基于本征模式的变形镜-液晶校正器级联自适应光学系统的研究
发布时间：2021-07-04 09:06
自适应光学是目前解决大气湍流干扰、恢复地基望远镜光学衍射极限分辨率成像的不可或缺的技术。但是系统中的核心——变形镜波前校正器受限于机械制作工艺其驱动单元数很难超过200,一旦超过则成本非线性剧增,使2米以上大口径望远镜在可见光波段的波前自适应校正成像成为很棘手的问题。近年出现的电子学元件液晶波前校正器以高密度像素为驱动单元,很容易就能达到千单元变形镜的波前校正密度,且成本比200单元变形镜的成本还低,成为自适应光学领域极有希望的校正器新星。但由于液晶波前校正器在红外长波波段响应速度慢、可见光短波段色散又很严重,导致其工作波段较窄,一般在700nm-950nm波段,难于满足多波段自适应校正成像的需求。本研究依据大气湍流在短波段剧烈而在长波段大幅减轻的规律,结合变形镜和液晶校正器的优势组成双校正器级联自适应系统,前者校正长波段中的低阶波前畸变、后者校正短波段中的高阶波前畸变,可以解决2米以上大口径望远镜的700nm以后波长的宽波段自适应校正成像问题,且成本低廉。更重要的是级联系统可将变形镜的工作短波限推移250nm,而这一段太阳光谱的能量要比其红外谱段的能量强得多,是极其重要的成像探测波段...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)吉林省
【文章页数】：102 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
改进的液晶自适应光学系统光路
因此对于变形镜和液晶校正器波前校正器而言,单独用多个变形镜或者液晶校正器串联组成的自适应系统,仍然无法完美的实现大口径望远镜在宽波段的自适应校正成像问题。为了解决这一问题,如果将变形镜和液晶校正器组合作为波前校正器件,利用变形镜无色散及液晶校正器空间分辨率高等的优势,理论上是可以实现大口径宽波段的自适应校正成像的。如图1.10所示,利用S-H波前探测器对畸变像差进行探测,并分解为高阶和低阶像差,由于液晶校正器具有超高的校正单元,且工作波段一般局限于700-950nm波段,因此用其作为高阶校正器对700-950nm波段的高阶像差进行校正,另外选用一驱动器数目较少的变形镜对950nm后的红外长波波段的低阶像差进行校正,以此实现对红外波段高阶像差的校正,这样结合两种校正气的优势便可以实现对大口径望远镜的较宽波段的自适应校正。根据这一设想,2016年我研究组利用一145单元的变形镜和256x256像素的液晶校正器,设计并搭建了一套针对2米望远镜的液晶-变形镜的高低阶自适应光学校正系统[16]。该系统用变形镜对红外波段的低阶像差进行校正,利用液晶校正器对700-950nm波段的高阶像差进行了静态湍流的校正,经过校正后的波前分别在红外和可见相机进行成像。经过校正,在静态湍流下,红外1.5-1.7μm波段基本达到了衍射极限,0.95-1.5μm波段达到了1.2倍衍射极限,0.7-0.95的可见波段达到了1.1倍衍射极限[17]。可以看出,基于变形镜-液晶校正器的级联自适应系统有望解决大口径宽波段自适应校正成像的问题,但并未能实现对动态湍流的校正及成像。变形镜和液晶校正器作为两种完全不同的波前校正器,其对波前重构的方法是不同的,在波前像差分配、重构及像差耦合等方面仍然存在一些问题亟需解决,这对提高波前校正精度及实现对动态湍流的校正十分重要。
1995年中国科学光电技术研究院的研究人员用变形镜的响应函数构建了其本征模式,并对构建过程及本征模式的性质给出来了说明[67]。如图1.10所示为一37单元的变形镜的部分本征模式面型图,可以看出,类似于Zernike模式,随着模式数的增加,本征模式的空间频率逐渐增大。1998年3月,在夏威夷自适应光学系统技术会议上,联合技术自适应光学协会提出了一种低成本的自适应光学系统,其中的变形镜便是采用本征模式进行波前复原的,并给出了用此系统产生的离焦和慧差的波前及远场光点图[68]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于变形镜本征模式的方形孔径激光光束净化[J]. 王瑞,董冰. 中国科技论文. 2017(05)
[2]点目标下基于变形镜本征模式的无波前传感器自适应光学系统[J]. 王瑞,董冰. 中国激光. 2016(02)
[3]基于变形镜本征模的模型式无波前探测自适应光学系统[J]. 杨慧珍,刘荣,刘强. 红外与激光工程. 2015(12)
[4]闭环控制自适应光学系统变形镜约束技术的研究[J]. 陈善球,刘文劲,董理治,王帅,杨平,许冰,叶玉堂. 光学学报. 2015(12)
[5]基于影响函数组合及动态修正的校正模型[J]. 刘浩,梁春,沈建新. 光电工程. 2015(06)
[6]基于变形镜本征模式的空间光学遥感器波前误差校正方法研究[J]. 喻际,董冰. 光学学报. 2014(12)
[7]基于变形镜本征模式法校正大气热晕的数值模拟[J]. 闫伟,陈志华,杜太焦,关奇. 光学学报. 2014(11)
[8]哈特曼波前传感器的自动孔径搜索与匹配方法[J]. 魏凌,杨金生,史国华,王飞,饶学军,蔡留美,姜现坡,张雨东. 光电工程. 2012(02)
[9]变形镜及其驱动器的动态响应测试研究[J]. 林旭东,刘欣悦,李洪文,王建立. 红外技术. 2011(11)
[10]双变形镜自适应光学系统全场补偿实验验证[J]. 余浩,黄林海,黄利新,蔡冬梅,饶长辉,姜文汉. 红外与激光工程. 2011(08)
博士论文
