与2米望远镜匹配的液晶‑变形镜混合式自适应系统的制作方法

本发明属于自适应光学领域，是与2米大口径望远镜匹配的液晶-变形镜混合式自适应光学成像系统。涉及液晶校正器、变形镜、快速振镜、波前探测器、自适应光学控制器和分色片等光学元件的组合，可以实现近红外～中红外宽波段波前自适应校正成像。

背景技术：

基于大口径地基望远镜的光波前自适应校正系统的功能是对入射光的畸变波前进行实时补偿校正，得到理想的光学成像。

波前校正器是自适应光学系统的关键器件。传统的自适应光学系统只有一个波前校正器，其中采用变形镜的自适应校正系统具有响应速度快、光损耗低和工作光波段较宽的优势，但是变形镜的驱动器单元数和驱动量受到制造工艺的限制，很难做到千单元以上还保持足够的4μm～5μm的驱动量。故当望远镜接收的波前口径大于4米时，能量最强的也是大气湍流干扰最强烈的可见～近红外光波段，其波前畸变的空间频率或波前畸变峰谷值往往超出变形镜的调制范围。因此，有些大口径自适应光学系统提出了采用双变形镜的设计方法来解决驱动器单元数增多与驱动量之间的矛盾【D.Gavel and A.Norton,Woofer-tweeter deformable mirror control for closed-loop adaptive optics:theory and practice,Proc.SPIE 9148,91484J(2014).】，然而波前畸变中高频成分的影响会随着波长变短而凸显出来，即使是双变形镜的大口径自适应光学系统，大多仍应用在中红外波段，对于可见～近红外波段来说，变形镜校正器的能力欠佳。

目前，液晶光调制器作为自适应光学系统的波前校正器已经发展得很成熟，与传统的变形镜相比，具有空间分辨率高、能在近红外波段匹配2米到8米口径望远镜的波前、调制量大、校正精度高、制备工艺成熟的优势。然而液晶校正器是通过控制折射率来改变光程、进而对波前进行调制的，由于液晶材料折射率变化量有限的问题，导致它不能在红外长波段工作【Quanquan Mu,Zhaoliang Cao,Novel spectral range expansionmethodforliquid crystal adaptive optics,Opt.Express 18(21),21687-21696(2010).】，目前液晶自适应光学系统的校正成像波段是700nm～950nm近红外波段。因此，需通过结合变形镜实现向长波方向扩展的宽波段校正成像效果。

通常大气湍流对中远红外波段的成像影响可以忽略，本发明主要解决2米大口径望远镜的近红外～中红外宽波段波前自适应校正成像的缺陷问题。

技术实现要素：

本发明针对2米大口径望远镜的近红外～中红外宽波段波前自适应校正成像的缺陷问题，提供一种与2米口径望远镜匹配的液晶校正器和变形镜混合的双校正器自适应光学系统，目的是实现700nm～2500nm的宽波段自适应校正成像。

下面详述本发明。

与2米口径望远镜匹配的液晶校正器和变形镜混合的双校正器自适应光学系统采用一个波前探测器、一个能工作于短波红外～中远红外波段的变形镜和能工作于近红外波段的液晶校正器，对变形镜闭环控制、液晶校正器开环控制，利用Zernike模式重构波前。由于大气湍流对波前的干扰随着波长变短高频成分增强，所以采用驱动单元数弱势的变形镜校正波前畸变的低阶成分，然后将已消除波前畸变的长波光分束，在短波红外～中远红外波段的多个相机中直接成像，而分出的短波段光束进入液晶校正器再校正高阶成分，从而获得近红外波段的高分辨成像。

考虑到成像相机的波段特性，将700nm～2500nm成像波段范围分为四部分：700nm～950nm的I波段，对应可见相机；950nm～1500nm的J波段，对应短波红外相机；1500nm～1900nm的H波段，对应中红外相机；1900nm～2500nm的K波段，对应中远红外相机。分别取λ_I＝800nm、λ_J＝1200nm、λ_H＝1600nm和λ_K＝2200nm为四个成像波段的中心波长。

