纯相位液晶空间光调制器拟合泽尼克像差性能分析

纯相位液晶空间光调制器作为波前校正器构成的高分辨率、低能耗、价格低廉、易于控制的自适应光学系统受到越来越多的关注.作为一种新型波前校正器件,它对波前像差的校正能力是反映其在自适应光学系统中应用的一个重要的指标,因此有必要仔细地研究它对各种像差的校正能力,以确定其可能的应用范围.波前校正器对各阶泽尼克像差的拟合效果有效地反映了该器件对不同像差的校正能力.利用256×256像素的纯相位液晶空间光调制器(LC-SLM)产生不同系数的前36项泽尼克像差分析LC-SLM对不同像差的校正能力.讨论了填充因子、离散像素 关键词： 液晶空间光调制器 相位调制 自适应光学 泽尼克多项式     

快速响应的硅基纯相位液晶器件对动态大气湍流波前的校正能力研究

液晶相位调制器的响应时间延迟是影响液晶自适应光学系统性能的一个主要因素, 为了提高系统的响应速度, 开发了一种快速响应的向列相液晶材料, 并制成了反射式硅基液晶器件(LCOS). 分析了该LCOS的相位调制特性及其对静态畸变波前和扰动波前的校正能力. 首先, 测量了LCOS的电光响应特性, 得出其780 nm相位调制量的响应时间为2 ms. 其次, 测量了LCOS的相位调制特性, 并对相位调制进行了线性化处理. 再次, 测量了用该LCOS搭建的液晶自适应光学系统的闭环和开环3 dB带宽, 它们分别为16和18 Hz. 最后, 给出了开环液晶自适应光学系统校正大气湍流的数值模拟结果, 结果表明. 系统的Strehl比由校正前的0.025上升到了校正后的0.225. 因此, 该液晶自适应光学系统可以对Greenwood频率为30 Hz以下的大气湍流进行较良好的校正.     

双波前校正器全光路像差校正自适应光学系统像差解耦分析

分析了双波前校正器全光路像差校正自适应光学系统的工作原理,并通过共模波前传感器中的两套波前传感器探测得到的波前信息进行数据差分融合,按照优化理论推导了两套波前校正器需要校正的像差公式.根据此像差公式,仿真分析了以两套61单元变形反射镜组成的双波前校正器全光路像差校正自适应光学系统的校正能力,并与单套波前校正器全光路像差校正自适应光学系统的校正能力进行了比较,结果验证了推导的像差公式的正确性,也说明了两套波前校止器不仅可以解耦,而且其校正效果与理想行程单套波前校正器全光路像差校正自适应光学系统的校正效果相当.     

纯相位液晶空间光调制器拟合泽尼克像差性能分析

纯相位液晶空间光调制器作为波前校正器构成的高分辨率、低能耗、价格低廉、易于控制的自适应光学系统受到越来越多的关注.作为一种新型波前校正器件，它对波前像差的校正能力是反映其在自适应光学系统中应用的一个重要的指标，因此有必要仔细地研究它对各种像差的校正能力，以确定其可能的应用范围.波前校正器对各阶泽尼克像差的拟合效果有效地反映了该器件对不同像差的校正能力.利用256×256像素的纯相位液晶空间光调制器(LC-SLM)产生不同系数的前36项泽尼克像差分析LC-SLM对不同像差的校正能力.讨论了填充因子、离散像素     

基于混合液晶分子动力学模拟比较液晶分子旋转黏度大小

提高液晶波前校正器的响应速度是增加液晶自适应光学系统校正带宽的关键, 而研究设计低旋转黏度的液晶分子是提高液晶波前校正器响应速度的根本方法. 利用原子水平上的分子动力学方法获得了目标分子的液相、向列相以及近晶相, 给出了理论计算液晶分子序参数以及旋转黏度的方法. 与此同时, 结合实验方法, 提出利用混合液晶分子动力学模拟来比较液晶分子旋转黏度的大小, 通过多次模拟、多起始点数据处理最大限度消除了因边界尺寸效应带来的数据波动, 最后给出了两种高性能液晶分子的具体比较结果. 这种分子动力学模拟方法能够探查分子结构细微差别对液晶相态以及旋转黏度的影响, 为设计低旋转黏度的液晶分子提供了理论支持, 必将为快速响应液晶材料的设计提供帮助.     

