快速向列液晶自適應光學系統的製作方法

2023-05-27 01:16:11

專利名稱：快速向列液晶自適應光學系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於自適應光學領域，涉及利用計算機將液晶自適應系統的波前校正速度發揮到最大，具體地說是一種快速向列液晶自適應光學系統。

背景技術：
隨著天文成像、光通訊及遙感探測等的迅速發展，大氣湍流對光傳輸的幹擾越來越引起人們的重視，因此，有必要研製光波前自適應校正系統。光波前自適應校正系統的功能是對入射光的畸變波面進行實時補償校正，得到理想的光學傳輸。
液晶器件採用微電子製備技術，百萬象素的液晶校正器製備工藝是目前已經成熟的工藝，製備成本低，波面校正精度高，因此基於液晶校正器的自適應系統具有很大的應用潛力。
但目前適用于波前校正的向列液晶的電場響應時間約為15-30毫秒，自適應光學系統中其它元件的延遲時間總和為十幾毫秒，這使得向列液晶自適應光學系統的工作頻率只能在30Hz以下。而使用波前校正系統的空間觀測必須克服大氣層40Hz以上湍流對光波面的影響，因此提高液晶校正器的速度，使其電場響應時間縮短到數毫秒，意義極其重大。
1990年7月公開了Jan Grinberg等人1989年5月11日申請的美國專利4943709「Liquid crystal adaptive optics system」，該專利的第9項權利提出用多個液晶校正器疊加在一起來校正畸變波前，這使得每個校正器中液晶層的厚度遠小於單獨使用一個校正器條件下的液晶層厚度，液晶層厚度減小會使響應時間縮短。但這種方法會遇到幾個問題，一是光利用率會有所降低；二是要受限於使用透射式液晶校正器，這樣就不能發揮矽基板液晶校正器高象素密度的優勢；三是各個校正器間象素的嚴格對準成為工藝上的困難問題。2002年美國應用技術協會與空軍實驗室報導了採用雙頻液晶材料做成91象元的液晶自適應系統，閉環頻率達到40Hz，校正量1.8微米，在700-950nm近紅外波段、望遠鏡1.12米的通光口徑上對400公裡軌道上的國際空間站進行了自適應觀測，獲得了國際空間站太陽能帆板圖像(Optics Express，Vol.10，No.25，(2002)1508～1519)。2005年這一研究組又在SPIE國際會議上報導了通過改進界面電子學技術使雙頻液晶自適應系統閉環頻率達到70Hz(Proceedings of SPIE，Vol.5894，(2005)58940M-1～58940M-6)。但雙頻液晶的驅動電壓較高，超過集成電路所能承受的負荷，所以驅動不能使用集成電路模塊，液晶校正器的象素密度大大降低，此系統只有91象素，失去了液晶高象素密度的優勢。
液晶的驅動穩定性極好，因為是分子的旋轉運動進行位相補償，而不象常規變形鏡自適應系統那樣依靠反射鏡面的曲率變形、一種機械運動進行位相補償，所以液晶沒有機械運動中在平衡點的阻尼振蕩，而且正相反，驅動電壓越高，液晶的響應速度越快。由於液晶這種驅動穩定特性，可將液晶校正器的自適應系統做成開環系統。通常自適應系統均為閉環系統，閉環與開環的不同是在光路上光束先通過校正器然後再通過探測器，即先校正波面然後再探測波面，探得的波面殘差反饋給校正器，校正器在上一回校正的基礎上進行修正，這樣當閉環頻率大於外界大氣湍流幹擾頻率時，校正器在第二周期所校正的位相量就要比第一周期中校正的位相量小得多，經過一段時間校正器的校正量就會保持在一個較小的平衡量上。閉環自適應很適合變形鏡這類校正器，校正量減小會使變形鏡校正器很快到達驅動平衡點。開環自適應是先探測波面後校正，因此每一周期都是重新開始，校正器所變動的位相量較大，驅動電壓也高，而這正符合液晶校正器的電場響應特點，可以響應速度快、又不失穩定性。


