液晶波前校正器位相调制非线性及闭环校正研究

研究了液晶波前校正器位相调制曲线非线性的校正以及液晶自适应闭环对畸变波前的校正.利用液晶显示器领域通用的Gamma校正技术实现对液晶波前校正器非线性的校正.首先,通过施加线性的LUT曲线以获得512个LUT值对应的位相调制量.然后通过对一个波长位相调制量的线性化分割,找到能够获得线性位相调制的LUT函数曲线.最后将该优化曲线写入液晶波前校正器的驱动电路板中,再次驱动液晶波前校正器并利用ZY-GO干涉仪测量位相调制和灰度级的关系,得到了线性的位相调制.利用线性的液晶波前校正器结合哈特曼波前探测器和波前控制器进行了自适应闭环校正研究.校正前,PV和RMS的平均值分别为2.5牒.48耄痪栈纷允视πＵ琍V和RMS的平均值分别下降为和.分辨率板的一级像也由模糊变得清晰.实验结果说明,经过线性化的液晶波前校正器可以获得高校正精度.     

液晶波前校正器校正水平方向上的大气湍流

利用液晶波前校正器和哈特曼波前传感器组成的自适应光学系统对水平方向500 m的大气湍流进行校正.首先测定了液晶波前校正器(LCWFC)的位相调制特性,测定结果表明其可以实现一个波长的调制量,同时利用Garoma校正实现了位相和灰度之间的线性调制关系.然后将该系统与孔径220 mm的望远镜进行对接.液晶自适应校正后,波面均方根误差降低到0.06λ,实现了0.68"的系统衍射极限分辨.实验结果表明:液晶波前校正器可以很好地校正水平方向500 m的大气湍流扰动.     

液晶空间光调制器用于波前校正的研究

为了提高液晶空间光调制器用于波前校正的精度,测试了美国BNS公司反射式255×256像素纯相位液晶空间光调制器.由于非线性相位响应特性会降低该器件用于波前校正的性能,因此通过反插值法将相位调制曲线的非线性度减小到原来的1/8,建立了0～2π区间内相位与灰度之间的线性关系.以液晶空间光调制器作为渡前校正器,数字相移干涉仪作为波前传感器,对含有高频误差的不规则波面进行了测量和误差校正.畸变波前的峰谷值(PV)由校正前的0.78A减小到校正后的0.27A,均方根(RMS)由校正前的0.13λ减小到校正后的0.02λ.实验结果表明:液晶空间光调制器能够代替传统的变形镜,实现低成本、高分辨、高精度的波前校正.     

液晶自适应光学在天文学研究中的应用展望

液晶波前校正器作为一种高单元密度的新型波前校正器件,通过相息图的衍射可以轻松实现十微米的波前位相校正量。因此,基于液晶波前校正器的自适应光学(LCAO)系统是21世纪天文观测领域非常有希望普及的系统。但是液晶波前校正器存在响应速度慢(10ms)、能量利用率低的双重问题,国际上一直处于探索研究中。本课题组不但解决了能量问题,而且在速度方面不断取得进步,所研制的LCAO系统与1.23m口径望远镜连接,清晰观测到土星及其环绕的光环带,分辨出4.8和5.5视星等的α-Com双星,成像分辨率达到1.8倍衍射极限分辨率;目前系统延迟时间只有2ms,可以说已达到工程应用水平,在装备8~10m级大口径天文学望远镜方面极具应用潜力。     

开环液晶自适应光学系统:研究进展和结果

对于自适应光学系统,液晶波前校正器是一个非常有前景的波前校正器件。传统的向列相液晶波前校正器的主要缺点是偏振依赖和工作波段窄。采用了基于偏振分束器的开环光路设计和优化的能量分割方法来分别解决上述问题。结果显示,开环光路非常适合于液晶波前校正器,且新颖的能量分割方法显著提高了液晶自适应光学系统的探测能力。     

