系统是一种实时探测和校正随机光学波前像差的系统，它主要由波前探测器(哈特曼波前传感器或者曲率传感器等)、倾斜反射镜、波前校正器和波前控制器等部分组成。由波前探测器实时探测像差波前信息，并由波前控制器将波前探测器探测得到的信号经过控制算法转化为波前校正器的控制信号，驱动波前校正器改变波前形状，从而实现波前误差的实时校正。

自适应光学系统一般包括一个波前传感器、一个波前校正器和一个波前控制器等。但是，随着自适应光学系统应用的目标和环境的变化，一个波前校正器在某些场合已经不足以校正畸变越来越大的像差波前。MichaelC.Roggemann等在1998年出版的Application Optics中第4577页提出用两个变形反射镜来校正激光大气传输中的闪烁效应，T.J.Karr则在1990年出版的SPIE中第1221页讨论了利用双变形反射镜方案避免热晕相位校正不稳定性问题，F.Yu.Kanev等在1991年出版的Atmosphere Optics中第1273页研究了双变形反射镜系统对湍流闪烁校正问题。

对于含有较大离焦、像散或者慧差等低阶像差，同时又含有相对较小的高阶像差的像差波前，常规自适应光学系统中的一个波前校正器需要同时具有大行程和较高空间频率两个特征才能校正良好。但是，现有波前校正器的制作工艺很难满足大行程和高空间频率这两个要求，这就导致常规自适应光学系统因为波前校正器要么空间频率较高但行程不足，要么行程较大但空间频率偏低，而不能对像差波前良好校正。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服常规自适应光学系统中由于波前校正器的行程与空间频率之间的矛盾导致的校正不足等问题，提供一种实现大的低阶像差和相对较小的高阶像差分别交给两个分别具有较大行程和较高空间频率的波前校正器校正的双波前校正器自适应光学系统。

本发明的技术解决方案是：双波前校正器自适应光学系统，包括倾斜反射镜、分光镜、波前探测器、波前校正器和波前处理机等，其特点在于：所述的波前校正器为两个串联的波前校正器，位于倾斜反射镜、分光镜之间，其中第一个波前校正器相对第二个波前校正器的行程大，对低阶像差进行校正；第二个波前校正器相对第一个波前校正器的空间频率高，对高阶像差进行校正。像差波前顺次经过倾斜反射镜、两个波前校正器和分光镜，然后由波前探测器探测由分光镜透射的像差波前信标，波前处理机对此波前信标信息进行低阶像差和高阶像差的解耦计算，从而实现对倾斜反射镜和两个波前校正器的稳定控制。

所述的第一个校正低阶像差的波前校正器和第二个校正高阶像差的波前校正器在系统中的位置可以互相交换。

所述的两个波前校正器可以是压电陶瓷连续变形反射镜，或液晶空间光调制器，或微机电薄膜变形反射镜，或Biomorph变形反射镜。

使用所述的波前探测器探测的像差波前的斜率信息实现对低阶像差和高阶像差的解耦，进而实现对两个波前校正器的控制分离。

本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明中的两个分别具有较大行程和较高空间频率的波前校正器可以针对像差中的大的低阶像差和相对较小的高阶像差分别校正，避开了常规自适应光学系统要求波前校正器同时具有较大行程、高空间频率这一困难，极大地降低了对波前校正器的制作难度要求，同时提高了系统的校正能力。本发明不仅可以用于改善激光光束质量，还可用于人眼自适应光学系统、ICF等各种具有较大低阶像差的自适应光学系统。

