多層自適應(yīng)光學(xué)中放大變形鏡位移沖程的變形鏡匹配方式的制作方法
【專利摘要】一種可以有效增加MCAO系統(tǒng)中變形鏡有效位移沖程的變形鏡匹配方式，在系統(tǒng)的同一層級(jí)，由多個(gè)變形鏡共軛匹配連接構(gòu)成，光路在變形鏡中反射后沿入射方向出射，通過分光鏡濾出，進(jìn)入同層的波前傳感器及下一層的變形鏡。本發(fā)明是根據(jù)在變形鏡中的多次反射來達(dá)到增加多倍的變形鏡位移沖程，達(dá)到更好的校正效果。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在現(xiàn)有變形鏡工藝，及沒有增加系統(tǒng)控制復(fù)雜度的前提下，很好的提高了系統(tǒng)的波前校正能力，擴(kuò)大了MCAO系統(tǒng)的等暈角。
【專利說明】多層自適應(yīng)光學(xué)中放大變形鏡位移沖程的變形鏡匹配方式

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種增大變形鏡有效位移沖程的變形鏡匹配方式設(shè)計(jì)。

【背景技術(shù)】
[0002]由于大氣湍流的影響，在可見光波段對(duì)太陽(yáng)的觀測(cè)中，光的波前畸變限制了太陽(yáng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的成像質(zhì)量。因此，當(dāng)前國(guó)際上一些主要的地基太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡為了補(bǔ)償或修正大氣瑞流對(duì)波前的影響，都配備了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)(adaptive optics,A0)。但是傳統(tǒng)的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，視場(chǎng)在典型情況下只有幾個(gè)弧秒的量級(jí)，在用于觀察稍微偏離軸的目標(biāo)時(shí)，分辨率便明顯下降，限制了其推廣應(yīng)用。于是正在建設(shè)和設(shè)計(jì)的天文太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡，大多數(shù)都采用多層自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)(mult1-conjugate adaptive optics, MCA0)。
[0003]變形鏡是自適應(yīng)光學(xué)中波前校正器的重要組成部分，相對(duì)于AO系統(tǒng)，MCAO系統(tǒng)的改進(jìn)在于將大氣湍流層進(jìn)行分層，并針對(duì)每一層的共軛位置上配置一個(gè)自適應(yīng)變形鏡，以此來將大氣湍流對(duì)每層產(chǎn)生的波面畸變進(jìn)行波前校正。
[0004]通過Dustin C.Johnston等的文章知道，要提高M(jìn)CAO系統(tǒng)的畸變波前的校正能力，進(jìn)而增大MCAO的等暈角大小,增加視場(chǎng),有兩種方式(“Estimating contribut1ns ofturbulent layers to totalwavefront phase aberrat1n，，，SPIE, 1992,1688:510-521)。
[0005]一種方式是增加對(duì)湍流層分層的層數(shù)，這樣必然會(huì)同時(shí)增加系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，以及系統(tǒng)控制的難度。而且校正器件也會(huì)隨著層數(shù)的增加而增加，那么成本也必然增加。
[0006]還有一種方式是增加系統(tǒng)中每層變形鏡的校正能力，現(xiàn)在的做法一般是增加單個(gè)變形鏡中驅(qū)動(dòng)單元的密度，這種方式從商業(yè)來說，隨之而來的將是更高的器件制作成本，更重要的是，對(duì)變形鏡制作工藝上有很高的要求，在實(shí)際應(yīng)用過程中，也很難避免由于驅(qū)動(dòng)單元過密導(dǎo)致它們之間產(chǎn)生相互影響的情況，反而使校正效果下降。所以，目前的變形鏡驅(qū)動(dòng)單元數(shù)目不多，空間分辨率較低。