畸变波前可以用由低阶到高阶排列的Zernike模式函数多项式表示，其低阶成分均方根(RMS)值较大，对成像分辨率影响显著，随着成分的阶数升高RMS值迅速减小，直至可以忽略其对成像的影响。当畸变波前中的前N项Zernike模式得到完全校正时，残余的高阶波前畸变量RMS值时，此处λ代表成像波段的中心波长，成像分辨率可以达到望远镜的两倍光学衍射极限分辨率，则认为达到了自适应波前校正的要求。成像波段的残余高阶波前畸变量可以表示为【R.J.Noll,Zernike polynomials and atmosphericturbulence,J.Opt.Soc.Am.66(3),207(1976).】：

这里N是已校正的Zernike模式数，D是望远镜的口径，r₀是大气湍流强度的特征参数称为大气相干长度、厘米为单位。对于强度为r₀的大气湍流中望远镜接收到的口径为D的畸变波前，其畸变的剧烈程度可以近似描述为：将D口径的波前平均分割为以r₀为直径的子波前，则子波前上只有倾斜而没有高阶畸变。因此r₀越长对应的大气湍流越弱，而r₀越短对应的大气湍流越强。为与大气相干长度r₀的单位一致，(1)式中口径D的单位也取为厘米，此时残余高阶波前畸变量的单位为弧度。

一般天文观测站址的条件，在中心波长λ_I＝800nm处的大气相干长度均能满足r₀≥10cm。选择I波段的中心波长λ_I处的大气相干长度r_0I＝10cm，根据大气相干长度r₀与波长λ的6/5次方成正比的关系式【F.Roddier,Adaptive Optics in Astronomy(Cambridge University,1999),Chap.1.】，可以计算出对应λ_J＝1200nm、λ_H＝1600nm和λ_K＝2200nm三个成像波段中心波长处的r₀值分别为r_0J＝16cm、r_0H＝23cm和r_0K＝34cm。将望远镜口径D＝200厘米、和四个成像波段中心波长处的r₀值分别代入(1)式中，得出I、J、H和K四个成像波段对应的校正Zernike模式数N分别为N_I＝102、N_J＝42、N_H＝21、N_K＝10。利用变形镜和液晶校正器做低、高阶两级校正，其中变形镜校正前N_J项Zernike低阶模式，则可以通过波长950nm分色片将一级校正后的光束分为两束，其中长于950nm的长波波段的残余波前畸变RMS值已经≤0.14λ_J，能达到此长波波段望远镜的两倍光学衍射极限分辨率；而对于700nm～950nm的I波段，再利用液晶校正器做N_J+1～N_I项Zernike模式的二级校正，也可使I波段波前的残余畸变RMS值减小至0.14λ_I，从而在700nm～2500nm全波段均能达到2米口径望远镜两倍的光学衍射极限成像分辨率。

由于本发明中变形镜作为J、H、K三个成像波段的波前校正器，其需要校正的Zernike模式数只与J波段的光学参数相关，因此不考虑K波段的成像也能说明本发明的光学设计方法。下面以I、J、H三个成像波段的液晶-变形镜的混合式自适应光学系统来详细说明本发明。如图1所示，系统由第一透镜1、快速振镜2、变形镜3、第一分色片4、第二透镜5、第二分色片6、短波红外相机7、中红外相机8、第三透镜9、第四透镜10、第三分色片11、第五透镜12、第六透镜13、第四分色片14、波前探测器15、第七透镜16、薄型反射镜17、第八透镜18、PBS分束器19、液晶校正器20、第九透镜21、反射镜22、可移动反射镜23、第十透镜24、可见相机25组成。

