[发明专利]多层自适应光学中放大变形镜位移冲程的变形镜匹配方式

说明书

技术领域

本发明属于自适应光学系统领域，具体涉及一种增大变形镜有效位移冲程的变形镜匹配方式设计。

背景技术

由于大气湍流的影响，在可见光波段对太阳的观测中，光的波前畸变限制了太阳光学望远镜的成像质量。因此，当前国际上一些主要的地基太阳望远镜为了补偿或修正大气湍流对波前的影响，都配备了自适应光学系统(adaptive optics，AO)。但是传统的自适应光学系统，视场在典型情况下只有几个弧秒的量级，在用于观察稍微偏离轴的目标时，分辨率便明显下降，限制了其推广应用。于是正在建设和设计的天文太阳望远镜，大多数都采用多层自适应光学系统(multi-conjugate adaptive optics，MCAO)。

变形镜是自适应光学中波前校正器的重要组成部分，相对于AO系统，MCAO系统的改进在于将大气湍流层进行分层，并针对每一层的共轭位置上配置一个自适应变形镜，以此来将大气湍流对每层产生的波面畸变进行波前校正。

通过Dustin C.Johnston等的文章知道，要提高MCAO系统的畸变波前的校正能力，进而增大MCAO的等晕角大小，增加视场，有两种方式(“Estimating contributions of turbulent layers to totalwavefront phase aberration”，SPIE，1992，1688：510-521)。

一种方式是增加对湍流层分层的层数，这样必然会同时增加系统结构的复杂程度，以及系统控制的难度。而且校正器件也会随着层数的增加而增加，那么成本也必然增加。

还有一种方式是增加系统中每层变形镜的校正能力，现在的做法一般是增加单个变形镜中驱动单元的密度，这种方式从商业来说，随之而来的将是更高的器件制作成本，更重要的是，对变形镜制作工艺上有很高的要求，在实际应用过程中，也很难避免由于驱动单元过密导致它们之间产生相互影响的情况，反而使校正效果下降。所以，目前的变形镜驱动单元数目不多，空间分辨率较低。

现在的变形镜还存在一个问题，以MEMS变形镜为例，它由于造价低廉，得到广泛应用。但是，大多商业用途的MEMS变形镜只有一个很小的位移冲程(即变形范围)，大概只有3μm，如果大气湍流带来的波前畸变过大，则得不到很好的校正。

发明内容

本发明的目的是为了在现有的变形镜制作工艺下，既不会增加MCAO系统分层的层数，也不增加变形镜驱动单元的同时，提高MCAO系统的波前校正效果，增大等晕角大小。为此提出了一种可以高效增加系统中位移冲程的变形镜配置方式。

本发明所采用的技术方案是：在MCAO系统的同一分层中，使用两个或多个变形镜，并且使他们的位置共轭匹配，使入射光在变形镜之间多次反射，再沿入射方向反射回去，最后通过分光镜到达波前传感器及下一层级的变形镜，从而实现在一层中对于同一个畸变波前进行多次校正，效果等同于增大了变形镜的位移冲程，增加了校正效果。在这个方案中，非常重要的一点是各个变形镜的位置必须是相互共轭的，而使用透镜的目的，是为了使反射回变形镜的波前与之前入射到它上面的波前是同一大小及相位的。

本发明的优点在于：

1.本发明就单一层来说，以使用两个变形镜为例，本发明中，通过同一个波前控制器控制两个变形镜，达到了一个3倍的有效位移冲程，校正效果非常高效；

2.本发明没有增加MCAO系统的湍流分层，并且，在同一层中，虽然使用了多个变形镜，但仍然受同一个波前控制器控制，对于系统的控制难度及复杂度都没有增加；

3.本发明所采用的配置方式，使用的变形镜是现有的器件，对于变形镜的工艺没有额外的要求，另外采用的透镜及分光镜也是价格低廉的器件，没有对于系统增加过多的成本；

4.本方法配置方式简单易行，可以通过增加更多变形镜，重复这种配置的方式，再将位移冲程进行更高倍数的放大。

附图说明

图1是MCAO系统的一个分层中光入射的光路图。

图2是MCAO系统的一个分层中光放射的光路图。

图3是一个变形镜的结构示意图，可以是MEMS等技术制造的变形镜。

图4是现有的MCAO系统的结构示意图，以两层为例。

图5是本发明所采用的MCAO系统的结构示意图，以两层为例。