液晶空间光调制器的波像差校正设计与实现

针对光学系统存在的像差,提出一种基于液晶空间光调制器的波像差校正方法。对于平行光入射情况,采用数字波面移相干涉仪对光学系统的波前进行精确测量,得到畸变波前的矩阵数据;对于有限远物距的成像,采用Zemax软件模拟得到波前的矩阵数据,利用Matlab编写像差拟合程序将共轭波前的矩阵数据绘制成相应的8位BMP格式的灰度图。根据液晶空间光调制器的位相调制原理,将共轭灰度图和调制器自身的波前畸变校正图同时加载于硅基液晶面上,成像分辨率达到1348 LW/PH,高于不加载灰度图的337.8 LW/PH。实验结果表明:通过加载波前数据的共轭灰度图,可有效提高光学系统的成像质量。     

数字电视知识系列问答(下)

23 LCD 液晶电视的响应时间有何实际意义?LCD 液晶电视是指采用液晶屏做显示器的一种平板电视机,响应时间是液晶电视十分重要的一项参数。液晶显示器的响应时间是指液晶体由暗转亮(上升时间)和由亮转暗(下降时间)的整个变化周期的时间的总和,表示单位为毫秒(ms)。响应时间反映了液晶显示器各像素点对输入信号的反应速度,它的大小会改变画面的锐度。响应时间越小,用户在看移动的画面时     

基于多GPU的液晶自适应光学波前处理器

为了满足4 m天文望远镜液晶自适应光学系统的波前处理要求,研究了基于多GPU的波前处理器。介绍了液晶自适应光学波前处理方法。分析了用于匹配4 m望远镜的哈特曼探测器数目、Zernike模式数和液晶校正器驱动单元数。详细论述了多GPU下波前处理方法,包括:单GPU下计算斜率;按列分块法拟合Zernike系数;Zernike对称性算法和按行分块法计算液晶校正器灰度图。最后,分析了匹配4 m望远镜的液晶自适应光学系统的残余误差传递函数,并由此模拟了残余误差传递函数的幅频响应。实验结果表明,斜率计算延迟18 μs,Zernike系数拟合延迟39 μs,校正器灰度图计算延迟114 μs。多GPU下总的波前处理延迟171 μs,小于哈特曼探测器采样时间500 μs,液晶自适应光学系统-3 dB残余误差抑制带宽可达53 Hz。满足4 m天文望远镜的应用要求。     

液晶波前校正器过驱动矩阵的测量方法研究

从自适应光学应用的角度,对液晶波前校正器的过驱动矩阵的测量方法进行了系统研究。对量化级次和延迟时间进行了优化,最优量化级次为32级,最优延迟时间为14帧。最后,在延迟时间为14帧时,测量了液晶波前校正器的过驱动矩阵和终到位相矩阵,并对中等强度大气湍流进行了仿真校正,仿真计算结果与理论预期吻合得很好,表明测量方法可行。     

曲率探测的自适应光学Zernike模式的闭环校正

提出了一种更为简单的基于曲率探测的自适应光学闭环算法.首先,对算法的原理和闭环过程做了详细分析.然后,建立了一个自适应光学仿真模型,针对Kolmogorov特性的大气湍流相位畸变做了闭环校正.仿真结果表明,该闭环模型对大气湍流引起的波前畸变具有很高的校正精度.在此基础上,利用液晶空间光调制器作为波前校正器,搭建了相应的...     

