[发明专利]提高液晶波前校正器响应速度的过渡灰度级驱动方法

说明书

技术领域

本发明属于自适应光学技术领域，是一种对液晶波前校正器驱动过程的优化技术，具体地说是提高液晶波前校正器响应速度的过渡灰度级驱动方法。

背景技术

光波前自适应校正系统的功能是对入射光的畸变波前进行实时补偿校正，得到理想的光学成像。

基于向列相液晶材料的液晶波前校正器，采用成熟的微电子技术制备工艺，具有高象素密度的特点，不但校正精度高，而且可以利用相息图技术校正波前，只需要1个波长的绝对位相调制量，就可以校正深度为10个波长的畸变波前。因此使用液晶波前校正器的自适应光学系统在大口径望远镜成像领域具有很大的应用潜力。但是向列相液晶器件的响应速度通常较慢，尤其是位相调制量达到800nm的时候响应时间长于3ms，使液晶波前校正器很难应对快速变化的大气湍流干扰。国际上曾提出利用铁电液晶材料和双频液晶材料来实现高速波前校正。但是，铁电液晶位相调制量小，无法满足校正量的要求；而双频液晶则存在驱动电压高、超过大规模集成电路载荷的问题，使得器件分辨率很难做高。1989年美国的吴诗聪(Shin-Tson Wu and Chiung-Sheng Wu，High-speed liquid-crystal modulators using transient nematic effect，J.Appl.Phys.65(2)，15 January 1989)提出对向列相液晶空间光调制器进行过压驱动，使向列相液晶的响应时间缩短到亚毫秒甚至更快。但这种方法的工作电压一般在20V以上，需要对液晶空间光调制器件的硬件进行特殊加工，至今没有商品出售，甚至找不到加工之处。因此，本发明基于商品化的向列相液晶波前校正器，通过过渡灰度级的驱动过程加快其响应速度。

液晶波前校正器的正常驱动方式是：在液晶波前校正器的位相调制量为1个波长的电压变化区间，将其划分为M个位相等步长变化的电压分度值，并用整数级数灰度级来表示，即1、2、3、......M，M为正整数；将第1灰度级称为g₁，对应此电压区间的最低电压分度值，以此类推，第M灰度级称为g_M，对应此电压区间的最高电压分度值；利用这M个灰度级准连续地驱动液晶波前校正器。

向列相液晶波前校正器有如下响应特性：a)从低电压(低灰度级)变换到高电压(高灰度级)时，液晶分子在电场作用下立起，光程缩短，相对位相变低，这个过程速度很快，通常小于1ms；但是反过来灰度级从高到低变换时，液晶分子依靠弹性力从立起状态而回落，回落速度较慢，通常大于3ms，回落过程光程增长，相对位相升高，通常把液晶分子的回落耗时定义为液晶波前校正器的响应时间；b)液晶从高灰度级向低灰度级回落过程中开始速度较快，当接近目标灰度级、对应位相调制量约剩0.2λ(λ为中心校正波长)时回落速度明显变慢，称为响应拖尾；c)液晶校正器不同像素的响应时间不一致，回落的灰度级级差越小响应拖尾所占的比例越大，响应时间越长，其中低灰度级区间(对应低电压区)的回落响应时间更长。因此，在进行自适应波前校正时，液晶波前校正器上各个像素的液晶响应过程并非同步，导致整体波前校正的速度变慢。

发明内容

本发明为了克服液晶波前校正器的响应拖尾问题，通过实时计算施加在液晶波前校正器所有像素上的过渡灰度级矩阵，以对液晶波前校正器施加一种过压驱动，使所有像素上灰度级间的响应时间缩短，并达到一致，目的是提供提高液晶波前校正器响应速度的过渡灰度级驱动方法。

本发明的基本思路是：制作液晶波前校正器时，将液晶波前校正器1λ的位相调制量扩展到1.2λ～1.6λ。针对像素上[0，λ]范围的任意一组初始位相和目标位相，设置一个比二者差值更大的过渡位相的灰度级，以利用液晶在位相变化的前阶段响应速度快的特点，迅速到达目标位相对应位置，此时刻再对其施加目标位相所对应的灰度级以稳定保持目标位相值。利用这种方法可以消除响应拖尾，显著提高液晶波前校正器的响应速度。为使所有灰度级间的响应速度都一样快，即液晶波前校正器上所有像素的响应时间相同，需在每个象素上依据其初始位相和目标位相施加不同的过渡位相灰度级。

为了更好的理解本发明，下面详述本发明的操作过程。

使液晶波前校正器的位相调制量为1.2λ～1.6λ。将位相调制量线性等分为M份，对应M个灰度级，即1、2、3、……K、……、M。灰度级均为整数，灰度级1称为g₁，对应最高位相，灰度级K称为g_K，对应位相1λ，灰度级M为最大灰度级称为g_M，对应位相0。