[1]液晶—变形镜的高低阶式自适应光学系统研究[D]. 孙飞.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 2017
[2]提高液晶自适应系统校正效果的研究[D]. 张杏云.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
硕士论文
[1]液晶波前校正器和变形镜高低阶自适应校正方法的初探[D]. 张亚超.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014
本文编号：3264490
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)吉林省
【文章页数】：102 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
改进的液晶自适应光学系统光路
因此对于变形镜和液晶校正器波前校正器而言,单独用多个变形镜或者液晶校正器串联组成的自适应系统,仍然无法完美的实现大口径望远镜在宽波段的自适应校正成像问题。为了解决这一问题,如果将变形镜和液晶校正器组合作为波前校正器件,利用变形镜无色散及液晶校正器空间分辨率高等的优势,理论上是可以实现大口径宽波段的自适应校正成像的。如图1.10所示,利用S-H波前探测器对畸变像差进行探测,并分解为高阶和低阶像差,由于液晶校正器具有超高的校正单元,且工作波段一般局限于700-950nm波段,因此用其作为高阶校正器对700-950nm波段的高阶像差进行校正,另外选用一驱动器数目较少的变形镜对950nm后的红外长波波段的低阶像差进行校正,以此实现对红外波段高阶像差的校正,这样结合两种校正气的优势便可以实现对大口径望远镜的较宽波段的自适应校正。根据这一设想,2016年我研究组利用一145单元的变形镜和256x256像素的液晶校正器,设计并搭建了一套针对2米望远镜的液晶-变形镜的高低阶自适应光学校正系统[16]。该系统用变形镜对红外波段的低阶像差进行校正,利用液晶校正器对700-950nm波段的高阶像差进行了静态湍流的校正,经过校正后的波前分别在红外和可见相机进行成像。经过校正,在静态湍流下,红外1.5-1.7μm波段基本达到了衍射极限,0.95-1.5μm波段达到了1.2倍衍射极限,0.7-0.95的可见波段达到了1.1倍衍射极限[17]。可以看出,基于变形镜-液晶校正器的级联自适应系统有望解决大口径宽波段自适应校正成像的问题,但并未能实现对动态湍流的校正及成像。变形镜和液晶校正器作为两种完全不同的波前校正器,其对波前重构的方法是不同的,在波前像差分配、重构及像差耦合等方面仍然存在一些问题亟需解决,这对提高波前校正精度及实现对动态湍流的校正十分重要。
1995年中国科学光电技术研究院的研究人员用变形镜的响应函数构建了其本征模式,并对构建过程及本征模式的性质给出来了说明[67]。如图1.10所示为一37单元的变形镜的部分本征模式面型图,可以看出,类似于Zernike模式,随着模式数的增加,本征模式的空间频率逐渐增大。1998年3月,在夏威夷自适应光学系统技术会议上,联合技术自适应光学协会提出了一种低成本的自适应光学系统,其中的变形镜便是采用本征模式进行波前复原的,并给出了用此系统产生的离焦和慧差的波前及远场光点图[68]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于变形镜本征模式的方形孔径激光光束净化[J]. 王瑞,董冰. 中国科技论文. 2017(05)
[2]点目标下基于变形镜本征模式的无波前传感器自适应光学系统[J]. 王瑞,董冰. 中国激光. 2016(02)
[3]基于变形镜本征模的模型式无波前探测自适应光学系统[J]. 杨慧珍,刘荣,刘强. 红外与激光工程. 2015(12)
[4]闭环控制自适应光学系统变形镜约束技术的研究[J]. 陈善球,刘文劲,董理治,王帅,杨平,许冰,叶玉堂. 光学学报. 2015(12)
[5]基于影响函数组合及动态修正的校正模型[J]. 刘浩,梁春,沈建新. 光电工程. 2015(06)
[6]基于变形镜本征模式的空间光学遥感器波前误差校正方法研究[J]. 喻际,董冰. 光学学报. 2014(12)
[7]基于变形镜本征模式法校正大气热晕的数值模拟[J]. 闫伟,陈志华,杜太焦,关奇. 光学学报. 2014(11)
[8]哈特曼波前传感器的自动孔径搜索与匹配方法[J]. 魏凌,杨金生,史国华,王飞,饶学军,蔡留美,姜现坡,张雨东. 光电工程. 2012(02)
[9]变形镜及其驱动器的动态响应测试研究[J]. 林旭东,刘欣悦,李洪文,王建立. 红外技术. 2011(11)
[10]双变形镜自适应光学系统全场补偿实验验证[J]. 余浩,黄林海,黄利新,蔡冬梅,饶长辉,姜文汉. 红外与激光工程. 2011(08)
博士论文
[1]液晶—变形镜的高低阶式自适应光学系统研究[D]. 孙飞.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 2017
[2]提高液晶自适应系统校正效果的研究[D]. 张杏云.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
硕士论文
[1]液晶波前校正器和变形镜高低阶自适应校正方法的初探[D]. 张亚超.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014
本文编号：3264490
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