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
技術領域：
本發明涉及一種用于自適應光學系統的波前校正器，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：
波前相位校正技術是自適應光學中的核心技術，通常可以通過使用能夠改變折射率或光路長度的波前校正元件來實現。波前校正技術的應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域，這些領域對于變形鏡變形量的需求也明顯增加，其中人眼成像系統中波前像差的P-V值可達20μm以上。因此，自適應系統要在這些應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，也是限制各種變形鏡應用范圍的主要因素，不斷提高變形鏡的最大行程是制造者始終追求的目標。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技術構造的薄膜變形鏡(MMDM)而言，由于構造工藝的限制及存在靜電拉入現象，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，其行程一般小于1μm。
Robert H.Webb等提出通過增加光波經過變形鏡次數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。
發明內容
本發明的技術解決問題是克服技術的不足，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，該校正器結構簡單，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動單元數和為校正大像差增加有效行程之間的矛盾。
本發明的技術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的4f光學系統，相鄰的波前校正器由4f光學系統連接起來，構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共軛成像位置，即每一個波前校正器依次被放在4f光學系統的前焦面和后焦面。對應校正單元空間位置重合，實現在光路中校正行程的加倍。
所述的4f光學系統可以采用透鏡折射系統構成，或采用離軸拋物鏡反射系統構成。
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)作為驅動器的連續鏡面分立驅動的變形鏡，或者是雙壓電變形鏡(Bimorph mirror)，或者是采用微電子機械系統(MEMS)技術制造的變形鏡，還可以是液晶空間光調制器件(LC-SLM)。
本發明的原理是根據光學中的物像關系，采用4f光學系統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。根據光程的線性疊加原理，相應驅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。
本發明與現有技術相比有如下優點(1)本發明所公開的將多個波前校正器通過4f光學系統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共軛的位置，不同于多層共軛自適應光學系統(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，而本發明中將等效為一個使用，同時校正同一對象。根據4f系統的成像原理，對應位置總行程等于每個波前校正器的驅動單元行程之和，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，可以使用現有的各種連續表面的波前校正器，并且可以多個串連，只需多加入幾個4f光學系統就能達到增加驅動行程的目的，實現簡單方便。
(3)本發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，所以在被系統使用時無需修改控制方法，易于實現。
(4)本發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對光能量有嚴格要求的場合使用。
(5)本發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，并且容易實現自適應光學系統的小型化；這是因為克服了通常單個波前校正器上驅動單元一定時增加有效行程和減小有效孔徑的矛盾。
圖1為一種常見的連續表面分立驅動的波前校正器示意圖，其驅動單元按照正方形排布的。圖中的小圓圈為驅動單元，實際使用的波前校正器驅動單元數目可以與圖中表示的不同，也可以是其他的排布方式；圖2為本發明中兩個波前校正器經4f光學系統連接后，物象共軛關系原理示意圖；圖3為本發明由折射式4f光學系統串連兩個波前校正器組成的組合式波前校正器的結構示意圖；圖4為本發明由折射式4f光學系統串連三個波前校正器組成的組合式波前校正器的結構示意圖；圖5為本發明由反射式4f光學系統串連兩個波前校正器組成的組合式波前校正器的結構示意圖；圖6為本發明由反射式4f光學系統串連三個波前校正器組成的組合式波前校正器的結構示意圖。
具體實施例方式
如圖2所示，本發明中兩個透鏡3’、4’組成4f光學系統，變形鏡1和變形鏡2分別位于系統的前后焦平面，彼此成物象共軛位置；同時保證各個驅動單元的空間位置對應重合，由于系統成倒像，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號驅動單元對應變形鏡2的109號驅動單元，變形鏡1的2號驅動單元對應變形鏡2的108號驅動單元，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計。每一對驅動器(如變形鏡1的1號驅動單元和變形鏡2的109號驅動單元)在系統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處的波前經此處的驅動器校正后，經4f光學系統后到達與變形鏡1A處共軛的變形鏡2的a處，再經變形鏡2此處的驅動器校正(這兩個正好是按上述位置組成的一對驅動單元)，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系統連接兩個變形鏡。入射波前將依次經過變形鏡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系統連接三個變形鏡。入射波前將依次經過變形鏡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系統連接兩個變形鏡。入射波前將依次經過變形鏡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系統連接三個變形鏡。入射波前將依次經過變形鏡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困難。
權利要求
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的4f光學系統，相鄰的波前校正器由4f光學系統連接起來，構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共軛成像位置，即每一個波前校正器依次被放在4f光學系統的前焦面和后焦面。
2.根據權利要求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光學系統采用透鏡折射系統構成，或采用離軸拋物鏡反射系統構成。
3.根據權利要求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作為驅動器的連續鏡面分立驅動的變形鏡，或采用雙壓電變形鏡Bimorphmirror，或采用微電子機械系統MEMS技術制造的變形鏡，或采用液晶空間光調制器件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的4f光學系統，相鄰的波前校正器由4f光學系統連接起來，構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共軛成像位置，即每一個波前校正器依次被放在4f光學系統的前焦面和后焦面，波前校正器可以是采用壓電陶瓷或電致伸縮陶瓷作為驅動器的連續鏡面分立驅動的變形鏡，或雙壓電變形鏡，或者是采用微電子機械系統技術制造的變形鏡等；4f光學系統采用透鏡構成的折射系統，或采用離軸拋物鏡構成的反射系統。本發明結構簡單，光能利用率高，能夠有效的增加波前校正行程，為利用現有變形鏡制造技術提高自適應光學系統波前校正效果提供了一個易于實現的方法。
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 優先權日2007年3月23日
發明者饒長輝, 楊華峰 申請人:中國科學院光電技術研究所