第一透镜1的口径为30mm、焦距为200mm，其前焦点与所连接的望远镜输出光焦点重合，将望远镜的出瞳成像于直径为25mm的快速振镜2上；快速振镜2将光束折轴45度反射到20mm通光口径的变形镜3；变形镜3又将光束折轴成水平光束，通过在950nm波长处分色的第一分色片4后分成互为垂直的两束，其中950nm～1700nm波段透过第一分色片4，经口径30mm、焦距547mm的第二透镜5汇聚至1500nm波长处分色的第二分色片6，进一步分成950nm～1500nm波段和1500nm-1700nm波段的两束，其中950nm～1500nm波段的光束透射第二分色片6，聚焦于短波红外相机7成像；1500nm～1700nm波段的光束经过第二分色片6反射，聚焦于中红外相机8成像。而在第一分色片4处反射的垂直光束为400nm～950nm波段的光束，该垂直光束经过口径30mm、焦距300mm的第三透镜9和口径10mm、焦距为-43.2mm的第四透镜10缩束，使光束直径与700nm波长处分色的第三分色片11的口径匹配；经过第三分色片11后光束又分为反射和透射两束，其中反射光束为400nm～700nm可见波段用于波前探测，其通过由口径25.4mm、焦距100mm的第五透镜12和口径20mm、焦距200mm的第六透镜13组成的4F系统进行扩束，以与口径5.76mm的波前探测器15匹配，再由与第三分色片11完全相同的第四分色片14反射，进入到波前探测器15中；再说透过第三分色片11的700nm～950nm波段光束透射口径15mm、焦距150mm的第七透镜16、由厚度2mm的薄型反射镜17折轴45度、偏心5mm通过口径25.4mm、焦距300mm的第八透镜18，不仅使光束成为与口径5.8mm的液晶校正器20匹配的平行光束，而且使液晶校正器20反射回来的光经第八透镜18后能避开薄型反射镜17；PBS分束器19位于第八透镜18和液晶校正器20之间，PBS分束器19的作用是将进入液晶校正器20的光束滤为P偏振光，以满足液晶校正器20的工作条件，而且液晶校正器20与快速振镜2共轭配置保证入射的P偏振光没有抖动；液晶校正器20将P偏振光中的高阶畸变校正后反射再进入PBS分束器19，通过第八透镜18和口径25.4mm、焦距300mm的第九透镜21，光束变为平行光到达与光轴成45度放置的反射镜22上，从而折轴90度，到达也与光轴成45度放置的可移动反射镜23上，使光轴再次折转90度，通过口径20mm、焦距270mm的第十透镜24聚焦于可见相机25，使高阶畸变校正后的700nm～950nm的I波段光束成像。

本发明中所涉及的变形镜3具有97有效单元、波前探测器15为20×20微透镜阵列的夏克－哈特曼型波前探测器、液晶校正器20为256×256像素的LCOS型液晶校正器。快速振镜2、变形镜3、短波红外相机7、中红外相机8、波前探测器15、液晶校正器20和可见相机25均与一台计算机相连结。计算机中存有自适应校正控制软件，其作用是：首先对波前探测器15获得的光学信号进行处理，将波前畸变表达为不同权重的Zernike模式函数多项式；然后将其中波前整体倾斜模式数据反馈给快速振镜2以消除光束的倾斜抖动，将一定数目的低阶Zernike模式数据反馈给变形镜3，使波前的低阶畸变成分得到校正，将剩余高阶Zernike模式数据反馈给液晶校正器20，使波前的高阶畸变成分得到校正；此时短波红外相机7、中红外相机8和可见相机25所拍摄的像为自适应光学校正后的高分辨图像，计算机给出所拍摄像的显示。

为测量变形镜3的响应矩阵，基于上述的液晶-变形镜的混合式自适应光学系统，在第一透镜1的前焦点位置放置点光源27，如图2所示，挡光板28插入到点光源27和望远镜之间以遮断望远镜进入自适应系统的光。变形镜响应矩阵的测量光路由点光源27、第一透镜1、快速振镜2、变形镜3、第一分色片4、第三透镜9、第四透镜10、第三分色片11、第五透镜12、第六透镜13、第四分色片14、波前探测器15组成，其中快速振镜2作为反射镜使用，其法线与光轴成22.5度。用Zernike模式法测量变形镜响应矩阵的方法如【F.Roddier,Adaptive Optics inAstronomy(Cambridge University,1999),Chap.6.】所述。本发明中针对变形镜3测量前N_J＝42项Zernike低阶模式的响应矩阵，然后存入计算机的自适应校正控制软件中，更新原来存储的变形镜3的响应矩阵。变形镜的响应矩阵需视具体情况进行测量更新。

