基于共轭成像的组合式波前校正器

摘要

基于共轭成像的组合式波前校正器，包括多个波前校正器和4f光学系统，所述的波前校正器可以是两个、三个或更多，波前校正器可以是采用压电陶瓷(PZT)或电致伸缩陶瓷(PMN)作为驱动器来制造的连续镜面变形镜，也可以是双压电变形镜(Bimorph mirror)，也可以是采用微电子机械系统(MEMS)技术制造的变形镜，还可以是液晶空间光调制器件(LC－SLM)；所述的4f光学系统既可以采用透镜构成，也可以采用离轴反射抛物镜构成，4f光学系统将相邻波前校正器依次连接起来，构成一个组合式波前校正器，且使每个波前校正器都处在光学共轭成像位置。本发明结构简单、加工工艺易实现，为实现高驱动单元数波前校正效果提供了一个易于实现的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于地基望远镜自适应光学系统的波前校正器，特别是基于共轭成像的组合式波前校正器。

背景技术

目前用于地基望远镜自适应光学系统中波前校正的波前校正器大多都是基于单个变形镜。随着望远镜主镜口径(直径D)的增加，为了达到较好的波前校正效果，变形镜的驱动单元数(N)迅速增加。设大气扰动的相干长度为r0，则N正比于(D/r0)²。在可见光自适应光学系统中，主镜口径在四米级时，变形镜驱动单元数需要上千单元，在未来的几十米，甚至上百米口径的望远镜中，变形镜的驱动单元数会达到上万个。在单个变形镜上，要安装如此多的驱动单元，技术非常困难，且造价昂贵。

J.M Beckers曾提出“多层共轭自适应光学”，即MCAO(J.M beckers，“Increasing the size of the anisoplanatic patch with multiconjugateadaptive optics”，Proc ESO conference，pp693-703，March 1988)。MCAO系统采用多个变形镜作为波前校正器，但是它将湍流大气分成若干层，每一个变形镜共轭到不同的大气层上，以校正该层大气引起的波面畸变。MCAO中的各个变形镜不在物象共轭面上，这种驱动单元数还是比较多，不便于单个波前校正器的制造。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种便于制造的将多个少单元波前校正器组合起来实现大驱动单元数校正效果的基于共轭成像的组合式波前校正器。

本发明的技术解决方案是：基于共轭成像的组合式波前校正器，其特征在于：包括多个波前校正器和4f光学系统，波前校正器可以是两个、三个或更多，相邻波前校正器用4f光学系统连接起来，构成一个组合式波前校正器，每一个波前校正器依次放在4f光学系统的前焦面和后焦面，即每一个波前校正器都处在光学成像共轭位置。

所述基于共轭成像的组合式波前校正器中的波前校正器可以是采用压电陶瓷(PZT)或电致伸缩陶瓷(PMN)作为驱动器来制造的连续镜面变形镜，也可以是双压电变形镜(Bimorph mirror)，也可以是采用微电子机械系统(MEMS)技术制造的变形镜，还可以是液晶空间光调制器件(LC-SLM)。

所述基于共轭成像的组合式波前校正器中的每个波前校正器的驱动单元排列方案为将一个已知排布数量的驱动单元按照平面点群中的对称操作拆分成几类，每一类对应到一个波前校正器上去，所有波前校正器的驱动单元成像在一个波前校正器位置上时成拆分前的排布。

所述基于共轭成像的组合式波前校正器中的4f光学系统可以由透镜组成，也可以由离轴反射抛物镜组成。

本发明的原理是：根据光学中的物像关系，采用4f光学系统连接起来的多个波前校正器，由于每个波前校正器处在光学共轭的位置上，所有波前校正器依次校正同一个畸变波前，所有波前校正器上的驱动单元可以成像到其中一个波前校正器上，这样近似等效于在一个波前校正器上有数量巨大的驱动单元。运用平面点群中的对称操作将二维平面上排布好的数量巨大的驱动单元拆分成几类，每一类对应到一个波前校正器上。如图8所示，当带有像差的光束依次入射到第一个波前校正器1、4f光学系统2、第二个波前校正器3、4f光学系统4、第三个波前校正器5上，入射光波前得到组合式波前校正器中每个波前校正器的校正。具体的校正能力依赖于波前校正器个数，各个波前校正器上驱动单元的数量、排布方式以及空间对应关系，各个波前校正器的影响函数、行程等。

本发明对现有技术相比有如下优点：

1.本发明中提出将多个波前校正器通过4f光学系统组合起来得到一个组合式波前校正器，每个波前校正器都处在光学共轭的位置上并且都共轭到同一大气层上或望远镜主镜上，与现有技术MCAO中的多变形镜波前校正器有着本质区别。根据4f系统的成像原理，总的驱动单元可以分配到组合式波前校正器中每个波前校正器上，所以每个波前校正器的驱动单元数得到降低，这样便于单个波前校正器的制造。

