兼具开环与闭环的液晶自适应光学系统 【技术领域】
本发明属于自适应光学领域，涉及液晶校正器、波前探测器、自适应光学控制器、波片和PBS分束器等光学元件的组合，具体地说是一种在开环自适应校正与闭环自适应校正功能之间能够进行切换的液晶自适应光学系统。
背景技术
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。
液晶校正器采用微电子技术，利用液晶器件高象素密度的特点，校正精度高，制备工艺成熟，因此液晶校正器的自适应系统具有很大的应用潜力。但液晶校正器须在偏振光中工作，如果自适应系统设计为通常的闭环自适应校正模式，能量利用率将减低50％。在“无偏振光能量损失的液晶自适应光学系统”(中国专利，ZL 200610173382)中提出了一项开环液晶自适应光学系统的技术，解决了液晶自适应光学系统50％的偏振能量损失问题。
所说的闭环自适应校正系统是光束先通过偏振片、校正器，然后被分为两路，一路用于探测，一路用于成像，且两路的能量均为入射光能的25％。而开环自适应校正系统是用PBS偏振分束器先将入射光分为两路偏振光，则大约50％的能量用于探测，另外50％的能量用于波前校正后进入CCD成像。闭环校正器与开环校正器在光路上是完全不同，导致了开环液晶自适应校正系统能量损耗很小。
但是，开环自适应校正系统中测量液晶校正器对Zernike模式的响应矩阵时，需将前述的自适应校正系统中的PBS偏振分束器做一次旋转以将光路切换至内置光源，待响应矩阵测试完成后再将PBS旋转复原。由此带来的复位误差对成像效果影响比较大。要减小这个影响，需对转动器件的转动结构精度提出很高要求，很难做到。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种兼具开环与闭环的液晶自适应光学系统。本发明无需PBS分束器(PBS偏振分束器)转动即可实现开环与闭环两种校正模式之间的切换，可以避免PBS分束器复位误差，降低了系统的装调难度和器件成本。当自适应光学系统处于开环校正模式时，能量利用率相对闭环模式提高近1倍；当自适应光学系统处于闭环校正模式时，可以监测校正精度与稳定性，弥补了单纯开环校正系统不能定量了解校正精度的缺陷。
本发明是将PBS分束器放置于液晶校正器之后。由于液晶校正器只能对偏振光、即e光进行校正，而对o光没有校正效果，用PBS分束器将液晶校正器出射的e光和o光分开，分别对应S光和P光而分成两束；得到校正的S光进入CCD成像，未得到校正的P光进入探测器，使探测器测得校正前的畸变波前。这种校正方法属于开环校正模式。当测量探测器对液晶校正器的Zernike模式响应矩阵时，只需要在与外来光接收系统的对接处放置一点光源，点光源的发光波长在以λ为中心的(λ-15nm)～(λ+15nm)范围内，再在PBS分束器前插入一晶轴与液晶取向方向成45度角的λ/2波片，经过λ/2波片的光束，其偏振态会旋转90度，使得PBS分束器分开的两束光中受到液晶校正器调制的e光对应成P光进入波前探测器，完成响应矩阵的测量。移出点光源和λ/2波片，系统即可进行外目标的波前自适应校正成像。
这个设计不再需要PBS分束器进行旋转，只需插入和抽出点光源和波片即可。波片元件是平板状单轴晶体，厚度非常均匀也很薄，它的插入和抽出不会影响光束的传播方向，所以不会影响到系统的校正成像性能。同时，这种光路允许在液晶校正器前插入偏振片和在PBS分束器前插入λ/4波片，使校正模式变为闭环校正，且偏振片和λ/4波片的插入也都不会影响系统光轴的一致性精度。其原理是，插入的偏振片将入射光转换为偏振光，可以100％的实现液晶校正器的波前校正；然后通过一晶轴与液晶取向方向成45度角放置的λ/4波片，使波前校正后的线偏振光转化为圆偏振光；圆偏振光再经过PBS分束器时被分为两束同样被校正的光束，分别进入波前探测器和成像CCD，形成先校正后探测的闭环校正工作模式。虽然所兼容的这个闭环自适应校正模式使用了偏振片，造成50％光能损失而不适合对外目标进行自适应成像，但可用于系统校正性能的定量评价，便于液晶开环自适应光学系统的装调和工程化。
