專利名稱：基于共軛成像的多變形鏡串連組合式波前校正器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的波前校正器，特別是一種基于共軛成像的多變形鏡串連組合式波前校正器。
背景技術(shù)：
波前相位校正技術(shù)是自適應(yīng)光學(xué)中的核心技術(shù)，通?？梢酝ㄟ^使用能夠改變折射率或光路長度的波前校正元件來實現(xiàn)。波前校正技術(shù)的應(yīng)用已從天文方面擴展到激光光束整形、眼底成像、快速共焦掃描等多個領(lǐng)域，這些領(lǐng)域?qū)τ谧冃午R變形量的需求也明顯增加，其中人眼成像系統(tǒng)中波前像差的P-V值可達20μm以上。因此，自適應(yīng)系統(tǒng)要在這些應(yīng)用中取得良好的波前校正效果，波前校正器的變形量就必須足夠大。
變形量是衡量變形鏡性能的一項重要指標(biāo)，也是限制各種變形鏡應(yīng)用范圍的主要因素，不斷提高變形鏡的最大行程是制造者始終追求的目標(biāo)。但目前主要幾種變形鏡變形量的再提高受到了多種因素的制約，例如在一定口徑的連續(xù)表面分立致動式變形鏡(Bimorph DM、PZT DM)中，受制于鏡面材料，單致動器變形量的提高和致動器數(shù)量的增加就是一對相互矛盾的因素，致動器間距減小其相互間對形變的制約作用就會增大，這就意味著變形鏡的最大行程和空間分辨率不能同時得到改善；對基于MEMS技術(shù)構(gòu)造的薄膜變形鏡(MMDM)而言，由于構(gòu)造工藝的限制及存在靜電拉入現(xiàn)象，薄膜變形鏡口徑有限且變形行程的利用率只有2/3，其最大變形量一般為2～3μm；液晶變形鏡(LCDM)的變形量取決于材料雙折射效應(yīng)，其行程一般小于1μm。
Robert H.Webb等提出通過增加光波經(jīng)過變形鏡次數(shù)的方法放大有效行程(“Stroke amplifier for deformable mirrors”，Appl.Opt.43，5330-5333(2004))，但是由于分光鏡的使用造成光能的很大浪費。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服技術(shù)的不足，提供一種基于共軛成像的多變形鏡串連組合式波前校正器，該校正器結(jié)構(gòu)簡單，光能利用率高，能夠有效的增加波前校正行程，解決了為提高空間頻率而增加驅(qū)動單元數(shù)和為校正大像差增加有效行程之間的矛盾。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是基于共軛成像的多變形鏡串連組合式波前校正器，其特征在于包括多個相同波前校正器和對應(yīng)的4f光學(xué)系統(tǒng)，相鄰的波前校正器由4f光學(xué)系統(tǒng)連接起來，構(gòu)成一個組合式波前校正器，且使每個波前校正器都處在光學(xué)共軛成像位置，即每一個波前校正器依次被放在4f光學(xué)系統(tǒng)的前焦面和后焦面。對應(yīng)校正單元空間位置重合，實現(xiàn)在光路中校正行程的加倍。
所述的4f光學(xué)系統(tǒng)可以采用透鏡折射系統(tǒng)構(gòu)成，或采用離軸拋物鏡反射系統(tǒng)構(gòu)成。
所述的用于串連組合的波前校正器可以是采用壓電陶瓷(PZT)或電致伸縮陶瓷(PMN)作為驅(qū)動器的連續(xù)鏡面分立驅(qū)動的變形鏡，或者是雙壓電變形鏡(Bimorph mirror)，或者是采用微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制造的變形鏡，還可以是液晶空間光調(diào)制器件(LC-SLM)。