2.本发明所公开的基于共轭成像的组合式波前校正器，在选定波前校正器类型后，只需多加入几个4f光学系统和几个少单元数的波前校正器，就能达到增加驱动单元数的目的，比单独在一个波前校正器上增加校正单元难度减小。

3.本发明所公开的基于共轭成像的组合式波前校正器，若波前校正器选定为连续镜面变形镜，由于每个变形镜的驱动单元较少，则它的行程(动态范围)可以达到很大，克服了用单个高密度连续镜面变形镜校正高阶像差需要行程很大时对镜面材料韧性要求过高的缺点。

4.本发明所公开的基于共轭成像的组合式波前校正器，它的相邻波前校正器采用4f光学系统连接，使每一个波前校正器都处于光学共轭的位置，从而达到每一个波前校正器依次校正同一个波前的目的，使用多个波前校正器就如同使用一个波前校正器。对每个波前校正器的控制与使用一个波前校正器时差别不大，所以不会大幅度增加控制难度。

附图说明

图1为单一波前校正器上驱动单元按照正方形排布的示意图。图中的小圆圈为驱动单元。驱动单元数目可以比图中表示的更多，这里只代表排布的方式，不限定具体的驱动单元数目；

图2为对单一波前校正器上按照正方形排布的驱动单元进行均匀拆分的示意图；

图3a为本发明中将正方形排布驱动单元拆分到两个波前校正器上去的示意图；

图3b为本发明中将正方形排布驱动单元拆分到四个波前校正器上去的示意图；

图3c为本发明中将正方形排布驱动单元拆分到五个波前校正器上去的示意图；

图4为单一波前校正器上驱动单元按照正三角形排布的示意图。图中的小圆圈为驱动单元。驱动单元数目可以比图中表示的更多，这里只代表排布的方式，不限制具体的驱动单元数目。

图5为对单一波前校正器上按照正三角形排布的驱动单元进行均匀拆分的示意图；

图6a为本发明中将正三角形排布驱动单元拆分到三个波前校正器上去的示意图；

图6b为本发明中将正三角形排布驱动单元拆分到四个波前校正器上去的示意图；

图7为由折射式4f光学系统连接两个波前校正器组成的组合式波前校正器的结构示意图；

图8为由折射式4f光学系统连接三个波前校正器组成的组合式波前校正器的结构示意图；

图9为由反射式4f光学系统连接两个波前校正器组成的组合式波前校正器的结构示意图；

图10为由反射式4f光学系统连接三个波前校正器组成的组合式波前校正器的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，在一个大口径地基望远镜自适应光学系统中，如果望远镜主镜口径为D，大气相干长度为r0，根据(D/r0)²，得到需要制造的波前校正器的驱动单元数目，且按照正方形排布，图中的小圆圈为一个驱动单元。我们采用平面点群中的对称操作，将这些驱动单元拆分成几类，每一类对应到一个波前校正器上，从而达到减少每个波前校正器上驱动单元数量的目的。具体分成几类或者对应到几个波前校正器上由波前校正器制造水平决定。

具体的一种拆分步骤如图2所示，解释如下：

1.假定驱动单元间距为d0，以一定边长r找出四个等间距的驱动单元A、B、C、D，分别以过A、B、C、D且垂直镜面的直线为旋转轴，以r为半径作4次旋转对称操作，找出B、D的等效点E、F，A、C的等效点G、H，B、D的等效点I、J，A、C的等效点K、L。

2.再将旋转轴分别移至E、F、G、H、I、J、K、L处，同样以半径r作4次旋转对称操作，找出一系列等效点。

3.重复以上操作，直到平面上所有等效点都找出来，则这些等效点就是拆分出的一类驱动单元。

4.在剩下的驱动单元中同样找出等间距为r的四个驱动单元，重复1、2、3操作，得到另一类驱动单元。

5.重复操作4直到平面上的所有驱动单元都拆分完成。

半径r的选择决定了拆分后的驱动单元的种类数。r从小到大可以取d0、2d0、2d0、3d0、......，分别对应为拆分成2类、4类、5类、8类、9类、10类......，即将一个驱动单元间距为d0的波前校正器用2个、4个、5个、8个、9个、10个......驱动单元间距分别为d0、2d0、2d0、3d0、......的波前校正器组合起来实现。