自适应光学波前校正器技术发展现状

波前校正器是自适应光学系统中的关键部件,相关技术已得到了多年的积累与发展。本文介绍了多种目前常用的波前校正器件,包括分离促动器连续表面变形镜、拼接子镜变形镜、薄膜变形镜、双压电片变形镜、微电子机械系统变形镜以及基于液晶技术的空间光调制器和自适应次镜等,给出了它们的实现方式及其基本工作原理,并从空间校正频率和校正速度等方面对各校正器的性能进行了比较。最后,总结了在新应用的需求下,波前校正器件的技术创新及发展趋势。     

一种提高波前空间校正能力的组合变形镜自适应光学系统

提出了一种利用光学共轭关系,实现多变形镜空间匹配从而提高波前空间校正能力的自适应光学系统方案.通过理论分析给出了组合变形镜的面形描述方法,在此基础上建立了一套基于由两块相同方形排列变形镜构成的组合波前校正器的完整自适应光学实验系统.通过数值仿真研究了该系统对前35阶Zernike像差的校正效果,并且通过实验对比了组合变形镜和单一变形镜对实际静态像差的闭环校正效果.结果表明组合变彤镜可以等效为一多单元变形镜,在直接斜率控制算法下正常稳定闭环工作,校正效果明显优于单一变形镜.组合变形镜技术通过空间匹配实现了增加波前校正器驱动单元数和等效交连值,有效地提高了对波前的空间校正能力,因此可以代替高成本的单一多驱动器变形镜用于自适应光学系统中高阶像差的校正.     

哈特曼波前探测及波前校正的仿真与误差分析

报道了以３７单元自适应光学系统为原型的波前校正计算机仿真模型，讨论了系统波前哈特曼探测误差，拟合误差以及变形镜波前复原误差，提出了自适应光学系统在校正大气湍流引直怕波前位相畸变时存在最佳有效孔径的设想。     

液晶校正器漏光对闭环校正波前探测准确度的影响

研究了液晶分子排列对哈特曼波前探测器探测及闭环校正的影响.首先分析了分子排列对液晶校正器产生漏光强度的影响.详细探讨了在闭环校正过程中漏光对波前探测及校正准确度影响,当漏光比为40%时,产生的探测偏离误差为0.4;对于8%的漏光比,探测误差仅为0.08,可以忽略.最后分别做了扭曲和平行排列液晶校正器对静态畸变的闭环校正实验.对于漏光比为40%的扭曲液晶校正器,校正前后的PV和RMS值分别为:1.11 μm、0.25 μm和1.08 μm、 0.24 μm,说明漏光对闭环校正产生了严重影响.对于漏光比为8%的平行排列液晶校正器,通过闭环校正,波前的PV和RMS分别从1.58 m和0.22 m降到0.095 m和0.03 m,同时获得清晰的光纤束的像.结果表明,如果能够控制液晶波前校正器的漏光占总光强的比在8%以下,则可以获得高校正准确度.     

基于分区域耦合的随机并行梯度下降自适应光学

基于随机并行梯度下降(SPGD)方法的自适应光学(AO)系统通过直接优化系统的性能评价函数来控制波前校正器以补偿光束中存在的波前畸变。为了提高这种无模型优化自适应光学系统的收敛速度, 提出了基于分区域耦合的新方法以改进传统随机并行梯度下降自适应光学系统的工作方式。将波前校正器光学孔径分成多块子区域, 每块子区域对应着的所有驱动器作为一个整体控制单元, 从形式上可以得到一个空间分辨率较低的分区域波前校正器。该校正器与原校正器同步工作, 并采用随机并行梯度下降算法对同一个性能评价函数进行优化, 从而构成了双校正器的耦合工作结构。对256单元分立活塞式波前校正器建立了自适应成像系统的数值模型, 结果表明这种分区域耦合的随机并行梯度下降自适应光学系统比传统随机并行梯度下降自适应光学系统具有更快的收敛速度和更好的渐近态。     

高准确度LCOS自适应光学成像系统的研究

设计了一种液晶自适应光学成像系统.系统中高准确度硅基板液晶(LCOS)器件被用来校正波前位相.LCOS的优势在于它具有几十万个校正单元,而传统的变形镜最多只有1 000左右的校正单元,这种驱动单元的优势使LCOS拥有更高的校正准确度.系统中哈特曼波前传感器被用来测量波前畸变.对点光源进行闭环校正实验中,CCD相机获取了一个高清晰光点图像.实验中波前校正准确度为PV=0.08 λ,rms=0.015 λ(λ=632.8 nm),系统接近衍射极限.     