附图说明

图1为本发明中双波前校正器自适应光学系统示意图；

图2为本发明中的较大行程波前校正器的空间频率示意图；

图3为本发明中的较高空间频率波前校正器的空间频率示意图；

图4为图1系统需要校正的激光光束波前；

图5为图1系统分离出来的施加于大行程波前校正器的像差波前示意图；

图6为图1系统分离出来的施加于高空间频率波前校正器的像差波前示意图；

图7为本发明的校正效果图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括倾斜反射镜1、两个波前校正器2和3、分光镜4、波前探测器5、波前处理机6、计算机7，激光束8分别经倾斜反射镜1、两个波前校正器2和3到达分光镜4，部分能量经分光镜4反射出去，另一部分能量透过分光镜4进入波前探测器5，激光束8的光学波前斜率信息G被波前探测器5所探测，然后通过此斜率向量G分别计算出两个波前校正器的控制电压，实现大的低阶像差和高阶像差的分离，以及两个波前校正器的控制分离，进而实现全系统的稳定闭环。

在本发明中，像差波前中的低阶像差和高阶像差分别由上述两个波前校正器2和3进行校正，在这两个波前校正器中的行程相对较大者校正像差波前中的低阶像差，空间频率相对较高者校正像差波前中的高阶像差。两个波前校正器均可以是压电陶瓷连续变形反射镜、液晶空间光调制器、微机电薄膜变形反射镜MEMS，还可以是Biomorph变形反射镜等。两个波前校正器串联放置于系统中，两者的位置可以互相交换。图2和图3为本实施例采用的两个波前校正器的空间频率示意图。

本发明采用的波前探测仪器5，可以是哈特曼波前传感器，如文献“Hartmann Sensers for Optical Testing”Robert J.Zielinski.B.Martin Levine，Brain MoNeil.SPIE Vol.314，P398，1997)公开的哈特曼波前传感器，或中国专利申请号200310100168.1中所公开的基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器，还可以是曲率传感器等其他波前探测仪器。波前探测器探测得到像差波前的斜率以后，通过模式法或者直接斜率法进行低阶像差和高阶像差的分离以及两个波前校正器的控制分离。

当系统的实时性要求较低时，可以使用模式法进行低阶像差和高阶像差的分离，这种方法使用波前探测器5探测的波前斜率向量G，通过选定两个波前校正器各自要校正的模式阶数来实现两个低阶像差和高阶像差的解耦以及两个分别具有较大行程和较高空间频率的波前校正器的控制分离。

当系统的实时性要求较高时，可以使用直接斜率法进行低阶像差和高阶像差的分离，这种方法需要在全系统闭环工作以前，使用波前探测器5分别测量出两个波前校正器2和3的斜率响应矩阵，并在校正高阶像差的波前校正器的斜率响应矩阵中加入其不校正的限定像差向量(本发明称这个矩阵为扩展斜率响应矩阵)。全系统闭环工作时，用已经存在的斜率响应矩阵和扩展斜率响应矩阵通过直接斜率法分别计算出两个波前校正器的控制电压，实现低阶像差和高阶像差的解耦，以及两个分别具有较大行程和较高空间频率的波前校正器的控制分离。以下就此方法进行详细说明。

直接斜率法中波前探测器测量得到的斜率向量与斜率响应矩阵的关系为：

G＝RV    (1)

其中，G为波前探测器测量得到的子孔径斜率向量，R和V分别为波前校正器的斜率响应矩阵和控制电压向量。波前校正器的驱动器电压满足下列约束条件就可以不产生整体平移和倾斜：

$\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i{x}_i=0,\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i{y}_i=0,\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i=0---\left(2\right)$

其中，v_i是第i个驱动器的电压，x_i和y_i为驱动器在单位圆内的坐标位置，m为波前校正器的驱动器个数。这个约束条件可以表示为Cv＝0，其中 $C=\left[\begin{array}{cccc}{x}_1& x_2& \mathrm{\Λ}& x_m\\ y_1& y_2& \mathrm{\Λ}& y_m\\ 1& 1& \mathrm{\Λ}& 1\end{array}\right]$ ，从而波前校正器的斜率响应矩阵为 $R^{*}=\left[\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{DM}}\\ C\end{array}\right].$