为测量液晶校正器20的响应矩阵，基于上述的液晶-变形镜的混合式自适应光学系统，在第四分色片14与可移动反射镜23之间插入道威棱镜26，并将可移动反射镜23移除，在第一透镜1的焦点处放入点光源27，并在第五透镜12和第六透镜13之间插入挡光板28，如图3所示，遮断望远镜进入液晶校正器响应矩阵测量光路的光。液晶校正器响应矩阵的测量光路由点光源27、第一透镜1、快速振镜2、变形镜3、第一分色片4、第三透镜9、第四透镜10、第三分色片11、第七透镜16、薄型反射镜17、第八透镜18、PBS分束器19、液晶校正器20、第九透镜21、反射镜22、道威棱镜26、第四分色片14、波前探测器15组成，其中快速振镜2作为反射镜使用，其法线与光轴成22.5度。道威棱镜26的作用是旋转波前180度，使测响应矩阵时进入到波前探测器15的波前坐标系与自适应系统工作时的波前坐标系一致。液晶校正器响应矩阵的测量方法如发明专利【“快速向列液晶自适应光学系统”，发明专利，中国,200610063698.7】所述。本发明中针对液晶校正器20测量N_J+1～N_I项、即43～102项Zernike模式的响应矩阵，然后存入计算机的自适应校正控制软件中，更新原来存储的液晶校正器20的响应矩阵。液晶校正器的响应矩阵需视具体情况进行测量更新。

测量响应矩阵结束后，将光路复原为图1所示的光路，即可使液晶-变形镜的混合式自适应光学系统正常工作。

本发明可以实现700nm～2500nm的宽波段校正成像，向长波方向大幅拓宽了纯粹液晶自适应光学系统的成像波段范围，解决了纯粹变形镜自适应光学系统难于在大口径近红外条件下良好成像的问题。

附图说明

图1是本发明的液晶-变形镜混合式自适应光学系统的原理光路。其中1为第一透镜，2为快速振镜，3为变形镜，4为950nm波长处分色的第一分色片，5为第二透镜，6为1500nm波长处分色的第二分色片，7和8分别为短波红外相机和中红外相机，9为第三透镜，10为第四透镜，11为700nm波长处分色的第三分色片，12为第五透镜，13为第六透镜，14也为700nm波长处分色的第四分色片，15为波前探测器，16为第七透镜，17为薄型反射镜，18为第八透镜，19为PBS分束器，20为液晶校正器，21为第九透镜，22为反射镜，23为可移动反射镜，24为第十透镜，25为可见相机。第一透镜1的前焦点与接收望远镜的焦点重合。

图2是测量变形镜3的响应矩阵原理光路。其中27为点光源，放置于第一透镜的前焦点处，挡光板28插入到点光源27和望远镜之间以遮断望远镜进入自适应系统的光，图中挡光板28未画出。

图3是测量液晶校正器20的响应矩阵原理光路。其中26为道威棱镜，其作用是旋转波前180度，使测量响应矩阵时进入到波前探测器15的波前坐标系与自适应系统工作时的波前坐标系一致，27为点光源，28为挡光板。

图4是实施例中与2米口径望远镜配套的液晶-变形镜混合式自适应光学系统原理光路。其中29为湍流屏，定量给出大气湍流对波前的干扰强度为：800nm波长处的大气相干长度为10cm；30为分辨率板，可以定量评价波前校正前后的成像分辨率。