[0007]現(xiàn)在的變形鏡還存在一個(gè)問題，以MEMS變形鏡為例，它由于造價(jià)低廉，得到廣泛應(yīng)用。但是，大多商業(yè)用途的MEMS變形鏡只有一個(gè)很小的位移沖程(即變形范圍)，大概只有3 μ m，如果大氣湍流帶來的波前畸變過大，則得不到很好的校正。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是為了在現(xiàn)有的變形鏡制作工藝下，既不會(huì)增加MCAO系統(tǒng)分層的層數(shù)，也不增加變形鏡驅(qū)動(dòng)單元的同時(shí)，提高M(jìn)CAO系統(tǒng)的波前校正效果，增大等暈角大小。為此提出了一種可以高效增加系統(tǒng)中位移沖程的變形鏡配置方式。
[0009]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:在MCAO系統(tǒng)的同一分層中，使用兩個(gè)或多個(gè)變形鏡，并且使他們的位置共軛匹配，使入射光在變形鏡之間多次反射，再沿入射方向反射回去，最后通過分光鏡到達(dá)波前傳感器及下一層級(jí)的變形鏡，從而實(shí)現(xiàn)在一層中對(duì)于同一個(gè)畸變波前進(jìn)行多次校正，效果等同于增大了變形鏡的位移沖程，增加了校正效果。在這個(gè)方案中，非常重要的一點(diǎn)是各個(gè)變形鏡的位置必須是相互共軛的，而使用透鏡的目的，是為了使反射回變形鏡的波前與之前入射到它上面的波前是同一大小及相位的。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0011]1.本發(fā)明就單一層來說，以使用兩個(gè)變形鏡為例，本發(fā)明中，通過同一個(gè)波前控制器控制兩個(gè)變形鏡，達(dá)到了一個(gè)3倍的有效位移沖程，校正效果非常高效；
[0012]2.本發(fā)明沒有增加MCAO系統(tǒng)的湍流分層，并且，在同一層中，雖然使用了多個(gè)變形鏡，但仍然受同一個(gè)波前控制器控制，對(duì)于系統(tǒng)的控制難度及復(fù)雜度都沒有增加；
[0013]3.本發(fā)明所采用的配置方式，使用的變形鏡是現(xiàn)有的器件，對(duì)于變形鏡的工藝沒有額外的要求，另外采用的透鏡及分光鏡也是價(jià)格低廉的器件，沒有對(duì)于系統(tǒng)增加過多的成本；
[0014]4.本方法配置方式簡(jiǎn)單易行，可以通過增加更多變形鏡，重復(fù)這種配置的方式，再將位移沖程進(jìn)行更高倍數(shù)的放大。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是MCAO系統(tǒng)的一個(gè)分層中光入射的光路圖。
[0016]圖2是MCAO系統(tǒng)的一個(gè)分層中光放射的光路圖。
[0017]圖3是一個(gè)變形鏡的結(jié)構(gòu)示意圖，可以是MEMS等技術(shù)制造的變形鏡。
[0018]圖4是現(xiàn)有的MCAO系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，以兩層為例。
[0019]圖5是本發(fā)明所采用的MCAO系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，以兩層為例。
[0020]圖中:1_變形鏡1、2_變形鏡2、3_分光鏡1、4_變形鏡3、5_變形鏡4、6_分光鏡
2、7-分光鏡3、8-分光鏡4、9-反射鏡、10-波前1、11-波前2、12-波前3、13-波前4、14-波前5、15-波前傳感器1、16-波前傳感器2、17-波前控制器1、18-波前控制器2

【具體實(shí)施方式】
[0021]圖1所表示的是MCAO系統(tǒng)的一個(gè)分層中入射光的光路，首先，入射光經(jīng)過分光鏡I (圖1中3)到達(dá)變形鏡I (圖1中I)，假設(shè)變形鏡中的驅(qū)動(dòng)器I產(chǎn)生校正驅(qū)動(dòng)(圖3)，產(chǎn)生波前I (圖1中10)，經(jīng)過2個(gè)透鏡后，會(huì)使波前的YZ平面上位移坐標(biāo)產(chǎn)生顛倒(圖1中11)，但是X軸向上的位移大小不變，最后到達(dá)變形鏡2 (圖1中)。
