CN205091510U - 一种波前校正器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种波前校正器，属于自适应光学系统技术领域，包括容器、至少一个电源和至少一个电极，所述容器设置为密闭结构，其内部设置有折射率不同的导电液体和绝缘液体，所述电极呈离散状设置在容器的外侧壁，其正极与电源相接，其负极与导电液体连接，本实用新型具有响应速度快、稳定性高、面形响应形状多样化、操作便捷、成本低、控制精度高、适用于自适应光学系统的特点。

Description

一种波前校正器

技术领域

本实用新型属于自适应光学系统技术领域，具体地说涉及一种波前校正器。

背景技术

波前校正器(也称作变形镜)作为自适应光学系统的关键器件，近些年来得到了快速发展。与传统固体镜片变形镜技术途径相比，液体镜面变形镜能够利用液面自身的张力作用保持平滑，从而解决了传统固体镜片技术存在中高频像差这一固有问题，被越来越多的应用到自适应光学技术中。

现有的液体镜面变形镜主要包括铁磁液体驱动型和液晶驱动型，前者利用通电线圈的电磁力改变铁磁液体表面形状来校正反射光的波前畸变，在稳定状态下能够利用液面自身的张力作用保持平滑，克服传统镜片固有的中高频像差，但液面面形容易受到重力、气流等外界干扰，也存在液体表面光反射率低、表面镀膜难度大等问题；后者对液晶分子加电后改变分子极化方向，对于偏振入射光来说液晶分子极化方向的变化导致折射率的变化，从而达到校正透射光波前畸变的目的，液晶变形镜的驱动器密度可以做的很高，而且制造工艺成熟，被广泛应用在小口径自适应光学系统中，但只能适用于偏振光，并且液晶材料抗激光损伤阈值较低并存在严重的色散现象。

液体界面存在着张力，改变界面的张力状态就可以改变液面的形状，在改变液面张力状态的各种方法中，电浸润法具有结构简单、控制精度高、响应速度快等优点，在许多领域被得到应用。电浸润法已经被成功应用在可变焦距液体透镜技术中，该技术利用电浸润效应改变液面曲率从而控制液体透镜的焦距，成为最廉价的成像系统。尽管电浸润技术在透镜成像方面已经成功商业化，但目前仍然未被应用到自适应光学技术中，要实现这一应用，还需要解决很多原理和技术上的问题。

实用新型内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种响应速度快、稳定性高、面形响应形状多样化、操作便捷、成本低、控制精度高、适用于自适应光学系统的波前校正器。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种波前校正器，包括容器、至少一个电源和至少一个电极，所述容器设置为密闭结构，其内部设置有折射率不同的导电液体和绝缘液体，所述电极呈离散状设置在容器的外侧壁，其正极与电源相接，其负极与导电液体连接。

进一步，所述导电液体和绝缘液体互不相容。

进一步，所述导电液体和绝缘液体的高度和等于容器的高度。

进一步，所述电极的负极处设置有导线，所述导线的一端与电极的负极连接，其另一端与导电液体连接。

进一步，所述电极设置在导电液体和绝缘液体的液面接触处。

进一步，所述电极与电源一一对应设置。

进一步，所述容器设置为柱状结构，其横截面的外接圆直径设置为10-200mm，其高度设置为5-20mm。

进一步，所述容器的上下表面均镀有对入射光高透过率的膜。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型采用电浸润效应改变液体表面的张力状态，从而精确控制液面面形来校正入射光的波前畸变，具有响应速度快、稳定性高的特点，适合应用于自适应光学波前校正系统中。

2、本实用新型中电极呈离散状设置在导电液体和绝缘液体的液面接触处，促使液面形状变化具有更大的自由度，并且，所述电极与电源一一对应设置，能够灵活实现液面局部面形变化，促使液面接触处达到非对称面形变化，具有面形响应形状多样化的特点。