图5是实施例中与2米口径望远镜配套的液晶-变形镜混合式自适应光学系统对湍流屏干扰的波前进行校正、分辨率板的成像效果。其中(a)、(b)为中红外相机8拍摄的波前校正前后的分辨率板成像，对应1500nm～1700nm波段，校正后可以分辨出第五圈的第五组条纹，成像分辨率达到19.7μm；(c)、(d)为短波红外相机7拍摄的波前校正前后的分辨率板成像，对应950nm～1500nm波段，校正后可以分辨出第五圈第六组条纹，成像分辨率达到17.5μm；(e)、(f)、(g)为可见相机25在700nm～950nm波段拍摄的分辨率板成像，(e)对应波前校正前，(f)、(g)分别为变形镜一次校正后和液晶校正器二次校正后的像，表明经液晶校正器高阶校正后能够分辨出第六圈的第三组条纹，成像分辨率达到12.4μm。

具体实施方式

搭建了2m口径望远镜配套的液晶-变形镜混合式自适应光学系统。

所用器件的关键参数为：

第一透镜1为三胶合消色差透镜，口径为30mm，焦距为200mm；其余透镜均为双胶合消色差透镜，第二透镜5口径为30mm、焦距为547mm，第三透镜9口径为30mm、焦距为300mm，第四透镜10口径为10mm、焦距为-43.2mm，第五透镜12口径25.4mm、焦距为100mm，第六透镜13口径为20mm、焦距为200mm，第七透镜16口径为15mm、焦距为150mm，第八透镜18口径为25.4mm、焦距为300mm，第九透镜21口径为25.4mm、焦距为300mm，第十透镜24口径为20mm、焦距为270mm；

快速振镜2为德国PI公司的闭环自适应驱动式快速振镜，直径为25mm，最大转动范围5mrad，分辨率0.25μrad；

变形镜3为法国ALPAO公司的145单元变形镜，驱动器的排列方式为正方形，口径29.5mm；使用20mm通光口径，光束覆盖中心区域的97个驱动器，单个驱动器的波前调制量接近3μm，全程响应时间0.2ms；

短波红外相机7和中红外相机8为凌云公司Xeva-1.7-320产品，像素数320×256，光谱范围是900nm～1700nm；

波前探测器15为夏克－哈特曼型波前探测器，5.76mm接收孔径，微透镜阵列为20×20，背部相机为1562Hz的EM CCD；

反射镜17，面积15mm×15mm，厚度2mm，反射率大于98％；

PBS偏振分束器19，尺寸为25mm×25mm×25mm，偏振光的消光比为1×10^-3；

液晶校正器20为美国BNS公司的LCOS型液晶校正器，响应时间1ms，像素数256×256，口径5.8mm，驱动电压的分度值即灰度级有256个；

可见相机25为英国ANDOR公司DV897型号的产品，像素数512×512；

道威棱镜26，采用K9退火材料，通光口径为10mm；

点光源27，是光纤束耦合的氙灯光源、波长范围覆盖400nm～1700nm，光纤束直径0.2mm；

湍流屏29，由Lexitek公司制造，通过步进电机带动位相板转动，控制其转动速度模拟产生不同强度的大气湍流，设置湍流屏在800nm波长处的大气相干长度为10cm；

分辨率板30，为美国标准USAF 1951分辨率板，紧靠光源放置，用于对本发明的成像分辨率做定量评价。

利用上述器件搭建与2m口径望远镜配套的液晶-变形镜混合式自适应光学系统：

依据图1所示光路，利用1)～9)所述的元件搭建与2m口径望远镜配套的液晶-变形镜混合式自适应光学系统，各元件的摆放方式严格按照“发明内容”所述的方式摆放，并且快速振镜2、变形镜3、短波红外相机7、中红外相机8、波前探测器15、液晶校正器20和可见相机25均与存有自适应控制软件的计算机相连结。

测量变形镜3的响应矩阵：

按照图2所示位置，将点光源27插入搭建的系统中，指令计算机依次对变形镜3的1～97个驱动器进行驱动；受到变形镜调制的光进入到波前探测器15；计算机自动读取波前探测器15的光学响应信号，并进行数字化处理成为初始响应矩阵；基于(1)式算出J波段的Zernike模式数N_J＝42，采用前42项Zernike模式对变形镜3驱动器的响应进行拟合，将变形镜3的初始响应矩阵变为前42项Zernike模式系数的响应矩阵，然后存入计算机的自适应校正控制软件中，更新原来存储的变形镜3的响应矩阵。

