[發明專利]快速全局解耦的液晶變形鏡自適應光學系統波前控制方法

有效

• 申請號: 202110727187.5
• 申請日: 2021-06-29
• 公開（公告）號: CN113360842B
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發明（設計）人: 王玉坤;張杏云;穆全全;李大禹;宣麗
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: G06F17/16
• 分類號: G06F17/16;G06F17/18;G02B26/08;G02F1/13
• 代理公司: 長春眾邦菁華知識產權代理有限公司 22214
• 代理人: 周蕾

本發明涉及一種快速全局解耦的液晶變形鏡自適應光學系統波前控制算法，所述控制方法通過全局解耦控制矩陣同時計算LC和DM的命令向量；所述全局解耦控制矩陣是由本征模正交基和約束矩陣構成；所述本征模正交基是從DM的響應矩陣中得出的，用于選擇性地將大行程低階像差分配給DM，將剩余像差分配給LC；所述約束矩陣是從LC響應矩陣投影到DM本征模正交基基礎上得出的，用于約束LC生成與DM的交叉耦合面型。該算法可以獲取每個校正器的控制向量并同時抑制交叉耦合誤差。數值仿真和實驗結果均表明，該算法對LC?DM AO系統是有效和實用的。與傳統的Zernike分解算法相比，該算法可以實現動態波前校正。

技術領域

本發明涉及一種控制方法，具體涉及一種快速全局解耦的液晶變形鏡自適應光學系統波前控制方法。

背景技術

自適應光學(AO)是一種補償波前像差的有效技術，已廣泛用于基于地面的大口徑望遠鏡，例如超大望遠鏡(VLT)，Gemini，Kect和Subaru等。但是，由于變形鏡(DM)的執行器數量有限，幾乎所有的大口徑望遠鏡都在紅外波段工作。由于波長越短，望遠鏡的衍射極限分辨率越高，并且高靈敏度成像相機在可見波段也是最成熟的，因此在天文和空間目標觀測領域針對可見波段的AO系統的實現，將帶來更多的突破。所以需要AO系統來同時補償可見光波段中的大行程和高空間頻率像差。對于單個DM，不能同時獲得較大的行程和較高的空間頻率，這是由于受到制造技術的限制。因此，具有兩個DM的高低階(W-T)AO系統是實現此目標的有效方法。最著名的是5.1m Hale望遠鏡上的PAL M-3000 AO系統，其中包含兩個分別帶有241和3388個驅動器的DM。盡管該AO系統可以補償可見波段的像差，但它非常昂貴且難以實現。此外，超過5.1m的孔徑無法在可見波段工作，因為沒有關于PALM-3000 AO系統中DM執行器數量大于3388的DM執行器的后續應用報告。

與雙DMs AO系統不同，液晶(LC)波前校正器被用作高階校正器以構建LC和DM級聯AO系統。LC具有空間頻率高，制造容易和成本低的優點，但是由于在紅外和色散波段響應慢，因此只能工作于可見光波段，具有工作頻帶窄的缺點。DM的優點是工作波段寬，響應速度快，但存在空間頻率低，制作困難，成本高的缺點。LC和DM的優缺點是相輔相成的。因此，LC適合于補償可見波段中的小行程高空間頻率像差，并且DM可以補償整個波段中的大行程低空間頻率像差。對于大口徑望遠鏡來說，將成像波段擴展到可見光是一種有效的解決方案。由于通過W-T AO系統校正的像差是從單個波前傳感器(WFS)進行測量的，因此控制算法對于分配像差和抑制兩個校正器之間的交叉耦合至關重要。否則，交叉耦合會嚴重浪費校正器的行程，甚至會使系統不穩定。已經研究了許多用于雙DM AO系統的控制算法，例如雙步控制算法，區域控制算法和模態控制算法。雙步控制算法使兩個校正器按順序工作，可以避免交叉耦合誤差的累積，但是不能用于波前像差快速變化的領域。對于區域控制算法，例如拉格朗日乘數阻尼最小二乘算法，交叉耦合誤差無法準確描述，而是在長時間校正過程中累積的。對于模態控制，例如Zernike模式，Fourier模式，小波模式等，由于Zernike模式與波前像差相對應，因此Zernike模式是最常用和最有用的方法?？梢灾亟úㄇ安⑵浞峙浣o兩個校正器，并且具有Zernike模式理論的約束矩陣將重置高階校正器的控制信號，與區域控制算法相比，可以更好地抑制交叉耦合。