3、本实用新型作为透射式光学元件，不需要在液体表面镀膜，具有操作便捷、成本低的特点。

4、本实用新型将导电液体和绝缘液体注入密闭容器中，有效避免液面面形受到外界气流扰动等影响，具有控制精度高的特点。

5、本实用新型中容器的横截面尺寸具有较大的调节范围，适用于大口径高能量状态，同时，本实用新型对光学的偏振态没有要求，具有适用范围广的特点。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是本实用新型的俯视结构示意图；

图3是本实用新型的一种容器横截面结构示意图；

图4是本实用新型的一种容器横截面结构示意图；

图5是本实用新型的一种容器横截面结构示意图；

图6(a)是常见的泽尼克像差进行校正前的示意图；

图6(b)是本实用新型对常见的泽尼克像差进行校正后的示意图；

图7是入射光未经过拟合的波前干涉示意图；

图8(a)是本实用新型对入射光进行离焦拟合后的干涉示意图；

图8(b)是本实用新型对入射光进行45度像散像差拟合后的干涉图。

附图中：容器1、绝缘液体2、导电液体3、电极4、导线5、电源6。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合本实用新型的附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例一：

如图1所示，一种波前校正器，包括容器1、至少一个电源6和至少一个电极4，所述容器1设置为密闭结构，其内部设置有互不相容、折射率不同的导电液体3和绝缘液体2，可以有效避免液面面形受到外界气流扰动等影响，控制精度高，所述容器1横截面的外接圆直径设置为10-200mm，其高度设置为5-20mm，所述容器1的横截面尺寸具有较大的调节范围，适用于大口径高能量状态，同时，所述波前校正器对光学的偏振态没有要求，适用范围广。

所述导电液体3和绝缘液体2的密度相同时，则两者的接触液面是一个曲率不变的球面，所述导电液体3和绝缘液体2的密度不同时，考虑到整个装置的稳定性，上方液体密度小于下方液体密度，则两者的接触液面是一个靠近容器1中心曲率小、远离容器1中心曲率大的非球面，所述导电液体3设置为导电的水溶液，常用的种类为氯化钠水溶液、醋酸、硫酸等，所述绝缘液体2设置为不导电的油，常用的种类为十二烷基苯、硅油、矿物油、乙醚、三氯联苯合成油等。

所述容器1设置为柱状结构，其横截面设置为圆形、正方形和长方形中的任意一种，所述容器1的上下表面均镀有对入射光高透过率的膜，所述膜为增透膜，不需要在液体表面镀膜，操作便捷，成本低，所述电极4的正极与电源6相接，其负极通过导线5与导电液体3连接，启动电源6产生电流，电流依次经过电极4的正极和负极，到达导电液体3处，引起导电液体3处的液面变化，所述导电液体3和绝缘液体2的高度和等于容器1的高度，因此，间接引起绝缘液体2对应处的液面变化，以达到补偿入射光波前畸变的目的，液面响应速度快，稳定性高，适合应用于自适应光学波前校正系统中。

如图1-2所示，所述电极4呈离散状设置在容器1的外侧壁，并且位于导电液体3和绝缘液体2的液面接触处，促使液面接触处形状变化具有更大的自由度，并且，所述电极4与电源6一一对应设置，能够灵活实现液面局部面形变化，促使液面接触处达到非对称面形变化，面形响应形状多样化。

所述一种波前校正器的校正方法，包括如下步骤：

(1)向所述容器1内注满导电液体3和绝缘液体2，所述导电液体3的折射率为n₁，所述绝缘液体2的折射率为n₂；

(2)将所述电极4呈离散状设置在容器1外侧壁，并且位于所述导电液体3和绝缘液体2的液面接触处，有助于产生面形相应；

(3)启动电源6，对所述电极4分别施加不同的控制电压，改变导电液体3和绝缘液体2的高度，并分别标记为h₁(x，y)和h₂(x，y)；

(4)将所述入射光经容器1的表面入射至导电液体3和绝缘液体2内部，则入射光的波前分布变化量S(x，y)为：

S(x，y)＝n₁h₁(x，y)+n₂h₂(x，y)；

(5)取入射光不同位置A(x_i，y_i)和B(x_j，y_j)，对应导电液体的高度分别标记为h_1i(x_i，y_i)和h_1j(x_j，y_j)，对应绝缘液体的高度分别标记为h_2i(x_i，y_i)和h_2j(x_j，y_j)，则位置A和B的波前分布变化量分别为S(x_i，y_i)和S(x_j，y_j)：