测量液晶校正器20的响应矩阵：

按照图3所示位置，将道威棱镜26、点光源27和挡光板28插入到系统中，并移开可移动反射镜23；基于(1)式算出I波段的Zernike模式数N_I＝102、J波段的Zernike模式数N_J＝42，指令计算机依次发出N_J+1～N_I项Zernike模式信号驱动液晶校正器20；受到液晶校正器20调制的光进入到波前探测器15，计算机自动读取波前探测器15的光学响应信号，并进行数字化处理成为N_J+1～N_I项Zernike模式的响应矩阵，然后存入计算机的自适应校正控制软件中，更新原来存储的液晶校正器20的响应矩阵。

自适应光学系统成像效果检测光路：

得到变形镜3和液晶校正器20的响应矩阵后，将挡光板28撤离光路，可移动反射镜23移回光路，并将湍流屏29插入到快速振镜2和变形镜3之间，分辨率板30紧靠点光源27放置，形成以分辨率板为成像目标的自适应校正系统，如图4所示。

驱动系统进行波前自适应校正成像：

开启计算机中的自适应控制软件；指令计算机依据响应矩阵处理波前探测器15给出的光学信号，将波前畸变表达为不同权重的Zernike模式函数多项式；然后将其中前2项Zernike模式函数多项式决定的波前整体倾斜数据反馈给快速振镜2以消除光束的倾斜抖动，将3～42项低阶Zernike模式函数多项式决定的波前数据反馈给变形镜3校正，并在短波红外相机7和中红外相机8中分别获得950nm～1500nm的J波段和1500nm～1700nm的H波段的分辨率板30的成像；在后光路中剩余波前畸变的43～102项Zernike模式函数多项式决定的波前数据反馈给液晶校正器20进行校正，并在可见相机25位置对700nm～950nm波段进行分辨率板30的成像。

波前自适应校正前后分辨率板30的成像结果如图5所示，(a)、(b)、(c)、(d)分别对应中红外相机8、短波红外相机7上的成像，(e)、(f)、(g)对应可见相机25上的成像。其中(a)、(c)、(e)均为三个相机上未开始波前校正的结果，表明没有自适应波前校正在I、J、H三个波段都无法分辨分辨率板30上的任意一条线；(b)是校正后中红外相机8在1500nm～1700nm波段对分辨率板30所成的像，分辨出第五圈的第五组条纹，对应50.8cycles/mm，即在望远镜焦面的成像分辨率达到19.7μm，由于系统在1600nm波段的衍射极限为19.52μm，说明1500nm～1700nm波段的校正效果接近衍射极限；(d)是校正后短波红外相机7在950nm～1500nm波段对分辨率板30所成的像，由于该波段要经过第二分色片6的反射再成像，所以图像横向翻转了180度，校正后的图像可分辨出第五圈第六组条纹，对应57cycles/mm，即在望远镜焦面的成像分辨率达到17.5μm，由于系统在1200nm波段的衍射极限为14.64μm，说明950nm～1500nm波段的校正效果达到了1.2倍衍射极限；(f)、(g)分别是变形镜一次校正后和液晶校正器二次校正后可见相机25在700nm～950nm波段对分辨率板30所成的像，看出此变形镜不能将近红外波段的波前畸变完整消除，而经过低、高阶校正器先后校正，能够分辨出第六圈的第三组条纹，对应80.6cycles/mm，即在望远镜焦面的成像分辨率达到12.4μm，由于系统在800nm波段的衍射极限为9.76μm，说明700～950nm波段的校正效果达到了1.3倍衍射极限。

综上，与2米口径望远镜配套的液晶-变形镜混合式自适应光学系统所获得的自适应光学成像，分辨率都优于2米口径望远镜在相应成像波段的2倍衍射极限分辨率。