液晶空间光调制器过驱动方法的FPGA实现

针对空间光调制器系统中,液晶在正常驱动电压下响应时间长,拖慢系统响应速度等问题,对影响液晶响应时间的因素、液晶的弛豫特性以及液晶的过驱动原理进行了分析,提出了一种基于FPGA （Field－Programmable Gate Array）的液晶过驱动方法。其中,相位量化、过驱动表查找、PWM （Pulse Width Modulation）产生均由FPGA完成,该方法不占用CPU （Central Processing Unit）资源,能够更快速响应CPU指令,在硬件方面进一步节省了液晶响应时间。最后搭建实验光路,实验结果表明使用该过驱动方法后,一个调制周期范围内,在5 V过驱动电压下,液晶调制相位上升过程响应时间从500 ms缩短至35 ms;下降过程响应时间从300 ms缩短到36 ms。实现了液晶分子相位的快速偏转,提高系统的响应速度近一个数量级。     

远场光斑反演波前相位的深度学习方法

自适应光学系统中,波前传感器的准确性和鲁棒性极大地影响像差探测能力和闭环校正效果。在波前振幅分布不均匀或信标光能量不足的情况下,哈特曼波前传感器由于存在子孔径缺光现象会导致传感精度下降,而基于远场光斑反演波前相位的无波前传感自适应系统实时性难以满足实用需求。基于深度学习复原波前的方法是通过输入远场光强图像直接求取像差,可以作为自适应光学系统的有效补充。文中通过数值模拟,证明了深度残差神经网络能够通过远场光斑直接预测波前相位的Zernike系数。实验验证了输入与重构波前相位之间校正后残差RMS为0.08λ,GPU加速后的平均计算耗时小于2 ms。该方法能较准确地预测入射波前畸变的Zernike系数,具有一定像差校正能力,适合在传统自适应光学技术中,用于测量并校正波前畸变的主要成分,或为优化式自适应光学提供良好的初始波前估计。     

任意正弦调制的正弦移相干涉波面测量方法

针对正弦移相干涉（SinPSI）中位相调制无法精确控制的问题,提出了一种从时域频谱提取波面信息的任意正弦调制SinPSI方法（ASM-SinPSI）。首先,根据SinPSI信号频谱的第一、三个谱峰强度关系确定调制幅度,并采用空间随机点的方法避免了分母零值的问题,然后从SinPSI信号的前三个谱峰中获得波面位相的正切数值与符号信息,最后以反正切计算波面位相。数值仿真表明:在未知调制信息情况下,ASM-SinPSI的波面位相提取误差为0.016 rad。在调制幅度为1.6、2、2.5、3 rad时的测量实验中,ASM-SinPSI均可精确提取波面位相,与真实波面偏差的最大值为0.058 7 rad。在1.5~3.5 rad区间内的任意调制幅度下,ASM-SinPSI无需精确预知调制信息即可高精度提取波面位相,放宽了对移相器的严苛要求。     

共路外差干涉测量液晶空间光调制器相位特性

为了对液晶空间光调制器进行高精度的校准, 使其满足线性相位调制的应用需求, 采用共路外差干涉法测量了液晶空间光调制器的相位调制特性, 分析了实验系统的测量原理, 取得了液晶空间光调制器相位调制量随输入灰度值变化的实验数据, 并进行了线性校准。结果表明, 实验中所用的液晶空间光调制器的最大相位调制量为2.55π, 利用反插值法对20~240灰度范围内的相位调制曲线进行线性校正后的理论相位调制曲线非常接近理想线性曲线, 相位调制曲线与理想线性调制曲线的相关系数可达0.9996;该测量方法可克服传统测量方法对图像处理的依赖性, 具有较高的测量精度, 相位调制量直接通过锁相放大器就可获得。该研究为基于液晶空间光调制器的高精度波前校正和精密测量提供了参考。     

纯位相液晶调制器的响应特性计算

液晶位相调制器在非显示领域有广泛的应用,例如自适应光学中的波前校正、大气湍流模拟、光学相控阵的光束指向等。在这些应用中液晶的响应速度、位相调制范围、色散等特性非常关键。围绕对这些特性的改进,本文总结了近年来人们在液晶器件设计、驱动方法改进以及液晶色散研究方面的理论计算方法,这为人们在提高液晶器件电光响应特性、预期其性能等方面的需求,提供了非常有价值的参考。     