假定本发明实施例系统闭环工作以前，测量得到的较高空间频率波前校正器和较大行程波前校正器的斜率响应矩阵分别为R_DM1和R_DM2，较高空间频率波前校正器满足约束条件RM而不校正低阶像差，从而式(2)变为

$\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i{\mathrm{RM}}_i=0---\left(3\right)$

这个约束条件可以表示为C^*v＝0，其中C^*＝[RM₁ RM₂ K RM_m]，从而，较高空间频率波前校正器的扩展斜率响应矩阵 ${R_{\mathrm{DM}1}}^{*}=\left[\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{DM}1}\\ C^{*}\end{array}\right]$ ，对R_DM1 ^*求广义逆R_DM1 ^*+，即可得到高空间频率波前校正器的控制电压， $\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{DM}1}\\ 0\end{array}\right]={R_{\mathrm{DM}1}}^{*+}G$ 。根据约束条件，高空间频率波前校正器不校正低阶像差而只校正高阶像差，其较正的高阶像差的斜率向量为G_DM1＝R_DM1V_DM1，所以剩余低阶像差的斜率向量G_DM2＝G-G_DM1，从而较大行程波前校正器的电压向量 $V_{\mathrm{DM}2}=R_{\mathrm{DM}2}^{+}{G}_{\mathrm{DM}2}$ 。至此利用波前探测器探测得到的斜率向量G得到了较高空间频率波前校正器和较大行程波前校正器的控制电压，把这两个电压施加给两个波前校正器，即实现了低阶像差和高阶像差的解耦，以及两个波前校正器的控制分离。

图4所示的是整个系统需要校正的像差波前。图5和图6所示的是本发明分离出来的分别施加给两个波前校正器的低阶像差和高阶像差。图7是本发明的闭环校正效果图。

Claims (4)

1.双波前校正器自适应光学系统，包括倾斜反射镜、分光镜、波前探测器、波前校正器和波前处理机，其特征在于：所述的波前校正器为两个串联的波前校正器，位于倾斜反射镜、分光镜之间，其中第一个波前校正器相对第二个波前校正器的行程大，对低阶像差进行校正；第二个波前校正器相对第一个波前校正器的空间频率高，对高阶像差进行校正；像差波前顺次经过倾斜反射镜、两个波前校正器和分光镜，然后由波前探测器探测经分光镜透射的像差波前信标，波前处理机对此波前信标信息用解耦控制算法进行低阶像差和高阶像差的解耦计算，从而实现对倾斜反射镜和两个波前校正器的稳定控制；所述波前处理机采用的解耦控制算法采用模式法或直接斜率法；当系统的实时性要求不高时，采用模式法进行低阶像差和高阶像差的分离，即使用波前探测器探测的波前斜率向量，通过选定两个波前校正器各自要校正的模式阶数来实现低阶像差和高阶像差的解耦和两个波前校正器的控制分离；当系统的实时性要求较高时，采用直接斜率法进行低阶像差和高阶像差的分离，这需要在全系统闭环工作以前，使用波前探测器分别测量出两个波前校正器的斜率响应矩阵，并在高空间频率波前校正器的斜率响应矩阵中加入其不校正的限定像差向量，即矩阵为扩展斜率响应矩阵；全系统闭环工作时，用已经存在的斜率响应矩阵和扩展斜率响应矩阵分别计算出两个波前校正器的控制电压，实现低阶像差和高阶像差的解耦，进而实现两个波前校正器的控制分离。

2.根据权利要求1所述的双波前校正器自适应光学系统，其特征在于：所述的第一个校正低阶像差的波前校正器和第二个校正高阶像差的波前校正器在系统中的位置可以互相交换。

3.根据权利要求1所述的双波前校正器自适应光学系统，其特征在于：所述的两个波前校正器是压电陶瓷连续变形反射镜，或液晶空间光调制器，或微机电薄膜变形反射镜。

4.根据权利要求1所述的双波前校正器自适应光学系统，其特征在于：所述的波前探测器为哈特曼波前传感器或曲率传感器。

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