發明內容
本發明的目的是提供一種快速向列液晶波前校正自適應光學系統。
本發明旨在不降低液晶高象素密度優勢的條件下，提高液晶自適應系統的校正速度。自適應光學中最關鍵的技術就是縮短從探測到校正完成的時間，這個時間決定自適應系統所能克服的最大幹擾頻率，因此本發明針對這一點提出一種快速向列液晶波前校正自適應光學系統設計。
本發明的核心技術是採用開環向列液晶自適應系統，將波前校正做成脈衝式過程，即在10～15毫秒的短時間內按順序完成如下步驟a)波面探測-波面解析-驅動液晶校正器校正波面-CCD曝光攝像；b)在15～20毫秒內進行去除液晶校正器上的電壓使液晶回歸為初始狀態，同時CCD進行曝光後的數據處理與成像顯示，此過程CCD不攝像。這樣往復a)、b)過程，向列液晶波前校正開環自適應光學系統可以相當於65～100Hz閉環自適應系統的效果，並得到每秒28～40張瞬態攝像，給出較連續的動態觀測。
本發明由準單色平行光源1、PBS分束鏡2、第一透鏡3、第二透鏡4、波前探測器5、第三透鏡6、第四透鏡7、矽基板上的液晶(LCOS)屏8、反射鏡9、第五透鏡10、第六透鏡11、CCD相機12和計算機13構成，其中PBS分束鏡是能將自然光中的P偏振分量和S偏振分量分開的分束器。第一透鏡3與第二透鏡4安裝在PBS分束鏡2和波前探測器5之間，第三透鏡6與第四透鏡7安裝在PBS分束鏡2和LCOS屏8之間。在第三透鏡6和第四透鏡7之間、第四透鏡7的反射光路焦點處放置反射鏡9。在反射鏡9和CCD相機12之間，依次安裝有第五透鏡10和第六透鏡11。波前探測器5、LCOS屏8、CCD相機12均與計算機13相連。
本發明的結構如圖1所示光源1的準單色平行光，在到達PBS分束鏡2時分成P和S兩束光，其中透過光為P光，進入第一透鏡3、第二透鏡4成為口徑與波前探測器5匹配的平行光，然後進入波前探測器5中；另一束在PBS分束鏡2上反射的光為S光，具有很好的偏振性，進入第三透鏡6與第四透鏡7變成口徑與LCOS屏8匹配的平行光，然後以1～2°入射角進入LCOS屏8，從LCOS屏8反射回來的光再通過第四透鏡7與入射光束分離聚焦在反射鏡9上，再通過第五透鏡10、第六透鏡11形成匯聚光到達CCD相機12成像。與波前探測器5、LCOS屏8、CCD相機12相連結的計算機13，首先對波前探測器5獲得的微透鏡光點列陣進行擬合，給出波面函數和數值解，並轉換為LCOS屏8上的灰度級分布，其中灰度級對應驅動電壓值；然後驅動LCOS屏8；當LCOS屏8完成波面校正時計算機13還要驅動CCD相機12立即曝光攝像，然後去除LCOS屏8上的電壓，保持15ms～20ms使液晶回歸為初始狀態，並在此期間令CCD相機12不攝像，對CCD相機12進行時鐘控制；最後計算機13顯示出CCD相機12所拍攝的像。到此完成一個工作周期，之後周而復始。
為了更清楚理解本發明，下面詳述本發明系統中各元件的作用與特性參數。
所述的準單色平行光源1，其中心波長位於450-900nm光譜範圍內，光譜寬度為50-100nm，這是因為液晶校正器適合於較短波長的校正，但又有較強的色散，波長越短色散越強，所以只能在一個較窄的光譜範圍內進行中心波長校正。
所述的PBS分束鏡2為偏振分光鏡，反射光S的消光比小於1×10-3。
