专利名称：液晶自适应光学系统能量优化分配方法
技术领域：
本发明属于自适应光学技术领域，涉及液晶校正器、哈特曼波前探测器、自适应光 学控制器、分色片和PBS分束器等光学元件的组合，具体地说是一种在液晶自适应光学系 统中使校正成像支 路与波前探测支路之间的光能量优化分配方法。
背景技术：
光波前自适应校正系统的功能是对入射光的畸变波前进行实时补偿校正，得到理 想的光学成像。液晶自适应光学系统的液晶校正器采用微电子技术，利用液晶器件高象素密度 的特点，校正精度高，制备工艺成熟，因此液晶校正器的自适应系统具有很大的应用潜力。 但液晶校正器须在偏振光中工作，如果自适应系统设计为通常的闭环自适应校正模式，能 量利用率将减低50%。在“无偏振光能量损失的液晶自适应光学系统”(中国专利，ZL 200610173382)中提出了一项开环液晶自适应光学系统的技术，解决了液晶自适应光学系 统50%的偏振能量损失问题。所说的闭环自适应校正系统是光束先通过偏振片、校正器，然后被分为两路，一路 用于探测，一路用于成像，且两路的能量均为入射光能的25%。而开环自适应校正系统是 用PBS偏振分束器先将入射光分为两路偏振光，则大约50%的能量用于探测，另外50%的 能量用于波前校正后进入CXD成像。所以开环液晶自适应校正系统能量利用率较高。但是，开环自适应校正系统中测量液晶校正器对Zernike模式的响应矩阵时，需 将前述的自适应校正系统中的PBS偏振分束器做一次旋转以将光路切换至内置光源，待响 应矩阵测试完成后再将PBS旋转复原。由此带来的复位误差对成像效果影响比较大。要减 小这个影响，需对转动器件的转动结构精度提出很高要求，很难做到。为此，在专利公报上 公开的“兼具开环与闭环的液晶自适应光学系统”的技术方案(公开号CN101726848A)，解 决了这个问题。尽管如此，液晶自适应校正系统能够成像的星等仍然比预想的低，即要求成像物 体的光强度较高，暗星看不到。进一步寻找造成这种结果的根源，是校正成像支路与波前 探测支路之间的光能量分配不合理，没有考虑两支路上的接收器即相机的曝光极限时间不 同。大气湍流的变化速度通常在50Hz上下，那么自适应系统的校正速度需在湍流速 度的6倍以上才能看到明显的校正效果。自适应系统的工作步骤主要有三步，即波前探测 器的信号探测——信号的传输与处理——驱动波前校正器工作，这一周期的时间延迟通常 要短于3ms，当然每个步骤也只能有ms级的耗时，因此波前探测器的曝光时间即限定为Ims 左右。然而成像相机是位于波前校正器之后的，接收的是校正好的成像光，按照被成像物体 的运动速度通常可以曝光上百ms。既然探测器与成像相机的曝光时间有近百倍的区别，那 么对探测支路与校正成像支路的分光就不应该是1 1的，而应该有一个光能量的优化分 配。
发明内容
综上分析，为了解决在液晶自适应光学系统中探测支路与校正成像支路的时间问 题，本发明提出在校正成像支路与波前探测支路之间的光能量优化分配模式，目的是提供 一种液晶自适应光学系统能量优化分配方法，使液晶自适应光学系统的校正成像支路与波 前探测支路之间的光能量分配合理，可以大幅提高液晶自适应光学系统的探测能力，并相 对提高其校正速度。本发明的基本思想是将探测支路与校正成像支路的偏振分光方法改为光谱分 光。考虑两支路接收端器件的曝光时间以及量子转化效率，按照两器件的响应信号强度比 为1 1计算分光波长。