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.     

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。     

液晶波前校正器动态位相响应特性研究

为了对畸变波前进行精确校正,研究了液晶波前校正器在不同灰度级之间的动态位相响应特性,准确确定其响应时间。首先给出液晶波前校正器的响应时间和位相变化的检测方案。然后检测了液晶波前校正器在0和255灰度级之间的上升和下降时间,分别为7ms和11ms。在保证校正精度的条件下,对该位相曲线采取λ/10的误差截断,使上升和下降时间分别减少到4ms和6.8ms。最后,研究了各灰度级依次上升到255和从255再以次回落到各灰度级的动态响应时间。结果表明,各灰度级的上升时间在2～5.2ms之间变化,下降时间在3.66～8.74ms之间变化,且无论是上升还是下降,150和255灰度级之间转换速度最快,在255灰度级邻近的灰度响应速度最慢,且响应时间长于0和255灰度之间的响应时间。因此,在波前校正中,须以255灰度邻近的灰度级中最长的响应时间作为液晶波前校正器的响应时间,以确保波前校正精度。     

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。     

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。     

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...     

基于随机并行梯度下降算法的多级波前校正技术

为提高基于随机并行梯度下降(SPGD)箅法的高分辨率自适应光学(AO)系统的有效校正带宽,提出了分级SPGD波前校正的方法.在每一级SPGD波前校正中,将高分辨率波前校正器的控制单元按位置分成多组.每一组都施加相同的控制电压作为一个控制变量.采用的校正级越高,独立的控制变量的数目也越多.多级SPGD自适应光学系统按从低到商的等级顺序对畸变波前进行校正.以一个具有16×16控制单元的分立活塞式波前校正器为基础建立了基于3级SPGD波前校正的自适应光学系统的数值模型,并针对大气湍流引起的某一帧随机相位屏做了模拟校正实验.结果表明采用分级波前校正后收敛速度提高了23%,此方法确实提高了基于随机并行梯度下降算法的自适应光学系统的有效校正带宽.