所述的第一透鏡3與第二透鏡4配合，將透過光P的光束縮束為與波前探測器5口徑相同的平行光。第一透鏡3與第二透鏡4引入的波前畸變不會進入校正器中，但被波前探測器5探測到，將造成校正器誤校，所以限制其畸變的最大峰谷(PV)值小於二十分之一波長。
所述的波前探測器5一般使用Hartmann微透鏡陣列探測器，用來探測波前畸變，探測的均方根誤差rms值應小於百分之一波長，波面PV值的探測誤差小於二十分之一波長，探測頻率不低於500Hz。
所述的第三透鏡6與第四透鏡7配合實現合適的縮束比，使反射光S光束形成直徑與LCOS屏8口徑相等的平行光進入LCOS屏8；第四透鏡7焦距為20～30mm，保證有足夠的空間放置反射鏡9，以引入成像光路。
所述的LCOS屏8為純位相液晶波前校正器，位相調製深度是光源中心波長的1.1～1.2倍，液晶對驅動電壓的響應時間ton＜Sms，去除電壓時液晶恢復初始態的時間toff＜20ms，像素數符合應用要求的解析度。
所述的反射鏡9位於第四透鏡7的反射光路焦點處，引入成像光路。
所述的第五透鏡10、第六透鏡11焦距相同，使成像光束聚焦到達CCD相機12。
所述的CCD相機12為高靈敏度、低噪聲電子倍增型EMCCD相機，給出波面校正後的清晰圖像，其信噪比要符合具體應用要求，曝光時間不超過2ms。
所述的計算機13數據處理量很大，需配置DSP集成模塊，使數據處理佔用的時間不超過2ms。
本發明可以校正100Hz的湍流。



圖1是本發明的結構示意圖。圖中1為準單色平行光源，2為PBS分束鏡，3第一透鏡，4第二透鏡，5波前探測器，6第三透鏡，7第四透鏡，8為LCOS屏，9反射鏡，10第五透鏡，11第六透鏡，12為CCD相機，13為計算機。
圖2是本發明中測量擬合波前用的響應矩陣D的結構示意圖。

具體實施例方式 1)選擇準單色平行光源1的中心波長λ為633nm，光譜寬度60nm。
2)PBS分束鏡2的尺寸長×寬×高為25mm×25mm×25mm，其中反射光S的消光比小於1×10-3。
3)第一透鏡3、第二透鏡4、第三透鏡6、第四透鏡7、第五透鏡10和第六透鏡11的口徑依次為20mm、10mm、30mm、20mm、20mm和20mm，焦距依次為300mm、60mm、210mm、200mm、200mm和200mm，因為允許成像光束有60nm的光譜寬度，故這些透鏡均為消色差透鏡，且第一透鏡3、第二透鏡4各自引入的波前畸變PV值小於λ/20。
4)委託俄國莫斯科州立大學裝配哈特曼波前探測器5，子孔鏡陣列為14×14，探測的均方根誤差rms值小於λ/100，波面PV值的探測誤差小於λ/20，探測頻率500Hz，量子效率峰值在500nm到600nm波長處，高達90％。
5)委託美國BNS公司加工了LCOS屏8，在電場中的上升響應時間為5ms，下降時間為7ms，反射率61.5％，像素麵積19μm×19μm，象素數512×512，256灰度級，位相調製深度為800nm。
6)反射鏡9的表面平整度PV小於λ/20，反射率大於95％。
7)CCD相機12是美國ANDOR公司的產品，型號為DV897，像素數512×512，像素麵積16μm×16μm，量子效率在500～650nm波段達到峰值，高達90％，讀出噪聲在讀出速率10MHz時為1～62個電子。
8)計算機13的基本配置CPU1.8G，內存256M，硬碟40G，法國VP3型DSP板卡，含有8塊TMS320C64的DSP晶片。
