改進的光束折疊式液晶自適應光學成像系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于自適應光學領域，是一種改進的光束折疊結構、緊湊型液晶自適應光學成像系統。涉及兩個相同參數的分色鏡設計，是離軸拋物面鏡、反射鏡、分色鏡、PBS分束器等光學元件與液晶波前校正器、哈特曼波前探測器、自適應光學控制器的組合，具體地說是一種裝備于大口徑地基望遠鏡的光束折疊式高精度液晶自適應光學成像系統。
【背景技術】
[0002]與望遠鏡連接的液晶自適應光學系統可以對大氣引起的光學波前畸變進行實時補償校正、恢復望遠鏡的高分辨率成像，因此在大口徑地基望遠鏡中具有重要應用。但是，隨著望遠鏡口徑的增加，液晶自適應光學系統中的光學元件尺寸也相應增大，如果仍然采用簡單的透射式結構則系統體積會顯著增加。這些變化不僅增加了透射式光學元件的加工難度和系統制備后期的裝調難度，對液晶自適應光學系統的運行條件也提出了更高要求。因此，中國發明專利申請文件(CN 103969824A，CN 103969825A)針對上述問題，提出采用反射式光學元件對光束進行折疊，大幅縮小系統結構。為高效利用光能，上述系統設置哈特曼探測器與液晶校正器為開環控制自適應光路，隨之帶來一個麻煩，即在啟動自適應系統的初始化時必須切換為閉環控制自適應光路，以完成對液晶校正器響應矩陣的測量，相當于一般儀器的歸零校準。這個切換要在哈特曼探測器之前移入一個與其光軸成45°角的反射鏡，如圖1所示，其中180即為該反射鏡，在此系統中稱為第五反射鏡，19為哈特曼波前探測器，100為液晶校正器，當液晶校正器響應矩陣的測量結束后再將第五反射鏡180移出光路，這樣有可能造成進入哈特曼探測器的光軸移位或偏擺，產生液晶校正器響應矩陣的測量誤差，使自適應系統的校正標準偏移，成像質量受影響；另外14為第四拋物面鏡，切換為閉環控制自適應光路時第四拋物面鏡14也須從光路中移出，但此元件的后續光路中只有成像CCD相機15，即使來回移動第四拋物面鏡14對光軸對準精度略有影響，也只是使屏幕上的成像位置略有平移，不會造成圖像質量下降；圖1中的其它元件是，1為第一反射鏡、2為第一拋物面鏡，3為第二反射鏡，4為快速振鏡，5為以700nm波長分色的短波通分色鏡，6為第二拋物面鏡，7為第三反射鏡，8為第一透鏡，9為PBS偏振分束器，12為第四反射鏡，13為第三離軸拋物面鏡，14為可上下移動的第四離軸拋物面鏡，15為成像CCD相機，16、17分別為第二、第三透鏡，21為點光源氙燈，位于第一拋物面鏡2和望遠鏡的共焦點處。
[0003]液晶校正器響應矩陣的獲得方法參見中國發明專利(ZL200610173382.3)，“無偏振光能量損失的液晶自適應光學系統”。
[0004]在液晶自適應光學系統中要求哈特曼探測器與液晶校正器的光軸對準程度非常嚴格。因此在系統需要切換光路時，所移動的光學元件應該對二者間的光軸傳遞無任何影響才是最佳設計。
【發明內容】
[0005]本發明在哈特曼探測器之前設置一個分色鏡來替代【背景技術】系統中哈特曼探測器之前的反射鏡，使測量液晶校正器響應矩陣時，從開環控制到閉環控制自適應光路切換也不會造成進入哈特曼探測器的光軸移位或偏擺，目的是提供一種裝備于大口徑地基望遠鏡的光束折疊式高精度液晶自適應光學成像系統。
[0006]本發明的基本思想是，將圖1中第五反射鏡180替換為與分色鏡5相同的光學元件，這樣在測量液晶校正器響應矩陣時只需要移出第四拋物面鏡14即可從開環切換到到閉環控制自適應光路，不會影響哈特曼探測器與液晶校正器之間的光軸傳遞，然后在透鏡組16、17之間插入遮攔屏阻隔探測支路的光束進入哈特曼波前探測器19，保證只有經過液晶校正器作用的光束進入到哈特曼探測器中，準確測得液晶校正器的響應矩陣。
