[發(fā)明專利]液晶-變形鏡的混合式自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610858689.0
• 申請(qǐng)日: 2016-09-28
• 公開（公告）號(hào): CN106324828B
• 公開（公告）日: 2019-08-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宣麗;李大禹;張佩光;王少鑫;曹召良;穆全全;楊程亮;姚麗雙;劉永剛;彭增輝;徐煥宇;張杏云;王啟東;王玉坤;孫飛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
• 主分類號(hào): G02B26/06
• 分類號(hào): G02B26/06
• 代理公司: 長(zhǎng)春眾邦菁華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 22214
• 代理人: 王丹陽(yáng)

1.液晶-變形鏡的混合式自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征是：

系統(tǒng)由第一透鏡(1)、快速振鏡(2)、變形鏡(3)、第一分色片(4)、第二透鏡(5)、第二分色片(6)、短波紅外相機(jī)(7)、中紅外相機(jī)(8)、第三透鏡(9)、第四透鏡(10)、第三分色片(11)、第五透鏡(12)、第六透鏡(13)、第四分色片(14)、波前探測(cè)器(15)、第七透鏡(16)、薄型反射鏡(17)、第八透鏡(18)、PBS分束器(19)、液晶校正器(20)、第九透鏡(21)、反射鏡(22)、可移動(dòng)反射鏡(23)、第十透鏡(24)、可見相機(jī)(25)組成；

可見相機(jī)(25)接收700nm～950nm的I波段光束成像，短波紅外相機(jī)(7)接收950nm～1500nm的J波段光束成像，中紅外相機(jī)(8)接收1500nm～1900nm的H波段光束成像；分別取λ_I＝800nm、λ_J＝1200nm、λ_H＝1600nm為三個(gè)成像波段的中心波長(zhǎng)；

第一透鏡(1)的前焦點(diǎn)與所連接的望遠(yuǎn)鏡輸出光焦點(diǎn)重合，將望遠(yuǎn)鏡的出瞳成像于快速振鏡(2)上；快速振鏡(2)將光束折軸45度反射到變形鏡(3)；變形鏡(3)又將光束折軸成水平光束，通過(guò)在950nm波長(zhǎng)處分色的第一分色片(4)后分成互為垂直的兩束，其中950nm～1900nm波段透過(guò)第一分色片(4)，經(jīng)第二透鏡(5)匯聚至1500nm波長(zhǎng)處分色的第二分色片(6)，進(jìn)一步分成950nm～1500nm的J波段和1500nm～1900nm的H波段的兩光束，其中950nm～1500nm的J波段光束透射第二分色片(6)，聚焦于短波紅外相機(jī)(7)成像；1500nm～1900nm H波段的光束經(jīng)過(guò)第二分色片(6)反射，聚焦于中紅外相機(jī)(8)成像；而在第一分色片(4)處反射的垂直光束為400nm～950nm波段的光束，該垂直光束經(jīng)過(guò)第三透鏡(9)和第四透鏡(10)縮束，使光束直徑與700nm波長(zhǎng)處分色的第三分色片(11)的口徑匹配；經(jīng)過(guò)第三分色片(11)后光束又分為反射和透射兩束，其中反射光束為400nm～700nm可見波段用于波前探測(cè)，其通過(guò)第五透鏡(12)和第六透鏡(13)組成的4F系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)束以與波前探測(cè)器(15)的口徑匹配，再由與第三分色片(11)完全相同的第四分色片(14)反射，進(jìn)入到波前探測(cè)器(15)中；透過(guò)第三分色片(11)的700nm～950nm的I波段光束透射第七透鏡(16)、由薄型反射鏡(17)折軸45度、偏心5mm通過(guò)第八透鏡(18)，以使液晶校正器(20)反射回來(lái)的光經(jīng)第八透鏡(18)后能避開薄型反射鏡(17)；PBS分束器(19)位于第八透鏡(18)和液晶校正器(20)之間，PBS分束器(19)的作用是將進(jìn)入液晶校正器(20)的光束濾為P偏振光，以滿足液晶校正器(20)的工作條件，而且液晶校正器(20)與快速振鏡(2)共軛配置保證入射的P偏振光沒(méi)有抖動(dòng)；液晶校正器(20)將P偏振光中的高階畸變校正后反射再進(jìn)入PBS分束器(19)，通過(guò)第八透鏡(18)、第九透鏡(21)，光束變?yōu)槠叫泄獾竭_(dá)與光軸成45度放置的反射鏡(22)上，從而折軸90度，到達(dá)也與光軸成45度放置的可移動(dòng)反射鏡(23)上，使光軸再次折轉(zhuǎn)90度，通過(guò)第十透鏡(24)聚焦于可見相機(jī)(25)，使高階畸變校正后的700nm～950nm的I波段光束成像；