S(x_i，y_i)＝n₁h_1i(x_i，y_i)+n₂h_2i(x_i，y_i)，

S(x_j，y_j)＝n₁h_1j(x_j，y_j)+n₂h_2j(x_j，y_j)；

(6)所述入射光在位置A、位置B的波前相对变化量为：

S(x_i，y_i)-S(x_j，y_j)

＝n₁h_1i(x_i，y_i)+n₂h_2i(x_i，y_i)-n₁h_1j(x_j，y_j)-n₂h_2j(x_j，y_j)

＝n₁h_1i(x_i，y_i)-n₁h_1j(x_j，y_j)+n₂h_2i(x_i，y_i)-n₂h_2j(x_j，y_j)，所述波前相对变化量即

＝n₁Δh₁+n₂Δh₂

＝(n₁-n₂)Δh₁

对入射光波长畸变的校正补偿量。

实施例二：

如图1、图3所示，本实施例中与实施例一相同的部分不再赘述，不同是：

所述容器1的口径是100mm，其横截面为正方形，其外侧壁均匀地设置有8个电极4，每个电极4对应的圆周角是36°，导电液体3和绝缘液体2的高度均为5mm，所述增透膜设置为光学玻璃，所述导电液体3设置为氯化钠水溶液，其折射率为1.5，所述绝缘液体2设置为乙醚，其折射率为1.35，由于氯化钠水溶液的密度大于乙醚的密度，因此，将乙醚设置在容器1的上部，将氯化钠水溶液设置在容器1的下部。

对所述电极4分别施加2V、3.5V、4V、2.5V、4.5V、6V、5V、5.5V的电压，所述导电液体3对应液面处的高度分别为5.25mm、5.4mm、5.45mm、5.3mm、5.5mm、5.65mm、5.6mm、5.62mm，则相对于液面高度为5.25mm处，所述入射光在其他位置的波前相对变化量分别为0.0225、0.03、0.0075、0.0375、0.06、0.0525、0.0555，以上波前相对变化量即对入射光波长畸变的校正补偿量，由此可见，所述入射光的波前相对变化量正比于施加控制电压后导电液体的液面高度相对变化量。

实施例三：

如图1、图4所示，本实施例中与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

所述容器1的横截面为圆形，其外侧壁均匀地设置有8个电极4，每个电极4对应的圆周角是30°，所述容器1的上下表面均镀有对入射光高透过率的膜，所述膜为光学玻璃，所述导电液体3和绝缘液体2的密度相同，且所述绝缘液体2位于导电液体3上方。

所述入射光经容器1的上平面入射至绝缘液体2内，经所述绝缘液体2折射后入射至导电液体3内，经所述导电液体3折射后，最后经所述容器1的下平面出射，所述入射光依次经过绝缘液体2、导电液体3来补偿波前畸变。

所述绝缘液体2对容器1的内壁表现为亲水性，而导电液体3对容器1的内壁表现为疏水性，所述电极4上没有施加控制电压时，绝缘液体2和导电液体3的接触面是凸起的球面。对所述电极4上分别施加电压U₁、U₂、U₃......U₈，在所述导电液体3和容器1内壁之间的静电吸引力作用下，绝缘液体2和导电液体3的接触液面变成平面，对于垂直经过容器1上下表面的入射光，其波前没有被改变，此时，电压U₁、U₂、U₃......U₈称为调平电压。