由于哈特曼波前探测器的色散很小、响应速度相对液晶校正器快得 多，故将波段较宽易产生色散的、波前畸变变化速度较快的短波段光能分给探测支路，而液 晶校正器的色散较严重、响应速度相对哈特曼波前探测器慢，故将波段较窄不易产生色散 的、波前畸变变化速度相对缓慢的长波段光能分配给校正成像支路。进入校正成像支路的 光再用PBS偏振分束器再次分为两路偏振光，在两路偏振光路上分别设置液晶校正器。校 正后的偏振光合束，然后进入成像相机成像。为了更好地理解本发明，下面详述本发明使用的光路，如图1所示。考虑望远镜接 收的光谱范围在可见光-近红外波段，而对应可见-近红外波段有很成熟的CXD相机，因此 光谱范围选择可见光_近红外波段。将望远镜接收的光首先通过长波通分色片1进行短波 和长波的两段光谱分光，短波段的光能全部进入哈特曼波前探测器2，而长波段的光能全部 进入校正成像光路。短波段与长波段的光能分配通过改变长波通分色片1的分光波长来优 化控制，即在考虑探测器与成像相机的曝光时间的条件下，按照两支路接收端器件的响应 信号强度比为1 1原则计算长短波段的分光波长。哈特曼波前探测器2给出短波段的畸 变位相波前，由于哈特曼波前探测器2的色散很小，通常可以忽略，即可将短波段的畸变位 相波前等同于校正成像光路的长波段的畸变位相波前。在校正成像光路上，由于液晶校正 器只能对偏振光即e光进行校正，而对ο光没有校正效果，首先通过PBS偏振分束器3将入 射到校正成像光路的光分成S偏振光和P偏振光，并分别在平行S偏振方向和P偏振方向 设置第一液晶校正器4和第二液晶校正器5的e光光轴即液晶的取向方向。最后将从第一 液晶校正器4和第二液晶校正器5出射的校正后的两束光束合束，使合束光进入成像CCD 6 成像。本发明的关键技术是从液晶校正器校正后出射的两光束精确合束、以及两液晶校 正器分别与哈特曼波前探测器的精确对准方法。为此提出如图2所示的光路设计方法考 虑望远镜接收的光谱范围在可见光-近红外波段，望远镜的出射焦点与第一透镜8的前焦 点重合即共焦，因此光束通过第一透镜8后成为平行光，并将望远镜的出瞳成像到长波通 第一分色片1上，长波通第一分色片1使短波段的光束反射、长波段的光束透射。被反射的 短波段的光束依次通过第二透镜10、第三透镜11形成直径与哈特曼波前探测器2的接收 口径相同的光束而全部进入哈特曼波前探测器2，哈特曼波前探测器2的作用是探测望远 镜接收光的波前像差。另外从长波通第一分色片1透射的长波段的光束，依次通过第四透 镜9、第五透镜12，使光束调整为直径与第一液晶校正器4和第二液晶校正器5接收口径相 同的平行光，同时第五透镜12的轴线相对第四透镜9的轴线下移4mm 5mm，即光轴一与光轴二的间距为4mm 5mm，使得通过第五透镜12的光束为偏心入射，从第五透镜12出射 光束产生2° 3°的倾斜。从第五透镜12出射光束以2° 3°入射角进入PBS偏振分 束器3被分成透射P偏振光和反射S偏振光，分别在平行P偏振方向设置第一液晶校正器 4和在平行S偏振方向设置第二液晶校正器5的e光光轴，即液晶取向方向。经第一液晶 校正器4和第二液晶校正器5校正后的P、S偏振光束被反射回PBS偏振分束器3，从PBS 偏振分束器3出射后两光束重合合束，且以反向2° 3°的倾斜角再次到达第五透镜12， 此时，光轴二与光轴三的间距为4mm 5mm。为了将从第五透镜12出射的光束经过一段距 离后能与入射光束分开，加入一个与光轴三成45°角的第一反射镜13，使合束后的光折束 90°并聚焦在成像CXD 6上。上述光路中的哈特曼波前探测器2、第一液晶校正器4和第二 液晶校正器5、成像CXD 6均与工控机14相连。