本文選題：自適應光學 + 變形鏡��； 參考：《中國科學院長春光學精密機械與物理研究所》2017年博士論文

【摘要】：自適應光學成像系統(tǒng)是大口徑望遠鏡對空間目標進行觀測時必不可少的裝備,可以對大氣湍流引起的波前畸變進行實時補償,恢復望遠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,其驅動單元數(shù)很難超過千單元,為此大多工作在湍流強度較弱的紅外波段。而液晶波前校正器具有百萬像素的驅動單元密度,可以應用在湍流很強的可見光波段,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光學系統(tǒng),具有在可見與紅外波段分別自適應光學成像的功能。首先分析了大氣湍流對傳輸光束的擾動強度與波長的關系,推論在一寬波段的傳輸光束中,其長波波前與短波波前應具有相同的波前畸變量,然而由于長波比短波的衍射極限分辨率低,當湍流像差的高階畸變量小于長波的衍射極限時,可以忽略其影響�；谏鲜龇治鲈O計了一套針對2米望遠鏡的液晶-變形鏡的高低階式自適應光學系統(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,對應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,然后在變形鏡后進行光譜分束,以950nm為分界點,將分出的已消除波前畸變的950-1700nm紅外光束導入紅外相機成像,700-950nm的可見光波段光束導入液晶波前校正器校正剩余的高階成分,導入可見相機成像。對變形鏡和液晶校正器的工作波段進行像差zernike模式的分配。由于大氣湍流對傳輸光束的擾動強度即大氣相干長度與波長的6/5次方成正比,分別取700nm、1000nm和1500nm作為三個波段的短波限波長,并將700nm波段對應的大氣相干長度選定為10.0cm,則利用fried公式計算出另外兩個波長對應的大氣相干長度分別為15.3cm和24.9cm。分別將三個波段的短波限波長及其對應的大氣相干長度、2米望遠鏡口徑代入zernike模式多項式的截斷誤差公式,在波前殘差rms值等于1rad時,計算出三個波段所對應的畸變波前需要的zernike模式項數(shù)分別為77項,34項和14項。為證實上述計算,針對2米口徑望遠鏡、設700nm波段的大氣相干長度為10cm、采用77項zernike多項式的k-l模式展開法產(chǎn)生100幅平均rms值為0.68μm的隨機湍流波前;利用實測的97單元變形鏡對應前29項zernike模式的響應矩陣對這100幅隨機湍流波前進行重構計算,然后用重構波前與產(chǎn)生的波前相減,進行校正模擬,看到波前畸變rms值減小到0.1μm、前29項zernike模式系數(shù)均小于0.01μm、而高階項的系數(shù)為0.05μm左右;利用波前畸變rms值0.1μm計算出在1500-1700nm波段成像分辨率可以達到衍射極限,在950-1500nm波段成像分辨率也能優(yōu)于1.2倍衍射極限;接著利用實測的液晶波前校正器對30-77項zernike模式的響應矩陣進一步模擬校正消除了低階畸變的100幅波前,使77項zernike模式系數(shù)均小于0.01μm,波前殘差的rms值減小到0.03μm,進一步計算出700-950nm波段的成像分辨率能夠達到衍射極限。通常為了保證探測器接收到的探測信號與校正器所施加的校正信號一致,需要讓自適應光學系統(tǒng)中的探測器、校正器分別與望遠鏡的入射光瞳共軛,一般可以采用4f光學系統(tǒng)來實現(xiàn),而在液晶-變形鏡的高低階式自適應光學系統(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計的2米望遠鏡系統(tǒng)中偏離共軛位置的影響。為了保證入射光束傾斜時偏移的光斑不超出傾斜鏡的有效孔徑、到達哈特曼探測器時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;通過對軸外視場波前的校正模擬,當變形鏡偏離共軛位置的距離小于160mm時,可以保證望遠鏡5角秒視場內的波前校正誤差小于衍射極限。為證實液晶-變形鏡高低階式自適應光學系統(tǒng)的可靠性,利用光學設計軟件設計了2米口徑自適應光學望遠鏡通過湍流模擬器對分辨率板成像的驗證系統(tǒng)。光束波段為700-1700nm、湍流模擬器的通光口徑為20mm、785nm波長對應的大氣相干長度為1mm,將通光口徑和大氣相干長度均放大100倍正好對應2米口徑望遠鏡和10cm的大氣相干長度;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校正效果為:1500-1700nm波段的成像分辨率達到了衍射極限;950-1500nm波段的成像分辨率達到1.2倍衍射極限;700-950nm波段的成像分辨率達到1.1倍衍射極限,與模擬結果基本吻合。本論文屬于液晶波前校正器與變形鏡的高低階式自適應光學系統(tǒng)的開創(chuàng)性工作,將對寬波段校正成像的自適應光學技術起到一定推動作用。
[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 .
【學位授予單位】：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TH743

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本文編號：2106490