本发明的主光学系统如图1所示，由第一透镜1、快速振镜2、第二透镜3、第三透镜4、液晶校正器5、薄型反射镜6、第四透镜7、PBS分束器8、第五透镜9、成像CCD10、波前探测器11组成。快速振镜2位于第一透镜1和第二透镜3之间，其法线与第一透镜1地光轴成45度，同时使入射光束以45度反射到第二透镜3；第三透镜4位于第二透镜3和液晶校正器5之间，第二透镜3的光轴与第三透镜4的光轴平行，相距4mm～6mm，以使从第三透镜4出射的光束能够入射到薄型反射镜6上；薄型反射镜6位于第三透镜4和第四透镜7之间，其法线与第三透镜4和第四透镜7的光轴成45度配置，且三者在同一平面上；PBS分束器8位于第四透镜7和波前探测器11之间；第五透镜9位于PBS分束器8和成像CCD10之间。主光学系统为开环自适应校正模式。
第一透镜1的前焦点与外目标的光学探测系统的焦面相接，将光学探测系统的出瞳成像于快速振镜2上；第二透镜3和第三透镜4为一对共轭透镜组，用于使快速振镜2与液晶校正器5共轭配置；第二透镜3与第三透镜4间的距离为二者的焦距之和；快速振镜2和第二透镜3的光轴为光轴一，第三透镜4和液晶校正器5的光轴为光轴二，这两条光轴相互平行，相距4mm～6mm；薄型反射镜6置于第二透镜3和第三透镜4之间，且位于光轴一相对于光轴二的镜像位置，实现焦点分光，保证薄型反射镜6不遮挡经第二透镜3入射到液晶校正器5上的光，还可以将液晶校正器5反射出来的光导入后续系统；第三透镜4和第四透镜7也是一对共轭透镜组，用于将液晶校正器5与波前探测器11共轭配置；成像CCD10置于第五透镜9的像面处。
开环自适应校正模式下响应矩阵的测量光路如图2所示，λ/2波片14放置于第四透镜7和PBS分束器8之间，且λ/2波片14的晶轴与液晶校正器5的液晶取向方向成45度角；在第一透镜1的前焦点处放置点光源15。
λ/4波片12和偏振片13插入图1所述系统后，可将系统切换为闭环自适应校正模式。如图3所示，偏振片13放置于第一透镜1与快速振镜2之间，λ/4波片12放置于第四透镜7和PBS分束器8之间；点光源15作为闭环系统的成像目标，用于检测系统的校正精度与稳定性。
本发明中所涉及的快速振镜2、液晶校正器5、成像CCD10和波前探测器11均与一计算机相连结。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11获得的光学信号进行处理，给出波前函数和数值解，并将波前整体倾斜数据与高阶畸变数据分离，将波前整体倾斜数据反馈给快速振镜2以消除光束的抖动；高阶畸变数据反馈给液晶校正器5，使波前的高阶畸变得到校正；此时成像CCD10所摄的像为校正后的无畸变像，计算机给出校正过程所拍摄像的显示。
本发明可以高精度地实现开环与闭环两种校正模式之间的切换，降低了系统的装调难度和器件成本。
【附图说明】
图1是本发明的开环自适应校正模式光路示意图。1为第一透镜，2为快速振镜，3为第二透镜，4为第三透镜，5为液晶校正器，6为薄型反射镜，7为第四透镜，8为PBS分束器，9为第五透镜，10为成像CCD，11为波前探测器。第一透镜1的前焦点与接收望远镜的焦点重合。
图2是开环自适应校正模式下测量响应矩阵的光路示意图。14为λ/2波片，15为点光源，放置于第一透镜1的前焦点处。其中λ为点光源15的中心发光波长。
