[发明专利]紧凑、低色散以及低像差自适应光学扫描系统

说明书

一种自适应光学扫描系统，使用具有四个或多个运动轴的光束投影模块，其可以对达到自适应光学元件或来自自适应光学元件的光束的位置和角度进行投影和控制。所述自适应光学扫描系统尺寸紧凑，克服了基于传统透镜和反光镜的光瞳转送器设计所带来的挑战。所述自适应光学扫描系统具有很少或几乎没有色散，色差以及离轴像差的改善的光学性能。描述了用于校准和优化所述系统的系统和方法。描述了扫描和对接自适应光学元件的模块化的自适应光学单元。

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年10月12日提交的美国临时申请No.61/713,478的权益，其内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及自适应光学束扫描的领域。

背景技术

大多数光学系统的设计仅考虑了系统内部的光学像差。结合了精确制造、谨慎装配和包含选择的几个可调参数(例如焦点，变焦或球面像差校正)的光学表面几何形状的谨慎选择使得所述光学系统获得规定标称水平的性能。然而，如果光学像差源存在于所述光学系统的外部，所述像差是未知的并且可能随时间变化，那么所述光学系统的性能可被显著降低。选择的几个光束扫描成像系统和像差源的示例分别在图1和图2中示出。自适应光学(AO)提供了一种减少由像差源所造成的波前失真的方法，以获得改善的性能。在大多数的AO系统中，波前校正设备(通常是可变形反射镜或液晶空间光调制器)包含几个到几千个单独可寻址的致动器或单元(像素)来影响所述波前，如图3所示。波前不希望的失真可被校正或使用集成在所述光学系统中所述波前校正设备来生成更优选的波前形状。自适应光学已经应用于望远镜观察时动态大气像差的校正、视网膜成像时在人类和动物眼睛中的像差的校正，显微成像时样本所引起的像差的校正、在激光材料处理中样本所引起的像差的校正、视线光通信时大气像差的校正以及波前校正是理想的其它应用。自适应光学的优点是在观察或成像应用中普遍改善分辨率和信号强度，在光束投影应用中更严密的聚焦和更高的功率密度，或在数据传输应用中提高通信速率。

“补偿天文视宁度的可能性”一文中，H.W.Babcock，太平洋天文学会出版物，卷65、No.386，第229页(1953年)第一次引入了利用地面望远镜进行天文观察的自适应光学概念。自适应光学系统迄今绝大多数已经使用了在Babcock的文章中提出的基本的AO框架，其中所述系统包括波前传感器410、自适应光学元件420和反馈控制系统430，所述系统由所述波前传感器产生输入，并产生控制信号以将所述自适应光学元件驱使为优选的波前校正形状，如图4(A)所示。所述波前传感器可能是夏克-哈特曼(Shack-Hartmann)、四棱锥(pyramid)或者其他波前传感设计。替换物和最近实施的AO不使用波前传感器，而是使用关于所测量的信号质量的信息来代替，所述关于所测量的信号质量的信息通过作为输入的所述图像传感器440获得，以作为所述过程的部分，最优化运行在优化系统450上的算法，以为所述自适应光学元件460产生波前校正来改善其性能，如图4(B)中所示。当所述波前校正是现有技术未知的且没有专用的波前传感器时，以这种方式实施AO通常被称为无传感器的AO。AO的第三变形使用了通过开环控制系统480，施加到所述自适应光学元件470的已存储或计算出的控制信号，称为开环的AO，如图4(C)所示。

由AO-SLO示例教导的AO系统像差挑战