工控机14存储有自适应控制软件，其作用 是将哈特曼波前探测器2中的波前光学信号读出，处理为Zernike模式表示的波前像差； 将波前像差发送给第一液晶校正器4和第二液晶校正器5，使二者分别校正P偏振光和S偏 振光中的像差。启动成像CCD 6拍摄，并控制其曝光时间。本发明需要使校正器与探测器的几何位置严格对准。因此在进行自适应波前校正 成像之前，需要分别测量第一液晶校正器4和第二液晶校正器5在标准Zernike模式驱动 信号下的探测器响应信号。调整光路如图3所示，在成像(XD6前置入与光轴三成45°的 第二反射镜15，此时第一反射镜13与第二反射镜15互相垂直，使聚焦光斑转向垂直方向， 并标记焦点位置；再将点光源7移至标记的焦点位置处；将长波通第一分色片1替换为具 有相同分色波长的短波通分色片1’。图3所示的光路可使通过第一液晶校正器4和第二 液晶校正器5的光束都能到达哈特曼波前探测器2 ；由于第一液晶校正器4和第二液晶校 正器5的响应信号会有所不同或根本不同，故分别测量二者的响应信号。首先用纸屏16插 入PBS偏振分束器3和第二液晶校正器5之间，以截断第二液晶校正器5的光束并保证只 有第一液晶校正器4的光束进入哈特曼波前探测器2，将第一液晶校正器4的响应信号存入 工控机14的数据库中；然后将纸屏16插入PBS偏振分束器3和第一液晶校正器4之间，以 截断第一液晶校正器4的光束并保证只有第二液晶校正器5的光束进入哈特曼波前探测器 2，将第二液晶校正器5的响应信号存入工控机14的数据库中；完成了这两个校正器件在标 准Zernike模式驱动信号下的探测器响应信号测量，将光路恢复为图2所示的形式，即可对 望远镜的观测目标进行自适应校正成像。本发明相对原来探测支路与校正成像支路各取一半偏振光的设计来说有如下优 点1)转移了校正成像支路的过剩光能量，提高了液晶自适应系统的探测灵敏度；2)两个 支路的光波谱段都大幅窄化，有利于探测器和成像相机的量子转换效率发挥；3)校正成像 支路的光波谱段中去除了短波谱段，波前畸变频率在长波谱段会相对缓慢，因此可以减小 校正后的残差，提高校正效果。


图1是本发明使用的光路示意图，也是摘要附图。其中1为长波通分色片，2为哈 特曼波前探测器，3为PBS偏振分束器，4为第一液晶校正器，5为第二液晶校正器，6为成像 CCD。 图2是本发明的与望远镜对接的液晶自适应校正光路示意图。其中8、10、11、9、12分别为第一、第二、第三、第四、第五透镜，13为第一反射镜，14为存有自适应控制软件的工 控机，它与哈特曼波前探测器2、第一液晶校正器4、第二液晶校正器5、成像CXD 6相连。图3是本发明在启动自适应校正成像之前测量哈特曼波前探测器对第一、第二液 晶校正器响应矩阵的光路示意图。其中1 ‘为分色波长与分色片1相同的短波通分色片，15 为第二反射镜，它将光路折轴，点光源7位于折轴后的焦点上，16为纸屏。图4是本发明的室内验证结果，其中(a)为自适应校正前光纤束模糊的像，(b)为 自适应校正后光纤束清晰的像。
具体实施方式