如图3a所示为将正方形排布的驱动单元拆分成两类驱动单元的示意图，等号右边代表拆分前的驱动单元排布方式，等号左边代表拆分后的两类驱动单元排布方式。

如图3b所示为将正方形排布的驱动单元拆分成四类驱动单元的示意图，等号右边代表拆分前的驱动单元排布方式，等号左边代表拆分后的四类驱动单元排布方式。

如图3c所示为将正方形排布的驱动单元拆分成五类驱动单元的示意图，等号后代表拆分前的驱动单元排布方式，等号前代表拆分后的五类驱动单元排布方式。

如图4所示，在一个大口径地基望远镜自适应光学系统中，如果望远镜主镜口径为D，大气相干长度为r0，根据(D/r0)²，得到需要制造的波前校正器的驱动单元数目，且按照正三角形排布，图中的小圆圈为一个驱动单元。我们也可采用平面点群中的对称操作，将这些驱动单元拆分成几类，每一类对应到一个波前校正器上，从而达到减少每个波前校正器上安装驱动单元数量的目的。具体分成几类或者对应到几个波前校正器上由波前校正器制造水平决定。

具体的一种拆分步骤如图5所示，解释如下：

1.假定驱动单元间距为d0，以一定边长r找出三个等间距的驱动单元A、B、C，分别以过A、B、C且垂直镜面的直线为旋转轴，以r为半径作6次旋转对称操作，找出B、C的等效点D、E、K、L，A、C的等效点E、F、G、H，A、B的等效点H、I、J、K。

2.再将旋转轴分别移至D、E、F、G、H、I、J、K处，同样以半径r作6次旋转对称操作，找出一系列等效点。

3.重复以上操作，直到平面上所有等效点都找出来，则这些等效点就是拆分出的一类驱动单元。

4.在剩下的驱动单元中同样找出等间距为r的三个驱动单元，重复1、2、3操作，得到另一类驱动单元。

5.重复操作4直到平面上的所有驱动单元都拆分完成。

半径r的选择决定了拆分后的驱动单元的种类数。r从小到大可以取d0、2d0、3d0、......，分别对应为拆分成3类、4类、7类、9类、13类......，即将一个驱动单元间距为d0波前校正器用3个、4个、7个、9个、13个......驱动单元间距分别为d0、2d0、3d0、......的波前校正器组合起来实现。

如图6a所示为将正三角形排布的驱动单元拆分成三类驱动单元的示意图，等号下边代表拆分前的驱动单元排布方式，等号上边代表拆分后的三类驱动单元排布方式。

如图6b所示为将正三角形排布的驱动单元拆分成四类驱动单元的示意图，等号后代表拆分前的驱动单元排布方式，等号前代表拆分后的四类驱动单元排布方式。

拆分完成后，将每一类驱动单元对应到一个波前校正器上，拆分成几类对应为几个波前校正器。所有波前校正器依次用4f光学系统连接起来，组成一个组合式波前校正器，且使得每个波前校正器都处在光学成像共轭位置。

当采用折射式4f光学系统且驱动单元被拆分成两类时，如图7所示，入射波前为受到大气湍流扰动的畸变波前，首先入射到第一个波前校正器1上，再经过4f光学系统2入射到第二个波前校正器3上，最终出射光的波前同时得到波前校正器1、3的校正。

当采用折射式4f光学系统且驱动单元被拆分成三类时，则在两类的基础上，再添加一个4f光学系统4和一个波前校正器5。如图8所示，入射波前为受到大气湍流扰动的畸变波前，首先入射到第一个波前校正器1上，再经过4f光学系统2入射到第二个波前校正器3上，然后经过4f光学系统4入射到第三个波前校正器5上，最终出射光的波前同时得到波前校正器1、波前校正器3和波前校正器5的校正。如果需要更多的波前校正器，则以后的第四个波前校正器、第五个波前校正器......依次通过4f光学系统连接起来。

当采用反射式4f光学系统且驱动单元被拆分成两类时，如图9所示，入射波前为受到大气湍流扰动的畸变波前，首先入射到第一个波前校正器1上，再经过由离轴抛物反射镜6、7组成的4f光学系统入射到第二个波前校正器3上，最终出射光的波前同时得到波前校正器1、3的校正。

当采用反射式4f光学系统且驱动单元被拆分成三类时，则在两类的基础上，再添加一个由离轴抛物反射镜6、7组成的4f光学系统和一个波前校正器5。如图10所示，入射波前为受到大气湍流扰动的畸变波前，首先入射到第一个波前校正器1上，再经过由离轴抛物反射镜6、7组成的4f光学系统入射到第二个波前校正器3上，然后经过由离轴抛物反射镜8、9组成的4f光学系统入射到第三个波前校正器5上，最终出射光的波前同时得到波前校正器1、波前校正器3和波前校正器5的校正。如果需要更多的波前校正器，则以后的第四个波前校正器、第五个波前校正器......依次通过4f光学系统连接起来。