本發(fā)明的原理是根據(jù)光學(xué)中的物像關(guān)系，采用4f光學(xué)系統(tǒng)連接起來的多個波前校正器，由于每個波前校正器處在光學(xué)共軛的位置上，所有波前校正器依次校正同一個畸變波前，所有波前校正器上的驅(qū)動單元可以成像到其中一個波前校正器上，這樣近似等效于在一個相同排列的波前校正器。根據(jù)光程的線性疊加原理，相應(yīng)驅(qū)動單元的行程將是各個波前校正單元之和，從而提高了校正能力，而控制上卻可以不做改變。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(1)本發(fā)明所公開的將多個波前校正器通過4f光學(xué)系統(tǒng)組合起來得到一個組合式波前校正器，每個波前校正器都處在光學(xué)共軛的位置，不同于多層共軛自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)(MCAO)中的多變形鏡波前校正器分別共軛于不同高度大氣層的方法。MCAO中各校正器用于不同對象的校正，而本發(fā)明中將等效為一個使用，同時校正同一對象。根據(jù)4f系統(tǒng)的成像原理，對應(yīng)位置總行程等于每個波前校正器的驅(qū)動單元行程之和，這樣可以避免單個大行程校正器的制造。
(2)本發(fā)明所公開的基于共軛成像的多變形鏡串連組合式波前校正器，可以使用現(xiàn)有的各種連續(xù)表面的波前校正器，并且可以多個串連，只需多加入幾個4f光學(xué)系統(tǒng)就能達到增加驅(qū)動行程的目的，實現(xiàn)簡單方便。
(3)本發(fā)明所公開的基于共軛成像的多變形鏡串連組合式波前校正器，由于可以完全等效為一個相同排布的波前校正器，所以在被系統(tǒng)使用時無需修改控制方法，易于實現(xiàn)。
(4)本發(fā)明所公開的基于共軛成像的多變形鏡串連組合式波前校正器，由于沒有使用分光元件，對比Robert H.Webb等提出的行程放大方法(“Strokeamplifier for deformable mirrors”，Appl.Opt.43，5330-5333(2004))，由于沒有使用分光鏡，所以可以提高能量利用率，非常適合在微光條件下或?qū)饽芰坑袊?yán)格要求的場合使用。
(5)本發(fā)明所公開的基于共軛成像的多變形鏡串連組合式波前校正器，由于在使用中降低了對組合中單個波前校正器行程的要求，可以有效的降低制造成本，并且容易實現(xiàn)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的小型化；這是因為克服了通常單個波前校正器上驅(qū)動單元一定時增加有效行程和減小有效孔徑的矛盾。


圖1為一種常見的連續(xù)表面分立驅(qū)動的波前校正器示意圖，其驅(qū)動單元按照正方形排布的。圖中的小圓圈為驅(qū)動單元，實際使用的波前校正器驅(qū)動單元數(shù)目可以與圖中表示的不同，也可以是其他的排布方式；圖2為本發(fā)明中兩個波前校正器經(jīng)4f光學(xué)系統(tǒng)連接后，物象共軛關(guān)系原理示意圖；圖3為本發(fā)明由折射式4f光學(xué)系統(tǒng)串連兩個波前校正器組成的組合式波前校正器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明由折射式4f光學(xué)系統(tǒng)串連三個波前校正器組成的組合式波前校正器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明由反射式4f光學(xué)系統(tǒng)串連兩個波前校正器組成的組合式波前校正器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明由反射式4f光學(xué)系統(tǒng)串連三個波前校正器組成的組合式波前校正器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
如圖2所示，本發(fā)明中兩個透鏡3’、4’組成4f光學(xué)系統(tǒng)，變形鏡1和變形鏡2分別位于系統(tǒng)的前后焦平面，彼此成物象共軛位置；同時保證各個驅(qū)動單元的空間位置對應(yīng)重合，由于系統(tǒng)成倒像，對于如圖1所示的方形排列109單元變形鏡，即讓變形鏡1的1號驅(qū)動單元對應(yīng)變形鏡2的109號驅(qū)動單元，變形鏡1的2號驅(qū)動單元對應(yīng)變形鏡2的108號驅(qū)動單元，依次類推。對于非圖1所示排列的其他類型波前校正器可類似設(shè)計。每一對驅(qū)動器(如變形鏡1的1號驅(qū)動單元和變形鏡2的109號驅(qū)動單元)在系統(tǒng)使用中作為一整體控制單元使用。