用光谱与白光较接近的氙灯耦合入一束光纤中，每根光纤芯径25 μ m,光纤束直径 Imm;将此光纤束光源置于望远镜的焦点处来模拟无穷远处的被成像物体，进行室内的光纤 束自适应校正成像实验1、按照图2搭建自适应光学系统，不考虑望远镜的存在，光纤束光源位于第一透 镜8的前焦点处，形成闭合的自适应系统光路。在第一透镜8的后面、光束之下放一 40W电 烙铁作为热干扰源，使光波前发生动态畸变。2、第一透镜8、第二透镜10、第三透镜11、第四透镜9均为双胶合消色差透镜，且表 面镀有增透膜，口径均为20mm，焦距分别为200mm、200mm、100mm,200mm ；第五透镜12的口径 为50mm、焦距为200mm。3、哈特曼波前探测器2的技术参数3mm接收孔径，微透镜阵列为15X15，探测波 段从350nm lOOOnm，测量精度达到峰谷值0. 05 λ，均方根值0. 01 λ。4、第一反射镜13，面积15_X15mm，厚度1. 5mm，反射率大于98%。5、第一液晶校正器4、第二液晶校正器5均为LCOS型液晶校正器(美国BNS公司 生产)，6mmX 6mm的方形窗口，象素数256 X 256，位相调制深度800nm，位相调制深度是入射 光中心波长的0. 95 1. 1倍，响应时间5ms，驱动电压的分度值即灰度级有256个。6、PBS偏振分束器3，尺寸为25mmX 25mmX 25mm，分光波段在680nm 980nm。7、成像CXD 6为英国ANDOR公司DV897型号的可见光波段产品，像素数512X512， 在波长为950nm处量子转换效率还有25%。8、分色片1和分色片1，，口径均为20mm，分色波长λ = 700nm,分别是长波通分色
片和短波通分色片。9、测量哈特曼波前探测器2对第一液晶校正器4的标准Zernike模式驱动响应矩 阵按照图3所示位置，在第一反射镜13和成像CXD 6之间插入与光轴成45°的第 二反射镜15，使光轴折角90°，标记折轴后光束的聚焦位置，将光纤束光源作为点光源7移 到标记的折轴光束的聚焦位置。用短波通分色片1'替代长波通分色片1，其分色波长也是 λ = 700nm，使得通过液晶校正器的700nm 950nm波段的光束被短波通分色片1'分离出 来，被反射进入哈特曼波前探测器2。将纸屏16插入第二液晶校正器5和PBS偏振分束器 3之间，使得只有通过第一液晶校正器4的700nm 950nm波段的光束进入哈特曼波前探 测器2。指令工控机14依次发出前36项Zernike模式信号驱动第一液晶校正器4，工控机 14自动读取哈特曼波前探测器2的光学响应信号，并进行数字化处理成为第一响应矩阵，存储在数据库中。将纸屏16移到第一液晶校正器4和PBS偏振分束器3之间，使得只有通 过第二液晶校正器5的700nm 950nm波段的光束进入哈特曼波前探测器2。同样指令工 控机14依次发出前36项Zernike模式信号驱动第二液晶校正器5，工控机14自动读取哈 特曼波前探测器2的光学响应信号，进行数字化处理成为第二响应矩阵，存储在数据库中。10、将光路恢复为图2所示的结构，形成以点光源7为成像目标的自适应波前校正 系统。指令工控机14依据响应矩阵处理哈特曼波前探测器2给出的系统像差，分别驱动第 一液晶校正器4和第二液晶校正器5校正P偏振光和S偏振光中的像差，观察成像CXD 6 上的光纤束成像。

结果如图4所示，自适应校正前分辨不出光纤芯，而校正后光纤芯清楚显现，表明 本发明的设计方法能够获得很高的校正精度，这种液晶自适应系统能量优化分配方法可 行。
权利要求