图3是系统的闭环自适应校正模式光路示意图。12为λ/4波片，13为偏振片。
【具体实施方式】
1)第一透镜1、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜7、第五透镜9均为双胶合消色差透镜，且表面镀有增透膜，口径均为20mm，焦距分别为200mm、400mm、300mm、140mm、200mm。
2)快速振镜2为闭环自适应驱动式快速振镜(德国PI公司)，直径为20mm，反射率大于97％，表面平整度PV值小于λ/20，其中λ＝633nm，最大转动范围2mrad，分辨率0.1μrad。
3)波前探测器11为夏克-哈特曼型波前探测器(俄罗斯VisionicaLed.)，3mm接收孔径，微透镜阵列为15×15，探测波段从350nm～1000nm，测量精度达到峰谷值0.05λ，均方根值0.01λ。
4)薄型反射镜6，面积15mm×15mm，厚度小于2mm，反射率大于98％。
5)液晶校正器5为LCOS型液晶校正器(美国BNS公司)，响应时间2.6ms，象素数256×256，位相调制深度633nm，位相调制深度是入射光中心波长的0.95～1.1倍，驱动电压的分度值即灰度级有256个。
6)PBS偏振分束器8，尺寸为25mm×25mm×25mm，其S偏振光或P偏振光的消光比为1×10-3。
7)成像CCD10为英国ANDOR公司DV897型号的产品，像素数512×512。
8)点光源15，是光纤束耦合的λ＝633nm、波长范围618nm～648nm的光源，光纤束直径1mm，单根光纤直径为25μm。
9)λ/2波片14，λ/4波片12和偏振片13，口径均为20mm，其中λ＝633nm。
10)自适应光学系统的搭建：
依据图1所示光路，利用1)～8)所述的元件搭建液晶自适应光学系统，各元件的位置与摆放方式严格按照“发明内容”所述的位置与方式摆放，并且快速振镜2、液晶校正器5、成像CCD10和波前探测器11均与存有自适应控制软件的计算机相连结。
11)开环自适应校正模式：
测量波前探测器11对液晶校正器5的Zernike模式响应矩阵：
按照图2所示位置，将点光源15和λ/2波片14插入搭建的系统中，λ/2波片14的晶轴与液晶校正器5中液晶的取向方向成45度角，指令计算机依次发出前36项Zernike模式信号驱动液晶校正器5；受到液晶校正器5调制的e光通过PBS分束器8进入波前探测器11；计算机自动读取波前探测器11的光学响应信号，并进行数字化处理成为响应矩阵，存储在数据库中。
开环自适应波前校正成像过程：
得到响应矩阵后，将λ/2波片14撤离光路，形成以点光源15为成像目标的开环自适应校正模式系统；指令计算机依据响应矩阵处理波前探测器11给出的系统像差，驱动液晶校正器5；按照开环的数据处理方法自适应校正系统中存在的像差；观察成像CCD10上的光纤束成像。结果表明，自适应校正前分辨不出光纤芯，而校正后光纤芯清楚显现，说明光路中的像差得到校正。
12)切入闭环自适应校正模式：
按照图3所示位置，λ/4波片12和偏振片13插入搭建的系统中，偏振片13的透光轴与液晶校正器5中的液晶取向方向平行，λ/4波片12的晶轴与液晶取向方向成45度角，系统切换为闭环自适应校正模式；点光源15作为成像目标，指令计算机依据响应矩阵处理波前探测器11给出的系统像差，驱动液晶校正器5；按照闭环的数据处理方法自适应校正系统中存在的像差；观察成像CCD10上的光纤束成像。结果表明，自适应校正前分辨不出光纤芯，而校正后光纤芯也清楚显现，清晰程度与开环的效果没有区别。观察校正后波前探测器11中的波前残差，波前的峰谷差值PV＝0.1λ、均方根值RMS＝0.03λ，表明本发明的设计能够获得很高的校正精度。