9)按照圖2搭建光學系統，以建立擬合波前用的響應矩陣D。開啟準單色平行光源1，開啟計算機13；根據任意波面Φ(x，y)都可以用Zernike多項式的線性組表示的原理，Φ(x，y)寫成為 此處k對應Zernike項數，ak為每一項前面的係數，通常選M＝36，因為第一項為常數在波面擬合中不起作用，故選擇k＝2、3、...、36，即採用35項Zernike多項式。令每一項前面的係數為1，以波長為單位，分別解出35項Zernike項的面形位相數值解。利用事先在LCOS屏8上測好的位相-灰度級關係，將35項Zk(x，y)的面形位相數值轉換成LCOS屏8上的灰度級分布值。將35項Zernike項的面形灰度級分布通過計算機13逐項施加在LCOS屏8上，在哈特曼面陣探測器5上測量出每個子孔徑上像點與標定位置的偏移量，由計算機13換算出子孔徑光束在x軸和y軸上的斜率。由這一系列波前斜率組成一個2k行m列響應矩陣D
此處k對應Zernike項數，k＝2、3、...、36，m對應哈特曼面陣探測器上每一行或每一列的子孔徑數m＝1、3、...、14。到此得到了響應矩陣D，並被自動存入計算機13。後面對於自適應系統哈特曼探測器探測到的任意波面的2行m列波前斜率矩陣s，都有s＝Da，a是Zernike多項式每一項前面的係數ak構成的向量，由這個等式計算機13可以解出ak，即可得到所探測波面的Zernike方程。然後計算機13算出波面的位相數值解，並根據波面校正器LCOS屏8的位相與灰度級的關係將位相數值解轉換為灰度級分布反饋給自適應系統LCOS屏8，就可使畸變波面得到校正。
10)按照圖1搭建快速向列液晶開環自適應系統，在準單色平行光源1和PBS分束鏡2之間、光束之下放置25W烙鐵作為熱擾源。
11)開啟熱擾源，使準單色平行光1受到大氣湍流幹擾，自適應系統開始工作a)畸變波前經過PBS分束鏡2分成P光和S光；b)P光經過第一、第二透鏡3、4準直和口徑匹配後進入波前探測器5，波前探測器5給出2行m列波前斜率矩陣s；c)計算機13在2ms內，根據s＝Da，解出Zernike多項式每一項前面的係數ak，然後由Zernike方程解出波面數值解，並將其轉換為波面校正器LCOS屏8上的灰度級分布值；d)驅動LCOS屏8校正波面的畸變，LCOS屏8的電場響應時間為5ms；e)PBS分束鏡2分出的S光經過第三、第四透鏡6、7準直和口徑匹配後入射到LCOS屏8上，且入射S光與LCOS屏8的基板法線夾1.5°的角度，從LCOS屏8反射的S光是校正後沒有畸變的平行光；f)從LCOS屏8反射的S光再通過第四透鏡7與入射光束分離，聚焦在反射鏡9上，然後通過第五透鏡10、第六透鏡11形成星點像到達CCD相機12；g)CCD相機12的曝光時刻由計算機13的時鐘程序控制，當LCOS屏8完成波面校正時計算機13驅動CCD相機12立即曝光攝像，然後計算機13去除LCOS屏8上的電壓，保持15ms使液晶回歸為初始狀態，並在此期間令CCD相機12不攝像；h)計算機13顯示出CCD相機12所拍攝的像。到此完成一個工作周期，之後周而復始重複a)到h)步驟。
上述自適應系統可以校正100Hz的湍流。
檢驗上述自適應系統的校正效果自適應校正之前計算機13顯示出的星點像是亮度較低、形狀不規則的大尺寸弱光斑；而自適應校正之後所成的像是尺寸很小的園亮斑，說明校正效果良好。
權利要求
