[发明专利]开环液晶自适应光学系统比例微分控制方法

说明书

本发明属于自适应光学领域，是开环液晶自适应光学系统的比例微分控制方法。本发明中施加给液晶波前校正器的Zernike模式系数向量为探测得到待校正波前Zernike模式系数向量与待校正波前Zernike模式系数向量的微分变化量的线性组合，组合系数分别为比例系数和微分系数，比例部分对波前的低频成分产生抑制作用，微分部分对波前在系统延迟时间内的变化量进行微分预测，主要对波前的高频成分产生抑制作用，从而减小开环液晶自适应光学系统的校正残差，提高自适应校正成像的效果。分别测量了常规控制方法和比例微分控制方法下的系统‑3dB误差抑制带宽，比例微分控制方法使得开环液晶自适应光学系统的‑3dB误差抑制带宽从74.3Hz提高到了111.9Hz。

技术领域

本发明属于自适应光学领域，是一种开环液晶自适应光学系统的比例微分控制方法，涉及开环液晶自适应光学系统的波前超前预测，从而减小延迟校正误差，提高系统校正效果的控制方法。

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。

与望远镜对接的液晶自适应光学系统主要由一个哈特曼波前探测器和一个液晶波前校正器组成，哈特曼波前探测器负责对湍流畸变波前进行探测，液晶波前校正器负责校正波前畸变。基于光能量利用效率的考虑，液晶自适应光学系统中需要采用开环控制[Q.Q.Mu,Z.L.Cao,D.Y.Li,L.Hu,and L.Xuan,Open-loop correction of horizontalturbulence:system design and result,Appl Optics 47,4297-4301(2008).]，而不是像变形镜自适应光学系统中使用闭环控制。闭环控制中，波前探测器置于校正器之后，探测的直接是校正后的剩余残差，从而可以设计比例积分微分(PID)控制器来降低系统的校正残差；而在开环控制中，波前探测器直接探测外界干扰，无法得到系统的校正残差，很难设计出合适的控制器来降低系统校正残差，所以系统控制方法也是影响开环液晶自适应光学成像效果的一个重要因素。

哈特曼波前探测器的工作原理在【Francois Roddier,Adaptive optics inastronomy,Cambridge University Press,1999,Part 2,pp99】上有详述。哈特曼波前探测器是用微透镜阵列分割波面，分割后的子波面上只有倾斜畸变而不存在高阶畸变，因而用子波面光束聚焦点的位置测量该子波面的斜率；那么对应整体波面哈特曼波前探测器上则呈现光点阵图，计算光点阵中每个光斑质心在x轴和y轴上的偏移量，等于知道了各子波面的斜率，根据所有子波面的斜率数据和液晶波前校正器的响应矩阵[X.Y.Zhang,L.F.Hu,Z.L.Cao,Q.Q.Mu,D.Y.Li,and L.Xuan,Improve the accuracy of interaction matrixmeasurement for liquid-crystal adaptive optics systems,Optics Express 22,14221-14228(2014).]可以计算得到待校正波前Φ。待校正波前Φ可以用Zernike模式波面的线性组合形式表达：

其中I表示Zernike模式数目，Z_i为任意一项Zernike模式(函数形式参见【Francois Roddier,Adaptive optics in astronomy,Cambridge University Press,1999,Part 2,pp27】)，c_i是Z_i模式系数，i＝1,2,3……I。所以待校正波前Φ的计算就是解出Zernike模式系数向量C＝[c₁,c₂,c₃,…c_I]的过程。