[发明专利]改进的光束折叠式液晶自适应光学成像系统

摘要

本发明属于自适应光学领域，是一种装备于大口径望远镜的光束折叠式紧凑型液晶自适应光学系统。采用多个离轴抛物面镜和反射镜组合替换透镜元件，达到缩小系统体积的目的。为高效利用光能，采用两个液晶校正器分别校正P、S偏振光。由于哈特曼探测器与两个液晶校正器为开环控制，在响应矩阵测量时必须切换为闭环控制，通过移动第四离轴抛物面镜14、利用光学参数完全相同的第一、第二分色镜5和18以及第一、第二纸屏22、23的光学组合，实现开环到闭环的光路切换，如图1所示，完成快速振镜4、第一液晶校正器10和第二液晶校正器11的响应矩阵测量，且光路切换前后三个校正器与哈特曼波前探测器19的光轴传递精度不受影响。

主权项

一种改进的光束折叠式液晶自适应光学成像系统的设计方法，其特征是：主光学系统由第一反射镜(1)、第一离轴抛物面镜(2)、第二反射镜(3)、快速振镜(4)、第一分色镜(5)、第二离轴抛物面镜(6)、第三反射镜(7)、第一透镜(8)、PBS偏振分束器(9)、第一液晶校正器(10)、第二液晶校正器(11)、第四反射镜(12)、第三离轴抛物面镜(13)、第四离轴抛物面镜(14)、成像CCD相机(15)、第二透镜(16)、第三透镜(17)、第二分色镜(18)、哈特曼波前探测器(19)、工控机(20)组成；辅助元器件有点光源(21)、第一纸屏(22)、第二纸屏(23)；第一离轴抛物面镜(2)的前焦点与望远镜的出射焦点(24)重合；第一分色镜(5)和第二分色镜(18)为光学参数相同的短波通分色镜，第一分色镜(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，形成互为垂直的波前探测支路和校正成像支路，第二分色镜(18)的作用是使探测支路的短波波段光束透过进入哈特曼波前探测器(19)，另外还能在第四离轴抛物面镜(14)移出光路后，使通过两液晶校正器(10)、(11)的长波波段光束90°折轴反射进入哈特曼波前探测器(19)，实现开环到闭环控制光路的简单切换，而不影响从第一液晶校正器(10)、第二液晶校正器(11)到哈特曼波前探测器(19)的光轴传递精度；在波前探测支路，通过共焦面的第二透镜(16)和第三透镜(17)进行缩束、形成直径与哈特曼波前探测器(19)的接收口径相同的平行光束，该平行光束为短波光、能够透过第二分色镜(18)而全部进入哈特曼波前探测器(19)，快速振镜(4)到第二透镜(16)的光路长度为第二透镜(16)的焦距，第三透镜(17)到哈特曼波前探测器(19)的距离为第三透镜(17)的焦距；在校正成像支路，第二离轴抛物面镜(6)与第一透镜(8)共焦面；第三反射镜(7)的反射角度与第二离轴抛物面镜(6)的反射角度相同，使光束在到达第二离轴抛物面镜(6)前和从第三反射镜(7)出射后的光轴相互平行；第一透镜(8)的轴线相对第三反射镜(7)后的光束轴线上移一段距离，这段距离为第一透镜(8)焦距的0.035～0.052倍，使得通过第一透镜(8)的光束为偏心入射，然后产生2°～3°的倾斜出射，以这个入射角通过PBS偏振分束器(9)被分成透射P偏振光和反射S偏振光，分别在平行S偏振方向和P偏振方向设置第一液晶校正器(10)和第二液晶校正器(11)的e光光轴、即液晶取向方向；经两个校正器校正后的P、S偏振光束被反射回PBS偏振分束器(9)，出射后两光轴重合合束，且与入射光束的倾斜方向反向倾斜2°～3°再次偏心通过第一透镜(8)、并与入射光束分离、到达第四反射镜(12)，此处反射光路的光束完全与入射光路的光束分离；反射光路的光束被第四反射镜(12)、第三抛物面镜(13)折叠后，再次变为与哈特曼波前探测器(19)接收口径相同的平行光束入射到第四抛物面镜(14)上，经第四抛物面镜(14)汇聚于成像CCD相机(15)上；上述光路中的快速振镜(4)、哈特曼波前探测器(19)、第一液晶校正器(10)和第二液晶校正器(11)、成像CCD相机(15)均与工控机(20)相连，工控机(20)存有自适应控制软件；上述光路中的第四离轴抛物面镜(14)可以沿垂直方向上下移动，其中向上移动是为移出光路，向下移动是为进入光路；在自适应校正成像过程之前，需用哈特曼波前探测器(19)测量快速振镜(4)、第一液晶校正器(10)和第二液晶校正器(11)的响应矩阵，因此将点光源(21)放置在第一离轴抛物面镜(2)的前焦点处，同时将望远镜接收的光束截断使其不能进入系统光路；测量快速振镜(4)的响应矩阵，并将测得的响应信号按顺序排成响应矩阵存入工控机(20)的数据库中；然后分别测量第一液晶校正器(10)和第二液晶校正器(11)的响应信号：将第四离轴抛物面镜(14)从光路中移出，则使通过两液晶校正器(10)、(11)的长波波段光束经第二分色镜(18)90°折轴反射进入哈特曼波前探测器(19)中，在第二透镜(16)和第三透镜(17)之间插入第一纸屏(22)，截断被第一分色镜(5)透射的光束进入哈特曼波前探测器(19)，同时令快速振镜(4)只作为普通反射镜，用第二纸屏(23)插入PBS偏振分束器(9)和第二液晶校正器(11)之间，以截断通过第二液晶校正器(11)的光束，保证只有通过第一液晶校正器(10)的光束进入哈特曼波前探测器(19)，用一系列Zernike模式驱动第一液晶校正器(10)，在哈特曼波前探测器(19)上获得相应的一系列响应信号，将测得的第一液晶校正器(10)的一系列响应信号、按顺序排成响应矩阵存入工控机(20)的数据库中；然后将第二纸屏(23)插入PBS偏振分束器(9)和第一液晶校正器(10)之间，以截断通过第一液晶校正器(10)的光束，并保证只有通过第二液晶校正器(11)的光束进入哈特曼波前探测器(19)，采用相同步骤将测得的第二液晶校正器(11)的一系列响应信号、按顺序排成响应矩阵存入工控机(20)的数据库中；将点光源(21)、第一纸屏(22)、第二纸屏(23)移出光路，第四离轴抛物面镜(14)移进光路，恢复为与望远镜连接的自适应光学成像系统。