1.一種快速向列液晶自適應光學系統，其特徵是由PBS分束鏡(2)、第一透鏡(3)、第二透鏡(4)、波前探測器(5)、第三透鏡(6)、第四透鏡(7)、LCOS屏(8)、反射鏡(9)、第五透鏡(10)、第六透鏡(11)、CCD相機(12)和計算機(13)構成；第一透鏡(3)與第二透鏡(4)安裝在PBS分束鏡(2)和波前探測器(5)之間，第三透鏡(6)與第四透鏡(7)安裝在PBS分束鏡(2)和LCOS屏(8)之間，在第三透鏡(6)和第四透鏡(7)之間、第四透鏡(7)的反射光路焦點處放置反射鏡(9)，在反射鏡(9)和CCD相機(12)之間，依次安裝有第五透鏡(10)和第六透鏡(11)；波前探測器(5)、LCOS屏(8)、CCD相機(12)均與計算機(13)相連；準單色平行光(1)在到達PBS分束鏡(2)時分成P和S兩束光，其中透過的P光通過第一透鏡(3)、第二透鏡(4)後進入波前探測器5中；反射的S光通過第三透鏡(6)與第四透鏡(7)後，以1～2°入射角進入LCOS屏(8)，從LCOS屏(8)反射回來的光再通過第四透鏡(7)與入射光束分離後通過反射鏡(9)，經第五透鏡(10)、第六透鏡(11)形成匯聚光到達CCD相機(12)成像。
2.根據權利要求1所述的快速向列液晶自適應光學系統，其特徵是計算機(13)首先對波前探測器(5)獲得的微透鏡光點列陣進行擬合，給出波面函數和數值解，並轉換為LCOS屏(8)上的灰度級分布，其中灰度級對應驅動電壓值；然後驅動LCOS屏(8)；當LCOS屏(8)完成波面校正時計算機(13)還要驅動CCD相機(12)立即曝光攝像，然後去除LCOS屏(8)上的電壓，保持15ms～20ms使液晶回歸為初始狀態，並在此期間令CCD相機(12)不攝像，對CCD相機(12)進行時鐘控制；最後計算機(13)顯示出CCD相機(12)所拍攝的像。
3.根據權利要求2所述的快速向列液晶自適應光學系統，其特徵是
所述的PBS分束鏡(2)為偏振分光鏡，反射光S的消光比小於1×10-3；
所述的第一透鏡(3)與第二透鏡(4)配合，將透過的P光束縮束為與波前探測器(5)口徑相同的平行光，其畸變的最大峰谷即PV值小於二十分之一波長；
所述的波前探測器(5)為Hartmann微透鏡陣列探測器，探測的均方根誤差rms值小於百分之一波長，波面的PV值的探測誤差小於二十分之一波長，探測頻率不低於500Hz；
所述的第三透鏡(6)與第四透鏡(7)配合實現合適的縮束比，使反射的S光束形成直徑與LCOS屏(8)口徑相等的平行光進入LCOS屏(8)；第四透鏡(7)焦距為20～30mm，保證有足夠的空間放置反射鏡(9)，以引入成像光路；
所述的LCOS屏(8)為純位相液晶波前校正器，位相調製深度是光源中心波長的1.1～1.2倍，液晶對驅動電壓的響應時間ton＜5ms，去除電壓時液晶恢復初始態的時間toff＜20ms，像素數符合應用要求的解析度；
所述的反射鏡(9)位於第四透鏡(7)的反射光路焦點處，引入成像光路；
所述的第五透鏡(10)、第六透鏡(11)焦距相同，使成像光束聚焦後到達CCD相機(12)；
所述的CCD相機(12)為高靈敏度、低噪聲電子倍增型EMCCD相機，其信噪比要符合具體應用要求，曝光時間不超過2ms；
所述的計算機(13)配置DSP集成模塊，使數據處理佔用的時間不超過2ms。
4.根據權利要求3所述的快速向列液晶自適應光學系統，其特徵是
PBS分束鏡(2)的尺寸長×寬×高為25mm×25mm×25mm；
第一透鏡(3)、第二透鏡(4)、第三透鏡(6)、第四透鏡(7)、第五透鏡(10)和第六透鏡(11)的口徑依次為20mm、10mm、30mm、20mm、20mm和20mm，焦距依次為300mm、60mm、210mm、200mm、200mm和200mm，均為消色差透鏡，且第一透鏡(3)、第二透鏡(4)各自引入的波前畸變的PV值小於λ/20；