在所述调平电压的基础上，对所述电极4分别施加不同的电压变化量ΔU₁、ΔU₂、ΔU₃......ΔU₈，对于垂直经过容器1上下表面的入射光而言，每个电极4分别对应一个波前改变量，即所述电极4对应的面形响应函数，记为矩阵M(8×8)。

使用探测器测量入射光的波前像差，记为列向量P＝(P₁,P₂,…,P₈)^T,所述波前校正器的波前控制方法，就是最小化拟合波前残差的单调速率调度值(RMS值)，即向量的二范数，如式(1)所示：

min||P-MV||₂(1)

其中，V＝(V₁,V₂,…,V₈)^T是8个电源的控制电压向量，则MV就是波前校正器的响应面形向量，(P-MV)就是拟合残差向量，因此，最小化拟合残差向量的二范数也就最优化的校正了入射光的像差。

在最小二乘法则下计算得到控制电压，在离散化数值计算中，结果如式(2)所示：

V＝M⁺P＝(M^TM)^-1M^TP(2)

其中，M⁺是响应函数矩阵M的广义逆，得到所述波前校正器对入射光的波前校正电压。

采用本实施例所述的波前校正器，对常见的泽尼克像差进行校正后的前后对比图，如图6所示，所述波前校正器对前20阶泽尼克像差，均有较强的校正能力，校正后的残差都在0.2μm以下，由此可见，所述波前校正器对常见泽尼克像差具有较强的校正能力。

实施例四：

如图1、图5所示，本实施例中与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

所述绝缘液体2、导电液体3的密度不同，并且，所述两者的密度比为9：10，所述容器1的横截面为正方形，其外侧壁均匀地设置有4个电极4，每个电极4对应的圆周角是60°，所述容器1的上下表面均镀有对入射光高透过率的膜，所述膜为光学玻璃。

所述入射光经容器1的下平面入射至导电液体3内，经所述导电液体3折射后入射至绝缘液体2内，经所述绝缘液体2折射后，最后经所述容器1的上平面出射，所述入射光依次经过导电液体3、来补偿波前畸变。

本实施例中，所述波前校正器的波前校正过程与实施例三相同，对所述电极4上分别施加调平电压后，对于垂直经过容器1上下表面的入射光，其波前基本没有被改变，其波前干涉图如图7所示，采用本实施例所述的波前校正器对入射光进行离焦、45度像散像差拟合后的干涉图如图8所示，由此可见，所述波前校正器对常见泽尼克像差具有较强的拟合能力。

以上已将本实用新型做一详细说明，以上所述，仅为本实用新型之较佳实施例而已，当不能限定本实用新型实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本实用新型涵盖范围内。

Claims (8)

1.一种波前校正器，其特征在于，包括容器、至少一个电源和至少一个电极，所述容器设置为密闭结构，其内部设置有折射率不同的导电液体和绝缘液体，所述电极呈离散状设置在容器的外侧壁，其正极与电源相接，其负极与导电液体连接。

2.根据权利要求1所述的一种波前校正器，其特征在于：所述导电液体和绝缘液体互不相容。

3.根据权利要求2所述的一种波前校正器，其特征在于：所述导电液体和绝缘液体的高度和等于容器的高度。

4.根据权利要求3所述的一种波前校正器，其特征在于：所述电极的负极处设置有导线，所述导线的一端与电极的负极连接，其另一端与导电液体连接。

5.根据权利要求4所述的一种波前校正器，其特征在于：所述电极设置在导电液体和绝缘液体的液面接触处。

6.根据权利要求5所述的一种波前校正器，其特征在于：所述电极与电源一一对应设置。

7.根据权利要求6所述的一种波前校正器，其特征在于：所述容器设置为柱状结构，其横截面的外接圆直径设置为10-200mm，其高度设置为5-20mm。

8.根据权利要求7所述的一种波前校正器，其特征在于：所述容器的上下表面均镀有对入射光高透过率的膜。