1.一种液晶自适应光学系统能量优化分配方法，其特征是将探测支路与校正成像支路的偏振分光方法改为光谱分光，根据探测支路与校正成像 支路中接收端器件的曝光时间以及量子转化效率，按照器件的响应信号强度比为1 1计 算分光波长；将波段较宽易产生色散的、波前畸变变化速度较快的短波段光能分配给探测 支路，将波段较窄不易产生色散的、波前畸变变化速度相对缓慢的长波段光能分配给校正 成像支路；据此，所使用的基本光路主要包括长波通分色片(1)，哈特曼波前探测器0)，PBS偏 振分束器(3)，第一液晶校正器G)，第二液晶校正器(5)，成像CCD (6)；通过长波通分色片(I)将望远镜接收的光分为两束，反射的短波段光束进入色散效应可以忽略的哈特曼波前 探测器O)，透射的长波段光束进入PBS偏振分束器C3)后，又被分成透射P偏振光和反射 S偏振光；在平行P偏振方向放置第一液晶校正器，在S偏振方向放置第二液晶校正器 (5)，并使第一液晶校正器的液晶取向方向对应P偏振光的偏振方向，第二液晶校正器 (5)的液晶取向方向对应S偏振光的偏振方向；经两个校正器校正后的P、S偏振光束被反 射回PBS偏振分束器(3)，出射后两光轴重合合束，且以反向2° 3°的倾斜角到达成像 CCD (6)成像。
2.根据权利要求1所述的液晶自适应光学系统能量优化分配方法，其特征是将第一液晶校正器(4)和第二液晶校正器(5)校正后出射的两束光精确合束，第一、第 二液晶校正器与哈特曼波前探测器(9)精确对准；所述的精确合束过程，使用的光路还包括第一透镜(8)、第二透镜(10)、第三透镜(II)、第四透镜(9)、第五透镜(12)，第一反射镜(13)，存储有自适应控制软件的工控机 (14)，其中，工控机(14)与哈特曼波前探测器O)、第一液晶校正器G)、第二液晶校正 器(5)、成像CCD(6)相连；光束通过第一透镜(8)后成为平行光到达长波通第一分色片 (1)，使短波段的光束反射、长波段的光束透射；被反射的短波段的光束依次通过第二透镜 (10)、第三透镜(11)形成直径与哈特曼波前探测器( 接收口径相同的光束而全部进入 哈特曼波前探测器O)，哈特曼波前探测器( 探测望远镜接收光的波前像差；从长波通第 一分色片(1)透射的长波段的光束，依次通过第四透镜(9)、第五透镜(12)，使光束调整为 直径与第一液晶校正器(4)和第二液晶校正器( 接收口径相同的平行光，同时第五透镜 (12)的轴线相对第四透镜(9)的轴线下移4mm 5mm，即光轴一与光轴二的间距为4mm 5mm，使得通过第五透镜(1 的光束为偏心入射，从第五透镜(1 出射光束产生2° 3° 的倾斜；从第五透镜(1 出射光束以2° 3°入射角进入PBS偏振分束器C3)被分成透 射P偏振光和反射S偏振光，分别在平行P偏振方向设置第一液晶校正器(4)和在平行S 偏振方向设置第二液晶校正器(5)的e光光轴，即液晶取向方向；经第一液晶校正器(4)和 第二液晶校正器(5)校正后的P、S偏振光束被反射回PBS偏振分束器(3)；从PBS偏振分 束器(3)出射后两光束重合合束，且以反向2° 3°的倾斜角再次到达第五透镜(12)，此 时，光轴二与光轴三的间距为4mm 5mm ；在第五透镜(1 与成像CXD (6)之间加入一个与 光轴三成45°角的第一反射镜(13)，使合束后的光折束90°并聚焦在成像CXD 6上；工控 机(14)存储有自适应控制软件，将哈特曼波前探测器O)中的波前光学信号读出，处理为 krnike模式表示的波前像差，将波前像差发送给第一液晶校正器(4)和第二液晶校正器 (5)，使二者分别校正P偏振光和S偏振光中的像差；启动成像CXD(6)拍摄，并控制其曝光时间；所述的精确对准过程，使用的光路还包括第二反射镜(15)，纸屏(16)；在成像CCD(6) 前置入与光轴三成45°的第二反射镜(15)，此时第一反射镜(13)与第二反射镜(15)互 相垂直，使聚焦光斑转向垂直方向，并标记焦点位置；将点光源(7)放置在标记的焦点位置 