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液晶—變形鏡的高低階式自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)研究

發(fā)布時(shí)間:2018-07-07 22:33

  本文選題:自適應(yīng)光學(xué) + 變形鏡; 參考:《中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所》2017年博士論文


【摘要】:自適應(yīng)光學(xué)成像系統(tǒng)是大口徑望遠(yuǎn)鏡對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)必不可少的裝備,可以對(duì)大氣湍流引起的波前畸變進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償,恢復(fù)望遠(yuǎn)鏡自身的成像分辨率。傳統(tǒng)的變形鏡由于制造工藝的限制,其驅(qū)動(dòng)單元數(shù)很難超過千單元,為此大多工作在湍流強(qiáng)度較弱的紅外波段。而液晶波前校正器具有百萬像素的驅(qū)動(dòng)單元密度,可以應(yīng)用在湍流很強(qiáng)的可見光波段,但由于液晶波前校正器的色散問題,其工作波段很難向紅外波段擴(kuò)展。因此本文提出液晶波前校正器和變形鏡高低階式組合的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng),具有在可見與紅外波段分別自適應(yīng)光學(xué)成像的功能。首先分析了大氣湍流對(duì)傳輸光束的擾動(dòng)強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系,推論在一寬波段的傳輸光束中,其長(zhǎng)波波前與短波波前應(yīng)具有相同的波前畸變量,然而由于長(zhǎng)波比短波的衍射極限分辨率低,當(dāng)湍流像差的高階畸變量小于長(zhǎng)波的衍射極限時(shí),可以忽略其影響;谏鲜龇治鲈O(shè)計(jì)了一套針對(duì)2米望遠(yuǎn)鏡的液晶-變形鏡的高低階式自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng),采用97單元變形鏡和256×256像素的液晶波前校正器串聯(lián)工作,對(duì)應(yīng)700-1700nm波段的成像光束,變形鏡首先校正全波段波前畸變的低階成分,使950-1700nm紅外波段的波前畸變基本消除,然后在變形鏡后進(jìn)行光譜分束,以950nm為分界點(diǎn),將分出的已消除波前畸變的950-1700nm紅外光束導(dǎo)入紅外相機(jī)成像,700-950nm的可見光波段光束導(dǎo)入液晶波前校正器校正剩余的高階成分,導(dǎo)入可見相機(jī)成像。對(duì)變形鏡和液晶校正器的工作波段進(jìn)行像差zernike模式的分配。由于大氣湍流對(duì)傳輸光束的擾動(dòng)強(qiáng)度即大氣相干長(zhǎng)度與波長(zhǎng)的6/5次方成正比,分別取700nm、1000nm和1500nm作為三個(gè)波段的短波限波長(zhǎng),并將700nm波段對(duì)應(yīng)的大氣相干長(zhǎng)度選定為10.0cm,則利用fried公式計(jì)算出另外兩個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的大氣相干長(zhǎng)度分別為15.3cm和24.9cm。分別將三個(gè)波段的短波限波長(zhǎng)及其對(duì)應(yīng)的大氣相干長(zhǎng)度、2米望遠(yuǎn)鏡口徑代入zernike模式多項(xiàng)式的截?cái)嗾`差公式,在波前殘差rms值等于1rad時(shí),計(jì)算出三個(gè)波段所對(duì)應(yīng)的畸變波前需要的zernike模式項(xiàng)數(shù)分別為77項(xiàng),34項(xiàng)和14項(xiàng)。為證實(shí)上述計(jì)算,針對(duì)2米口徑望遠(yuǎn)鏡、設(shè)700nm波段的大氣相干長(zhǎng)度為10cm、采用77項(xiàng)zernike多項(xiàng)式的k-l模式展開法產(chǎn)生100幅平均rms值為0.68μm的隨機(jī)湍流波前;利用實(shí)測(cè)的97單元變形鏡對(duì)應(yīng)前29項(xiàng)zernike模式的響應(yīng)矩陣對(duì)這100幅隨機(jī)湍流波前進(jìn)行重構(gòu)計(jì)算,然后用重構(gòu)波前與產(chǎn)生的波前相減,進(jìn)行校正模擬,看到波前畸變r(jià)ms值減小到0.1μm、前29項(xiàng)zernike模式系數(shù)均小于0.01μm、而高階項(xiàng)的系數(shù)為0.05μm左右;利用波前畸變r(jià)ms值0.1μm計(jì)算出在1500-1700nm波段成像分辨率可以達(dá)到衍射極限,在950-1500nm波段成像分辨率也能優(yōu)于1.2倍衍射極限;接著利用實(shí)測(cè)的液晶波前校正器對(duì)30-77項(xiàng)zernike模式的響應(yīng)矩陣進(jìn)一步模擬校正消除了低階畸變的100幅波前,使77項(xiàng)zernike模式系數(shù)均小于0.01μm,波前殘差的rms值減小到0.03μm,進(jìn)一步計(jì)算出700-950nm波段的成像分辨率能夠達(dá)到衍射極限。