當(dāng)畸變波前中的前N項(xiàng)Zernike模式得到完全校正、殘余的高階波前畸變量RMS值時(shí)，成像分辨率可以達(dá)到望遠(yuǎn)鏡的兩倍光學(xué)衍射極限分辨率，此處λ代表成像波段的中心波長(zhǎng)，則認(rèn)為達(dá)到了自適應(yīng)波前校正的要求；殘余的高階波前畸變量表示為：

這里N是校正Zernike模式數(shù)，r₀是大氣湍流強(qiáng)度的特征參數(shù)稱為大氣相干長(zhǎng)度、厘米為單位，D是望遠(yuǎn)鏡的口徑、單位也取為厘米，殘余高階波前畸變量的單位為弧度；

選擇I波段的中心波長(zhǎng)λ_I處的大氣相干長(zhǎng)度r_0I＝10cm，根據(jù)r₀與波長(zhǎng)λ的6/5次方成正比的關(guān)系式，可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)λ_J＝1200nm、λ_H＝1600nm兩個(gè)成像波段中心波長(zhǎng)處的r₀值分別為r_0J＝16cm和r_0H＝23cm；選擇將上述參量分別代入(1)式中，其中λ＝λ_I、λ_J、λ_H，并確定望遠(yuǎn)鏡口徑D，得出I、J、H三個(gè)成像波段對(duì)應(yīng)的校正Zernike模式數(shù)N分別為N_I、N_J、N_H，且有N_I>N_J>N_H；

快速振鏡(2)、變形鏡(3)、短波紅外相機(jī)(7)、中紅外相機(jī)(8)、波前探測(cè)器(15)、液晶校正器(20)和可見相機(jī)(25)均與一臺(tái)計(jì)算機(jī)相連結(jié)；計(jì)算機(jī)中存有自適應(yīng)校正控制軟件，其作用是：首先對(duì)波前探測(cè)器(15)獲得的光學(xué)信號(hào)進(jìn)行處理，將波前畸變表達(dá)為不同權(quán)重的Zernike模式函數(shù)多項(xiàng)式；然后將其中前2項(xiàng)Zernike模式函數(shù)多項(xiàng)式?jīng)Q定的波前整體傾斜數(shù)據(jù)反饋給快速振鏡(2)以消除光束的傾斜抖動(dòng)，將3～N_J項(xiàng)低階Zernike模式函數(shù)多項(xiàng)式?jīng)Q定的波前數(shù)據(jù)反饋給變形鏡(3)，使波前的低階畸變成分得到校正，將剩余N_J+1～N_I項(xiàng)高階Zernike模式函數(shù)多項(xiàng)式?jīng)Q定的波前數(shù)據(jù)反饋給液晶校正器(20)，使波前的高階畸變成分得到校正；此時(shí)短波紅外相機(jī)(7)、中紅外相機(jī)(8)和可見相機(jī)(25)所拍攝的像為自適應(yīng)光學(xué)校正后的高分辨圖像，計(jì)算機(jī)給出所拍攝像的顯示。