[发明专利]快速向列液晶自适应光学系统

说明书

技术领域

本发明属于自适应光学领域，涉及利用计算机将液晶自适应系统的波前校正速度发挥到最大，具体地说是一种快速向列液晶自适应光学系统。

背景技术

随着天文成像、光通讯及遥感探测等的迅速发展，大气湍流对光传输的干扰越来越引起人们的重视，因此，有必要研制光波前自适应校正系统。光波前自适应校正系统的功能是对入射光的畸变波面进行实时补偿校正，得到理想的光学传输。

液晶器件采用微电子制备技术，百万象素的液晶校正器制备工艺是目前已经成熟的工艺，制备成本低，波面校正精度高，因此基于液晶校正器的自适应系统具有很大的应用潜力。

但目前适用于波前校正的向列液晶的电场响应时间约为15-30毫秒，自适应光学系统中其它元件的延迟时间总和为十几毫秒，这使得向列液晶自适应光学系统的工作频率只能在30Hz以下。而使用波前校正系统的空间观测必须克服大气层40Hz以上湍流对光波面的影响，因此提高液晶校正器的速度，使其电场响应时间缩短到数毫秒，意义极其重大。

1990年7月公开了Jan Grinberg等人1989年5月11日申请的美国专利4943709“Liquid crystal adaptive optics system”，该专利的第9项权利提出用多个液晶校正器叠加在一起来校正畸变波前，这使得每个校正器中液晶层的厚度远小于单独使用一个校正器条件下的液晶层厚度，液晶层厚度减小会使响应时间缩短。但这种方法会遇到几个问题，一是光利用率会有所降低；二是要受限于使用透射式液晶校正器，这样就不能发挥硅基板液晶校正器高象素密度的优势；三是各个校正器间象素的严格对准成为工艺上的困难问题。2002年美国应用技术协会与空军实验室报道了采用双频液晶材料做成91象元的液晶自适应系统，闭环频率达到40Hz，校正量1.8微米，在700-950nm近红外波段、望远镜1.12米的通光口径上对400公里轨道上的国际空间站进行了自适应观测，获得了国际空间站太阳能帆板图像(Optics Express，Vol.10，No.25，(2002)1508～1519)。2005年这一研究组又在SPIE国际会议上报道了通过改进界面电子学技术使双频液晶自适应系统闭环频率达到70Hz(Proceedings of SPIE，Vol.5894，(2005)58940M-1～58940M-6)。但双频液晶的驱动电压较高，超过集成电路所能承受的负荷，所以驱动不能使用集成电路模块，液晶校正器的象素密度大大降低，此系统只有91象素，失去了液晶高象素密度的优势。

液晶的驱动稳定性极好，因为是分子的旋转运动进行位相补偿，而不象常规变形镜自适应系统那样依靠反射镜面的曲率变形、一种机械运动进行位相补偿，所以液晶没有机械运动中在平衡点的阻尼振荡，而且正相反，驱动电压越高，液晶的响应速度越快。由于液晶这种驱动稳定特性，可将液晶校正器的自适应系统做成开环系统。通常自适应系统均为闭环系统，闭环与开环的不同是在光路上光束先通过校正器然后再通过探测器，即先校正波面然后再探测波面，探得的波面残差反馈给校正器，校正器在上一回校正的基础上进行修正，这样当闭环频率大于外界大气湍流干扰频率时，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，经过一段时间校正器的校正量就会保持在一个较小的平衡量上。闭环自适应很适合变形镜这类校正器，校正量减小会使变形镜校正器很快到达驱动平衡点。开环自适应是先探测波面后校正，因此每一周期都是重新开始，校正器所变动的位相量较大，驱动电压也高，而这正符合液晶校正器的电场响应特点，可以响应速度快、又不失稳定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速向列液晶波前校正自适应光学系统。

本发明旨在不降低液晶高象素密度优势的条件下，提高液晶自适应系统的校正速度。自适应光学中最关键的技术就是缩短从探测到校正完成的时间，这个时间决定自适应系统所能克服的最大干扰频率，因此本发明针对这一点提出一种快速向列液晶波前校正自适应光学系统设计。

本发明的核心技术是采用开环向列液晶自适应系统，将波前校正做成脉冲式过程，即在10～15毫秒的短时间内按顺序完成如下步骤：a)波面探测-波面解析-驱动液晶校正器校正波面-CCD曝光摄像；b)在15～20毫秒内进行去除液晶校正器上的电压使液晶回归为初始状态，同时CCD进行曝光后的数据处理与成像显示，此过程CCD不摄像。这样往复a)、b)过程，向列液晶波前校正开环自适应光学系统可以相当于65～100Hz闭环自适应系统的效果，并得到每秒28～40张瞬态摄像，给出较连续的动态观测。