温度对液晶波前校正器响应速度及LUT的影响研究

温度起伏会对液晶器件的相位调制特性、响应速度有影响,从而影响自适应光学系统中的液晶波前校正器的相位调制精度。针对该问题,本文研究了温度对512×512像素的硅基液晶波前校正器(LCOS)的LUT(look-up table)的影响,正是由于LUT的变化导致其相位调制特性不同;实验测量了不同温度下LCOS的时间和相位响应特性,由此计算了对应的LUT,利用最小二乘拟合方法对得到的数据进行拟合,给出了16～26℃范围内的关系式,利用此关系式可以获得该温度范围内不同温度下合理的LUT。我们在LCOS上施加闪耀光栅灰度图后,对不同LUT下入射光束的衍射效率分别进行测量,结果表明我们利用关系式内对应温度下的LUT取代LCOS中固定值的LUT方法可以克服温度的起伏带来的影响,提高LCOS的相位调制能力。本方法对于液晶器件在自适应光学、显示等领域的应用也有帮助。     

基于离焦光栅的单帧深度学习相位反演算法

针对目前相位差法收敛速度慢以及需要CCD在焦面以及离焦面多次测量的问题,提出了基于离焦光栅的单帧深度学习相位反演算法。该算法用离焦光栅对入射波前进行调制,可同时在透镜焦平面上获得正负离焦以及焦面远场光强分布;此外算法引入卷积神经网络替代原有的多次扰动寻优过程,波前复原算法耗时大大降低。仿真结果表明:算法可根据单帧透镜焦面远场光强分布实现高精度快速波前复原,残差波前的均方根为入射波前均方根的6.7%,算法进行一次波前复原所需时间可小于0.6 ms。     

Tetanic responses of electrically stimulated paralyzed muscle atvarying interpulse intervals

The influence of stimulus interpulse interval (IPI) on torque output during electrically-evoked contractions was investigated for the knee extensor muscles of paralyzed subjects. The parameters measured were the rise time, magnitude, and relaxation time of the contraction at stimulus IPI's ranging from 62 to 7 ms. Torque output increased as IPI's were decreased from 62 to 15 ms. Peak torques were recorded at IPI's of 12-15 ms; IPI's less than these resulted in an insignificant loss of torque. Rise times decreased as IPI's were decreased. Relaxation time generally increased as IPI's were decreased with the longest relaxation times occurring with stimulation at an IPI of 12 ms. To demonstrate the influence of IPI on muscle fatigue, the effect of prolonged stimulation at short (12 ms) and long (50 ms) IPI's was also compared. After 30 s of stimulation with an IPI of 12 ms, mean torque had declined to 5 +/- 3 percent and after 30 s of stimulation with an IPI of 50 ms, mean torque had declined to 82 +/- 4 percent of the initial value. Knowledge of how stimulus IPI influences the response of paralyzed muscle to electrical stimulation may assist in the development of rehabilitation devices which utilize these technologies.     

取向层参数对响应时间的影响

为了减小液晶波前校正器的响应时间,本文结合光控取向技术,研究了取向层预倾角及锚定强度特性对器件响应性能的影响。以液晶动力学方程为依据,分析预倾角效应对液晶器件响应时间的影响;利用预倾角及锚定强度与响应时间的定量关系,推导出锚定强度与预倾角的关系,从而简化了锚定强度的测量方法。采用光谱法监测了光控取向膜的取向度;以此为依据,利用4种不同曝光方式获得了不同的预倾角。理论模拟及实验结果一致表明:偶氮染料分子(SD1)获得一定的锚定强度后,通过降低其预倾角角度,其所制器件的响应性能实现了优化。     

Generation of 3.5-ps fall-time shock waves on a monolithic GaAsnonlinear transmission line

It is shown that nonlinear wave propagation on a monolithic GaAs nonlinear transmission line can form shock waves with fall time as short as 3.5 ps. An output fall time of 4.3 ps was measured for a single line driven at 15 GHz (20-ps fall time) while a cascade of two lines driven at 8 GHz (37-ps fall time) produced a 2-V wavefront with 3.5-ps fall time