通常為了保證探測(cè)器接收到的探測(cè)信號(hào)與校正器所施加的校正信號(hào)一致,需要讓自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的探測(cè)器、校正器分別與望遠(yuǎn)鏡的入射光瞳共軛,一般可以采用4f光學(xué)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn),而在液晶-變形鏡的高低階式自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中,通過變形鏡和傾斜鏡的光束波段較寬(400-1700nm),為了防止4f透鏡組引入色差,定量分析了省略4f系統(tǒng)后波前校正器在所設(shè)計(jì)的2米望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中偏離共軛位置的影響。為了保證入射光束傾斜時(shí)偏移的光斑不超出傾斜鏡的有效孔徑、到達(dá)哈特曼探測(cè)器時(shí)光束的偏移量不超過1/10子孔徑,反算出傾斜鏡偏離共軛位置的距離要小于20mm;為了保證畸變波前自由傳播至非共軛位置的波前變化量小于衍射極限,變形鏡偏離共軛位置的距離要小于250mm;通過對(duì)軸外視場(chǎng)波前的校正模擬,當(dāng)變形鏡偏離共軛位置的距離小于160mm時(shí),可以保證望遠(yuǎn)鏡5角秒視場(chǎng)內(nèi)的波前校正誤差小于衍射極限。為證實(shí)液晶-變形鏡高低階式自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的可靠性,利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)了2米口徑自適應(yīng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡通過湍流模擬器對(duì)分辨率板成像的驗(yàn)證系統(tǒng)。光束波段為700-1700nm、湍流模擬器的通光口徑為20mm、785nm波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的大氣相干長(zhǎng)度為1mm,將通光口徑和大氣相干長(zhǎng)度均放大100倍正好對(duì)應(yīng)2米口徑望遠(yuǎn)鏡和10cm的大氣相干長(zhǎng)度;系統(tǒng)中97單元變形鏡采用閉環(huán)控制,256×256像素的液晶波前校正器采用開環(huán)控制,兩種校正器的誤差抑制-3dB帶寬分別為88Hz和75Hz,滿足格林伍德頻率為50Hz的大氣湍流校正要求;采用950nm和1500nm兩種分色片將成像波段分成三部分:700-950nm、950-1500nm、1500-1700nm。液晶-變形鏡的高低階式自適應(yīng)校正效果為:1500-1700nm波段的成像分辨率達(dá)到了衍射極限;950-1500nm波段的成像分辨率達(dá)到1.2倍衍射極限;700-950nm波段的成像分辨率達(dá)到1.1倍衍射極限,與模擬結(jié)果基本吻合。本論文屬于液晶波前校正器與變形鏡的高低階式自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的開創(chuàng)性工作,將對(duì)寬波段校正成像的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)起到一定推動(dòng)作用。
[Abstract]:A self - adaptive optical system is designed , which can be applied to infrared camera imaging . In order to ensure that the light beam offset during the tilting of the incident beam does not exceed the diffraction limit , the distance between the deflection mirror and the conjugate position is less than the diffraction limit . In order to ensure the free propagation of the distorted wavefront to the non - conjugate position , the distance between the distortion mirror and the conjugate position is less than the diffraction limit . In order to ensure the free propagation of the distorted wavefront to the non - conjugate position , the wavefront correction error is less than the diffraction limit .
【學(xué)位授予單位】:中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
【學(xué)位級(jí)別】:博士
【學(xué)位授予年份】:2017
【分類號(hào)】:TH743

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