哈特曼波前探測器(5)探測的均方根誤差rms值小於λ/100，波面的PV值的探測誤差小於λ/20，探測頻率500Hz，量子效率峰值高達90％；
LCOS屏(8)在電場中的上升響應時間為5ms，下降時間為7ms，位相調製深度為800nm；
反射鏡(9)表面平整度的PV小於λ/20，反射率大於95％；
CCD相機(12)的量子效率峰值高達90％，讀出噪聲在讀出速率10MHz時為1～62個電子；
計算機(13)的基本配置CPU1.8G，內存256M，硬碟40G，法國VP3型DSP板卡，含有8塊TMS320C64的DSP晶片。
5.根據權利要求4所述的快速向列液晶自適應光學系統，其特徵是在計算機(13)內建立擬合波前用的響應矩陣D；所述的響應矩陣D通過下述方法得到
根據任意波面Φ(x，y)都可以用Zernike多項式的線性組表示的原理，Φ(x，y)寫成為
此處k對應Zernike項數，ak為每一項前面的係數，選擇k＝2、3、...、36，即採用35項Zernike多項式；令每一項前面的係數為1，以波長為單位，分別解出35項Zernike項的面形位相數值解；利用事先在LCOS屏(8)上測好的位相-灰度級關係，將35項Zk(x，y)的面形位相數值轉換成LCOS屏(8)上的灰度級分布值；將35項Zernike項的面形灰度級分布通過計算機(13)逐項施加在LCOS屏(8)上，在哈特曼面陣探測器(5)上測量出每個子孔徑上像點與標定位置的偏移量，由計算機(13)換算出子孔徑光束在x軸和y軸上的斜率；由這一系列波前斜率組成一個2k行m列響應矩陣D
此處k對應Zernike項數，k＝2、3、...、36，m對應哈特曼面陣探測器上每一行或每一列的子孔徑數m＝1、3、...、14；到此得到了響應矩陣D，並被自動存入計算機13。
6.根據權利要求5所述的快速向列液晶自適應光學系統，其特徵是對於自適應系統哈特曼探測器探測到的任意波面的2行m列波前斜率矩陣s，都有s＝Da，a是Zernike多項式每一項前面的係數ak構成的向量，由這個等式計算機(13)可以解出ak，即可得到所探測波面的Zernike方程；然後計算機(13)算出波面的位相數值解，並根據波面校正器LCOS屏(8)的位相與灰度級的關係將位相數值解轉換為灰度級分布反饋給自適應系統LCOS屏(8)，就可使畸變波面得到校正。
全文摘要
本發明屬於自適應光學領域，是一種快速向列液晶自適應光學系統。由PBS分束鏡、第一透鏡、第二透鏡、波前探測器、第三透鏡、第四透鏡、LCOS屏、反射鏡、第五透鏡、第六透鏡、CCD相機和計算機構成，其中PBS分束鏡是能將自然光中的P偏振分量和S偏振分量分開的分束器。第一透鏡與第二透鏡安裝在PBS分束鏡和波前探測器之間，第三透鏡與第四透鏡安裝在PBS分束鏡和LCOS屏之間。在第三透鏡和第四透鏡之間、第四透鏡的反射光路焦點處放置反射鏡。在反射鏡和CCD相機之間，依次安裝有第五透鏡和第六透鏡。波前探測器、LCOS屏、CCD相機均與計算機13相連。
文檔編號G02B26/06GK101178477SQ200610063698
公開日2008年5月14日 申請日期2006年12月29日 優先權日2006年12月29日
發明者麗 宣, 胡立發, 李大禹, 曹召良, 穆全全, 彭增輝, 劉永剛, 魯興海 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所