处，用短波通分色片(1')替代长波通分色片(1)，使得通过液晶校正器的长波段的光束被 短波通分色片(I')分离出来，使点光源(7)发出的通过第一液晶校正器(4)和第二液晶 校正器(5)的短波光束都能到达哈特曼波前探测器O)；首先将纸屏(16)插入PBS偏振分 束器(3)和第二液晶校正器(5)之间，截断第二液晶校正器(5)的光束并保证只有第一液 晶校正器(4)的光束进入哈特曼波前探测器O)，将第一液晶校正器(4)的响应信号存入工 控机(14)的数据库中；然后将纸屏(16)插入PBS偏振分束器C3)和第一液晶校正器(4) 之间，截断第一液晶校正器的光束并保证只有第二液晶校正器(5)的光束进入哈特曼 波前探测器O)，将第二液晶校正器(5)的响应信号存入工控机(14)的数据库中；完成这 两个校正器件在标准^rnike模式驱动信号下的探测器响应信号测量后，对望远镜的观测 目标进行自适应校正成像。
3.根据权利要求2所述的液晶自适应光学系统能量优化分配方法，其特征是所用的 长波通分色片(1)和短波通分色片(I')分色波长λ = 700nm，所述的长波段的波长为 700nm 950nmo
4.根据权利要求2所述的液晶自适应光学系统能量优化分配方法，其特征是1)所用的第一透镜(8)、第二透镜(10)、第三透镜(11)、第四透镜(9)均为双胶合消色 差透镜，且表面镀有增透膜，口径均为20mm，焦距分别为200mm、200mm、100mm、200mm ；第五 透镜(12)的口径为50mm、焦距分别为200mm ；2)所用的哈特曼波前探测器O)的接收孔径为3mm；3)所用的第一反射镜(13)，面积15mmX15mm，厚度为1. 5mm，反射率大于98% ；4)所用的第一液晶校正器G)、第二液晶校正器(5)均为LCOS型液晶校正器， 6mmX6mm的方形窗口，象素数256X 256，位相调制深度是入射光中心波长的0. 95 1. 1 倍；5)所用的PBS偏振分束器(3)，尺寸为25mmX 25mm X 25mm，分光波段在680nm 980nm ；6)所用的成像(XD(6)为英国ANDOR公司生产的型号为DV897，像素数512X512，在波 长为950nm处量子转换效率还有25% ；7)所用的长波通分色片(1)和短波通分色片(I')，口径均为20mm ；8)指令工控机(14)依据响应矩阵处理哈特曼波前探测器( 给出的系统像差，分别驱 动第一液晶校正器(4)和第二液晶校正器(5)校正P偏振光和S偏振光中的像差。
全文摘要
本发明属于自适应光学领域，涉及液晶自适应光学系统中校正成像支路与波前探测支路之间的光能量优化分配方法。基本思想是将探测支路与校正成像支路的偏振分光设计改为光谱分光，按照两支路接收端器件的响应信号强度比为1∶1计算分光波长。将波段较宽易产生色散的、波前畸变变化速度较快的短波段光能分给探测支路，而将波段较窄不易产生色散的、波前畸变变化速度相对缓慢的长波段光能分给校正成像支路。进入校正成像支路的光再用PBS偏振分束器分为两路偏振光，相应设置两个液晶校正器；校正后合束成像。本发明可以大幅提高液晶自适应光学系统的探测能力，并相对提高其校正速度。
文档编号G01J9/00GK102073136SQ20101060511
公开日2011年5月25日 申请日期2010年12月24日 优先权日2010年12月24日
发明者刘永刚, 宣丽, 彭增辉, 曹召良, 李大禹, 穆全全, 胡立发, 鲁兴海 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所