Light efficiency of liquid crystal spatial light modulator using,for wavefront corrector in AO

Liquid crystal spatial light modulator (LC-SLM) has a series of attractive characteristics as a wavefront corrector in adaptive optics system such as compactness, high density integration, low cost and possibility of batch production. However it also suffers from several drawbacks such as low light efficiency. We present an analysis of the light efficiency of the phase by only using LC-SLM for wavefront corrector in AO system. The factors of polarization sensitive, pixel grid structure, phase quantization and limited phase stroke are discussed in theory. Simulation results are given based on a math model of a LC-SLM. The intensity variation results from pixel structure are measured. The light efficiency of the LC-SLM is tested for generating a series of Zernike aberrations. The effect of phase wrapping method is analyzed and tested. We demonstrate that the light efficiency reduces these factors. Experiment results from the use of the phase only liquid crystal spatial light modulator confirms these conclusions.     

西安理工大学无线光通信系统自适应光学技术研究进展

总结了国内外自适应光学技术在无线光通信系统应用中的研究进展和技术分类,同时介绍了西安理工大学在该领域的工作,包括有波前测量的自适应光学系统、无波前测量的自适应光学系统、液晶空间光调制器波前校正、偏摆镜和变形镜组合的波前校正、空间光光纤耦合自适应光学波前校正等。自适应光学技术可有效修正无线光通信系统中由大气湍流引起的畸变波前,提高耦合效率和通信性能。虽然这些方法在理论分析和工程实际中尚不完善,但不失为人们在该领域进行的有益探索。     

平行光管气流扰动的液晶自适应光学校正

利用液晶自适应光学技术,建立了一套验证系统.使用哈特曼传感器为波前探测器件,反射式的LCOS液晶器件为波前校正器件,以闭环控制校正方式工作.初步实现了波前PV值从1.02λ下降到0.37λ（λ＝633 nm）的校正准确度,成像质量明显提高.系统的调制传递函数由校正前的不到10 lp/mm提高到了校正后的超过50 lp/mm.     

人眼视网膜成像自适应光学系统设计

设计一套基于液晶空间光调制器的人眼视网膜成像自适应光学系统,以获得高分辨率视网膜图像,并且使该系统实现体积小,功耗低,成本低等优点.采用夏克-哈特曼探测器和基于硅基板上的液晶器件分别作为波前探测器和波前校正器.系统采用双对准光源以主观方式来使人眼对准,近红外光探测成像以减小对人眼的刺激.使人眼对有限距离对焦,以减小离焦对成像的影响,使该系统既可用于正常眼,又可用于近视眼.用ZEMAX软件对系统进行了模拟分析,认为该系统可获得高于3 μm的视网膜分辨率,该系统设计是合理可行的.     

Aberration correction using a multi-segment mirror with feedback interferometry

A novel real-time aberration correction system using feedback interferometry and a multi-segment mirror for the wavefront corrector is described. The result is a simple and high-speed adaptive optics system demonstrating that feedback interferometry may potentially be an alternative method to conventional aberration correction techniques. Its high-speed processing and simplicity makes real-time correction practical. Our results show that the system can respond up to 37 Hz for sinusoidal phase variations with amplitude of one wavelength and improves Strehl ratio significantly.     

High precision Zernike modal gray map reconstruction for liquid crystal corrector

This paper proposes a new Zernike modal gray map reconstruction algorithm used in the nematic liquid crystal adaptive optics system. Firstly, the new modal algorithm is described. Secondly, a single loop correction experiment was conducted, and it showed that the modal method has a higher precision in gray map reconstruction than the widely used slope method. Finally, the contrast close-loop correction experiment was conducted to correct static aberration in the laboratory. The experimental results showed that the average peak to valley (PV) and root mean square (RMS) of the wavefront corrected by mode method were reduced from 2.501\lambda (\lambda =633~nm) and 0.610\lambda to 0.0334\lambda and 0.00845\lambda , respectively. The corrected PV and RMS were much smaller than those of 0.173\lambda and 0.048\lambda by slope method. The Strehl ratio and modulation transfer function of the system corrected by mode method were much closer to diffraction limit than with slope method. These results indicate that the mode method can take good advantage of the large number of pixels of the liquid crystal corrector to realize high correction precision.