[0022]圖2所表示的是MCAO系統(tǒng)的一個(gè)分層中出射光的光路，由于波前2的Y，Z軸位移相對(duì)波前I有顛倒，所以到達(dá)變形鏡2 (圖2中2)時(shí)，是變形鏡的驅(qū)動(dòng)器16產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)(圖3)，產(chǎn)生了波前3(圖2中12)，由于變形鏡2的反射及校正，波前3是X軸位移沖程反向，并且加倍，有了 2倍的位移沖程。同樣，再次進(jìn)過2個(gè)透鏡，YZ平面上位移坐標(biāo)再次反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了波前4(圖2中13)。最后，經(jīng)過變形鏡1(圖2中I)的反射校正，由于波前4與波前I在位移沖程上位于坐標(biāo)軸同一個(gè)位置，所以仍然是變形鏡I的驅(qū)動(dòng)器I進(jìn)行校正驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生了波前14，這束反射光最終經(jīng)過了分光鏡I (圖2中3)，到達(dá)波前傳感器I (圖2中15)，波前傳感器將光畸變信息傳遞給波前控制器I (圖2中17)，最終有一個(gè)控制信號(hào)分別傳遞給變形鏡I和變形鏡2。
[0023]首先，如圖2所示，在校正效果上，最終產(chǎn)生的波前5(圖2中14)與入射光相比較，是經(jīng)了 2個(gè)變形鏡3次的校正，很好的產(chǎn)生了 3倍的位移沖程。如果一個(gè)變形鏡的最大位移沖程是a，那么在這套MCAO系統(tǒng)的一層中，將產(chǎn)生最大為3a的位移沖程。
[0024]其次，在系統(tǒng)控制方面，波前控制器同時(shí)控制變形鏡I和2，使兩個(gè)變形鏡的位移沖程的大小相同，只有位置有反轉(zhuǎn)。假設(shè)通過波前傳感器感知需要給出b的變形校正，那么控制器只需要控制兩個(gè)變形鏡同時(shí)給出b/3的位移沖程，就達(dá)到了整體對(duì)于波前給出b的校正量。并且控制器控制位移沖程變化的范圍縮短，相應(yīng)地控制器只需要考慮在變化精度上的提高，從而對(duì)整個(gè)變形鏡的調(diào)節(jié)精度產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。
[0025]圖5所表示的是本發(fā)明所最終采用的MCAO系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，以兩層為例。也可以看出，與圖4，現(xiàn)有的MCAO系統(tǒng)相比，有著相同的波前傳感器和波前控制器，在系統(tǒng)控制方面沒有復(fù)雜化，降低了控制的難度并省去了額外的控制成本，但是校正效果會(huì)有顯著提升。
【權(quán)利要求】
1.一種可以有效增加MCAO系統(tǒng)中變形鏡有效位移沖程的變形鏡匹配方式，包括變形鏡，透鏡，分光鏡，反光鏡，波前傳感器和波前控制器，MCAO系統(tǒng)是多層結(jié)構(gòu),但是在同一層級(jí)中，采用多個(gè)變形鏡共軛匹配連接構(gòu)成，光路在變形鏡中反射后沿入射方向出射，通過分光鏡濾出，進(jìn)入同層的波前傳感器及下一層的變形鏡。
2.如權(quán)利要求書I所述，在該系統(tǒng)分層的一個(gè)層級(jí)中，每?jī)蓚€(gè)變形鏡間是通過2個(gè)透鏡連接，來形成共軛匹配關(guān)系，入射光在變形鏡中反射，然后沿入射方向反射同去，并且再次經(jīng)過分光鏡后進(jìn)入波前傳感器，其中使用透鏡的目的，是為了反射回變形鏡的波前與之前入射到它上面的波前是同一大小及方向的。
3.如權(quán)利要求書I所述，在該系統(tǒng)分層的一個(gè)層級(jí)中，可以通過增加變形鏡數(shù)量，形成更多變形鏡的匹配方式，但仍然是通過同一個(gè)波前傳感器和波前控制器來進(jìn)行控制。
4.如權(quán)利要求書2所述的變形鏡與透鏡的組合方式，也可以將透鏡完全用凹面鏡代替，同樣要求每?jī)蓚€(gè)變形鏡是通過2個(gè)凹面鏡連接后，形成共軛匹配關(guān)系，那么就形成變形鏡與凹面鏡的反射組合方式。
【文檔編號(hào)】G02B26/06GK104133291SQ201410095401
【公開日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年3月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月17日
【發(fā)明者】榮健, 吳軼群, 孫建業(yè), 井帥奇, 黃林, 齊偉智, 吳丹, 陳炳章, 鐘曉春 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)