如圖2所示，入射到變形鏡1A處的波前經(jīng)此處的驅(qū)動器校正后，經(jīng)4f光學(xué)系統(tǒng)后到達與變形鏡1A處共軛的變形鏡2的a處，再經(jīng)變形鏡2此處的驅(qū)動器校正(這兩個正好是按上述位置組成的一對驅(qū)動單元)，這樣整體對波前的校正量相對單一變形鏡得到加倍。
如圖3所示，使用一個折射式4f系統(tǒng)連接兩個變形鏡。入射波前將依次經(jīng)過變形鏡1和變形鏡2的校正，得到兩倍于單一變形鏡的行程。
如圖4所示，使用兩個折射式4f系統(tǒng)連接三個變形鏡。入射波前將依次經(jīng)過變形鏡1、變形鏡2和變形鏡3的校正，得到三倍于單一變形鏡行程。
如圖5所示，使用由離軸拋物面鏡對4、5組成的一個4f系統(tǒng)連接兩個變形鏡。入射波前將依次經(jīng)過變形鏡1和變形鏡2的校正，得到兩倍于單一變形鏡的行程。
如圖6所示，使用由離軸拋物面鏡對4、5和6、7組成的兩個4f系統(tǒng)連接三個變形鏡。入射波前將依次經(jīng)過變形鏡1、變形鏡2和變形鏡3的校正，得到三倍于單一變形鏡的行程。
類似的通過使用多個4f系統(tǒng)串連更多變形鏡可以有效增加對波前的校正量，克服單一波前校正器無法達到很大行程的技術(shù)困難。
權(quán)利要求
1.基于共軛成像的多變形鏡串連組合式波前校正器，其特征在于包括至少兩個相同波前校正器和對應(yīng)的4f光學(xué)系統(tǒng)，相鄰的波前校正器由4f光學(xué)系統(tǒng)連接起來，構(gòu)成一個組合式波前校正器，且使每個波前校正器都處在光學(xué)共軛成像位置，即每一個波前校正器依次被放在4f光學(xué)系統(tǒng)的前焦面和后焦面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于共軛成像的多變形鏡串連組合式波前校正器，其特征在于所述的4f光學(xué)系統(tǒng)采用透鏡折射系統(tǒng)構(gòu)成，或采用離軸拋物鏡反射系統(tǒng)構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于共軛成像的多變形鏡串連組合式波前校正器，其特征在于所述的波前校正器采用壓電陶瓷PZT或電致伸縮陶瓷PMN作為驅(qū)動器的連續(xù)鏡面分立驅(qū)動的變形鏡，或采用雙壓電變形鏡Bimorphmirror，或采用微電子機械系統(tǒng)MEMS技術(shù)制造的變形鏡，或采用液晶空間光調(diào)制器件LC-SLM。
全文摘要
基于共軛成像的多變形鏡串連組合式波前校正器，包括至少兩個相同波前校正器和對應(yīng)的4f光學(xué)系統(tǒng)，相鄰的波前校正器由4f光學(xué)系統(tǒng)連接起來，構(gòu)成一個組合式波前校正器，且使每個波前校正器都處在光學(xué)共軛成像位置，即每一個波前校正器依次被放在4f光學(xué)系統(tǒng)的前焦面和后焦面，波前校正器可以是采用壓電陶瓷或電致伸縮陶瓷作為驅(qū)動器的連續(xù)鏡面分立驅(qū)動的變形鏡，或雙壓電變形鏡，或者是采用微電子機械系統(tǒng)技術(shù)制造的變形鏡等；4f光學(xué)系統(tǒng)采用透鏡構(gòu)成的折射系統(tǒng)，或采用離軸拋物鏡構(gòu)成的反射系統(tǒng)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，光能利用率高，能夠有效的增加波前校正行程，為利用現(xiàn)有變形鏡制造技術(shù)提高自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)波前校正效果提供了一個易于實現(xiàn)的方法。
文檔編號G02B26/06GK101021616SQ20071006468
公開日2007年8月22日 申請日期2007年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月23日
發(fā)明者饒長輝, 楊華峰 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所