[0007]為了更好地理解本發明，下面詳述本發明的主光學系統。如圖2所示，主光學系統由第一反射鏡1、第一離軸拋物面鏡2、第二反射鏡3、快速振鏡4、第一分色鏡5、第二離軸拋物面鏡6、第三反射鏡7、第一透鏡8、PBS偏振分束器9、第一液晶校正器10、第二液晶校正器11、第四反射鏡12、第三離軸拋物面鏡13、第四離軸拋物面鏡14、成像C⑶相機15、第二透鏡16、第三透鏡17、第二分色鏡18、哈特曼波前探測器19、工控機20組成。
[0008]望遠鏡的焦點24與第一離軸拋物面鏡2共焦點，使從望遠鏡焦點24出射的發散光束到達第一離軸拋物面鏡2處反射出平行光束，同時令第一反射鏡1折疊望遠鏡焦點24到第一離軸拋物面鏡2的光束；然后從第一離軸拋物面鏡2反射出的平行光束由第二反射鏡3再次折疊后到達與光軸成45°放置的快速振鏡4上，快速振鏡4的作用是對光波前傾斜進行自適應校正；去掉傾斜的光束可以無抖動地到達與所在光軸成45°放置的短波通第一分色鏡5，第一分色鏡5的作用是使望遠鏡接收的光能量按照波段分為兩束，其中短波波段的光束透射、長波波段的光束90°折軸反射，形成互為垂直的長波光束和短波光束；透過的短波光束最終進入哈特曼波前探測器19，這段光路稱為波前探測支路；而從第一分色鏡5處90°折軸反射的長波光束經第一液晶校正器10和第二液晶校正器11分別自適應校正P、S偏振光的傾斜以外的波前高階畸變、最終進入成像CCD相機15，這段光路稱為校正成像支路。
[0009]在波前探測支路，光路較短，通過共焦面的第二透鏡16、第三透鏡17進行縮束、形成直徑與哈特曼波前探測器19的接收口徑相同的平行光束，該平行光束透過光學參數與第一分色鏡5完全相同的第二分色鏡18而全部進入哈特曼波前探測器19。哈特曼波前探測器19的作用是探測快速振鏡4校正了波前傾斜后的剩余光波前畸變，因此必須使快速振鏡4與哈特曼波前探測器19共軛，即快速振鏡4到第二透鏡16的光路長度為第二透鏡16的焦距，第三透鏡17到哈特曼波前探測器19的距離為第三透鏡17的焦距；第二分色鏡18是與第一分色鏡5完全相同的短波通分色鏡，與光軸成45°放置，其作用是使透過第一分色鏡5的探測支路短波光束能夠最大限度透過進入哈特曼波前探測器19，另外還能在第四離軸拋物面鏡14移出光路后，使第一分色鏡5反射進入兩液晶校正器10、11的光束也最大限度進入哈特曼波前探測器19，實現開環到閉環控制光路的簡單切換，而不影響從第一液晶校正器10、第二液晶校正器11到哈特曼波前探測器19的光軸傳遞精度。
[0010]在校正成像支路，光路較長，進一步分為兩段:第一段是從第一分色鏡5反射到入射第一液晶校正器10和第二液晶校正器11的入射光路，第二段是從第一液晶校正器10和第二液晶校正器11反射進入成像CCD相機15的反射光路；入射光路的光束首先由第二離軸拋物面鏡6和第三反射鏡7兩次折束、偏心入射第一透鏡8，且第二離軸拋物面鏡6與第一透鏡8共焦面形成縮束透鏡組使光束直徑調整為與液晶校正器接收口徑相同的平行光；第三反射鏡7的反射角度與第二離軸拋物面鏡6的反射角度相同，使光束在到達第二離軸拋物面鏡6前和從第三反射鏡7出射后的光軸相互平行；第一透鏡8的軸線相對第三反射鏡7后的光束軸線上移第一透鏡8焦距的0.035?0.052倍，使得通過第一透鏡8的光束產生2°?3°的傾斜出射，以這個入射角通過PBS偏振分束器9被分成透射P偏振光和反射S偏振光；分別在平行S偏振方向和P偏振方向設置第一液晶校正器10和第二液晶校正器11的e光光軸、即液晶取向方向，P偏振光束和S偏振光束均以2°?3°入射角分別入射第一液晶校正器10和第二液晶校正器11 ;經兩個校正器同步校正后的P、S偏振光束以與入射光束對稱的角度被反射回PBS偏振分束器9，出射后P、