液晶—变形镜的高低阶式自适应光学系统研究

发布时间：2018-07-07 22:33

  本文选题：自适应光学 + 变形镜　； 参考：《中国科学院长春光学精密机械与物理研究所》2017年博士论文

【摘要】：自适应光学成像系统是大口径望远镜对空间目标进行观测时必不可少的装备,可以对大气湍流引起的波前畸变进行实时补偿,恢复望远镜自身的成像分辨率。传统的变形镜由于制造工艺的限制,其驱动单元数很难超过千单元,为此大多工作在湍流强度较弱的红外波段。而液晶波前校正器具有百万像素的驱动单元密度,可以应用在湍流很强的可见光波段,但由于液晶波前校正器的色散问题,其工作波段很难向红外波段扩展。因此本文提出液晶波前校正器和变形镜高低阶式组合的自适应光学系统,具有在可见与红外波段分别自适应光学成像的功能。首先分析了大气湍流对传输光束的扰动强度与波长的关系,推论在一宽波段的传输光束中,其长波波前与短波波前应具有相同的波前畸变量,然而由于长波比短波的衍射极限分辨率低,当湍流像差的高阶畸变量小于长波的衍射极限时,可以忽略其影响。基于上述分析设计了一套针对2米望远镜的液晶-变形镜的高低阶式自适应光学系统,采用97单元变形镜和256×256像素的液晶波前校正器串联工作,对应700-1700nm波段的成像光束,变形镜首先校正全波段波前畸变的低阶成分,使950-1700nm红外波段的波前畸变基本消除,然后在变形镜后进行光谱分束,以950nm为分界点,将分出的已消除波前畸变的950-1700nm红外光束导入红外相机成像,700-950nm的可见光波段光束导入液晶波前校正器校正剩余的高阶成分,导入可见相机成像。对变形镜和液晶校正器的工作波段进行像差zernike模式的分配。由于大气湍流对传输光束的扰动强度即大气相干长度与波长的6/5次方成正比,分别取700nm、1000nm和1500nm作为三个波段的短波限波长,并将700nm波段对应的大气相干长度选定为10.0cm,则利用fried公式计算出另外两个波长对应的大气相干长度分别为15.3cm和24.9cm。分别将三个波段的短波限波长及其对应的大气相干长度、2米望远镜口径代入zernike模式多项式的截断误差公式,在波前残差rms值等于1rad时,计算出三个波段所对应的畸变波前需要的zernike模式项数分别为77项,34项和14项。为证实上述计算,针对2米口径望远镜、设700nm波段的大气相干长度为10cm、采用77项zernike多项式的k-l模式展开法产生100幅平均rms值为0.68μm的随机湍流波前;利用实测的97单元变形镜对应前29项zernike模式的响应矩阵对这100幅随机湍流波前进行重构计算,然后用重构波前与产生的波前相减,进行校正模拟,看到波前畸变rms值减小到0.1μm、前29项zernike模式系数均小于0.01μm、而高阶项的系数为0.05μm左右;利用波前畸变rms值0.1μm计算出在1500-1700nm波段成像分辨率可以达到衍射极限,在950-1500nm波段成像分辨率也能优于1.2倍衍射极限;接着利用实测的液晶波前校正器对30-77项zernike模式的响应矩阵进一步模拟校正消除了低阶畸变的100幅波前,使77项zernike模式系数均小于0.01μm,波前残差的rms值减小到0.03μm,进一步计算出700-950nm波段的成像分辨率能够达到衍射极限。通常为了保证探测器接收到的探测信号与校正器所施加的校正信号一致,需要让自适应光学系统中的探测器、校正器分别与望远镜的入射光瞳共轭,一般可以采用4f光学系统来实现,而在液晶-变形镜的高低阶式自适应光学系统中,通过变形镜和倾斜镜的光束波段较宽(400-1700nm),为了防止4f透镜组引入色差,定量分析了省略4f系统后波前校正器在所设计的2米望远镜系统中偏离共轭位置的影响。为了保证入射光束倾斜时偏移的光斑不超出倾斜镜的有效孔径、到达哈特曼探测器时光束的偏移量不超过1/10子孔径,反算出倾斜镜偏离共轭位置的距离要小于20mm;为了保证畸变波前自由传播至非共轭位置的波前变化量小于衍射极限,变形镜偏离共轭位置的距离要小于250mm;通过对轴外视场波前的校正模拟,当变形镜偏离共轭位置的距离小于160mm时,可以保证望远镜5角秒视场内的波前校正误差小于衍射极限。为证实液晶-变形镜高低阶式自适应光学系统的可靠性,利用光学设计软件设计了2米口径自适应光学望远镜通过湍流模拟器对分辨率板成像的验证系统。光束波段为700-1700nm、湍流模拟器的通光口径为20mm、785nm波长对应的大气相干长度为1mm,将通光口径和大气相干长度均放大100倍正好对应2米口径望远镜和10cm的大气相干长度;系统中97单元变形镜采用闭环控制,256×256像素的液晶波前校正器采用开环控制,两种校正器的误差抑制-3dB带宽分别为88Hz和75Hz,满足格林伍德频率为50Hz的大气湍流校正要求;采用950nm和1500nm两种分色片将成像波段分成三部分:700-950nm、950-1500nm、1500-1700nm。液晶-变形镜的高低阶式自适应校正效果为:1500-1700nm波段的成像分辨率达到了衍射极限;950-1500nm波段的成像分辨率达到1.2倍衍射极限;700-950nm波段的成像分辨率达到1.1倍衍射极限,与模拟结果基本吻合。本论文属于液晶波前校正器与变形镜的高低阶式自适应光学系统的开创性工作,将对宽波段校正成像的自适应光学技术起到一定推动作用。
[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 .
【学位授予单位】：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH743

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本文编号：2106490