[发明专利]光束折叠式液晶自适应光学系统的设计方法

说明书

技术领域

本发明属于自适应光学领域，是一种光束折叠式、紧凑型液晶自适应光学成像系统的设计方法。涉及抛物面镜、反射镜、分色镜、PBS分束器等光学元件与自适应光学系统中的关键元件液晶波前校正器、哈特曼波前探测器、快速振镜的组合结构，具体地说是一种装备于大口径地基望远镜的光束折叠式光学结构的液晶自适应光学成像系统的设计方法。

背景技术

液晶自适应光学系统可以对大气引起的光学波前畸变进行实时补偿校正、恢复望远镜的高分辨率成像，因此在大口径地基望远镜中具有重要应用。但是，随着望远镜口径的增加，液晶自适应光学系统中的光学元件尺寸也相应增大，如果仍然采用简单的透射式结构则系统体积会显著增加。这些变化不仅增加了透射式光学元件的加工难度和系统制备后期的装调难度，对液晶自适应光学系统的运行条件也提出了更高要求。因此，本发明针对上述问题，提出采用反射式光学元件对光束进行折叠，大幅缩小系统结构。由于采用了哈特曼探测器与液晶校正器为前馈控制的自适应光路，在对液晶校正器响应信号测量时必须切换为反馈控制，这种变动容易造成自适应系统中间光路的对准错位，本发明很好地避免了这个问题。

液晶校正器响应矩阵的获得方法参见中国发明专利(ZL200610173382.3)，“无偏振光能量损失的液晶自适应光学系统”。

发明内容

本发明的目的是提供一种光束折叠式紧凑型液晶自适应光学成像系统的设计方法。

本发明的内容是在图1所示的主光学系统中引入多个离轴抛物面镜(2、6、13、14)和反射镜(1、3、7、12)来代替一般透射系统中的透镜，从而使光束折叠，缩小系统体积；并通过将第四离轴抛物面镜13移出光路、第五反射镜18插入光路、以及与点光源氙灯19的光学组合，如图2所示，实现自适应成像光路与系统中快速振镜4和液晶校正器10的响应信号测量光路间的切换，切换前后两个校正器与哈特曼波前探测器17的光路对准精度没有影响。

为了更好地理解本发明，下面详述本发明的光路设计思想。

光路布局如图1所示，1为第一反射镜、2为第一离轴抛物面镜、3为第二反射镜、4为快速振镜、5为分色镜、6为第二离轴抛物面镜、7为第三反射镜、8为第一透镜、9为PBS偏振分束器、10为液晶校正器、11为第四反射镜、12为第三离轴抛物面镜、13为第四离轴抛物面镜、14为成像CCD相机、15为第二透镜、16为第三透镜、17为哈特曼波前探测器、20为本发明系统连接的望远镜焦点。

望远镜接收的目标光出射在望远镜焦面处聚焦为点20，令聚焦点20同时位于第一抛物面镜2的焦点处；而鉴于第一抛物面镜2的焦距较长使用第一反射镜1折叠光路然后入射到第一抛物面镜2上；由于是焦点发出的光束，故第一抛物面镜2反射出的光束变为平行光束，并由第二反射镜3再次折叠光路后到达与光轴成45^o放置的快速振镜4上，快速振镜4用于校正大气干扰引入的波前倾斜；被校正倾斜的光束可以无抖动地到达短波通分色镜5，分色镜5的作用是使望远镜接收的光能量按照波段分为两束，其中短波波段的光束透射、长波波段的光束90°折轴反射，形成互为垂直的长波光束和短波光束；透过的短波光束最终进入哈特曼波前探测器17，以探测消除倾斜后的光波前的高阶畸变，这段光路称为波前探测支路；90°折轴反射的长波光束经液晶校正器10校正哈特曼波前探测器17获得的波前高阶畸变、最终进入CCD相机14成像，这段光路称为校正成像支路。

在波前探测支路，光路较短，通过共焦面的第二透镜15、第三透镜16进行缩束、形成直径与哈特曼波前探测器17的接收口径相同的平行光束而全部进入其中即可；哈特曼波前探测器17的作用是探测快速振镜4校正了波前倾斜后的剩余光波前畸变，因此必须使快速振镜4与哈特曼波前探测器17共轭，即快速振镜4到第二透镜15的光路长度为第二透镜15的焦距，第三透镜16到哈特曼波前探测器17的距离为第三透镜16的焦距。