[发明专利]一种自适应光学系统波前倾斜复合校正装置及控制方法

说明书

本发明提供一种自适应光学系统波前倾斜复合校正装置及控制方法，该装置包括倾斜镜、中继光学系统、变形镜、波前倾斜探测器、工控计算机、倾斜镜高压放大器和变形镜高压放大器等，其特征在于：使用倾斜镜和变形镜组合校正波前倾斜。在自适应光学系统中，通常倾斜镜的驱动器行程大但响应速度慢；变形镜的驱动器行程小但响应速度快。常规自适应光学系统通常只使用倾斜镜进行波前倾斜校正，而变形镜只用于离焦、像散等高阶像差的校正。本发明提出使用倾斜镜和变形镜组合校正波前倾斜，通过时间频率域解耦控制方法来解决倾斜镜和变形镜之间容易耦合而导致系统闭环不稳定的问题。本发明具备大行程和快速响应的特点，有利于提高波前倾斜的校正精度。

技术领域

本发明涉及自适应光学系统的波前倾斜校正装置及控制方法，特别涉及一种基于倾斜镜与变形镜组合的自适应光学系统波前倾斜复合校正装置及控制方法。

背景技术

自适应光学系统通常包括两类波前校正器：倾斜镜和变形镜。其中，倾斜镜通常用于校正波前倾斜；变形镜通常用于校正倾斜之上的离焦、像散等高阶像差。在自适应光学系统闭环工作时，一般要求倾斜镜和变形镜在校正时进行严格的像差分离，即变形镜在校正高阶像差时不能产生倾斜像差输出，否则容易导致倾斜镜和变形镜之间的耦合现象(陈善球，刘文劲，董理治等，“闭环控制自适应光学系统变形镜约束技术研究”，光学学报，35(12)，2015)。如果出现严重的耦合，变形镜和倾斜镜在闭环过程中容易积累出相互抵消的静态像差输出，这将极大消耗变形镜的驱动器行程，导致其用于高阶像差校正的行程受到很大限制。因此，自适应光学系统通常只使用倾斜镜校正倾斜像差，变形镜虽具备校正倾斜像差的能力，但通常会禁止将其用于倾斜像差的校正。

如果只使用倾斜镜作倾斜像差的校正，虽然能够实现自适应光学系统的稳定控制以及保证变形镜对高阶像差的校正能力，但跟踪装置的控制带宽容易受到倾斜镜机械谐振的影响(张小军，凌宁等，“高速压电倾斜镜动态特性分析”，强激光与粒子束，15(10)，2003)。虽然可以使用双二阶网络滤波等方法抑制机械谐振的影响，改善倾斜镜控制的稳定性和控制带宽(李新阳，“自适应光学系统中高速倾斜反射镜的稳定控制”，强激光与粒子束，11(1)，1999)，但是该类方法需要首先建立倾斜镜的传递函数模型，补偿方法复杂。此外，由于倾斜镜的传递函数模型不仅与其本身特性有关还和其装调情况有关，因此实际自适应光学系统中，机械谐振的抑制算法应用并不是很广，自适应光学系统中倾斜镜的控制带宽也通常低于变形镜。加拿大学者Correia曾在Gemini行星成像仪中将变形镜放在倾斜台上用于联合校正波前倾斜(C.Correia,J.-P.Veran,L.Poyneer,“Gemini Planet Imagerminimum-variance tip-tilt controllers”)，但是该方法倾斜台在偏转时需要负载整个变形镜，控制难度很大，动态特性也难以保证。如何进一步提升自适应光学系统的跟踪带宽，而又不对自适应光学系统的结构组成作重大改变是自适应光学技术研究者关注的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种自适应光学系统波前倾斜复合校正装置及控制方法，使用倾斜镜和变形镜组合校正波前倾斜，通过时间频率域解耦控制方法来解决倾斜镜和变形镜之间容易耦合而导致系统闭环不稳定的问题。本发明提出的波前倾斜复合校正装置兼具大行程和快速响应的特点，有利于提高波前倾斜的校正精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种自适应光学系统波前倾斜复合校正装置，该装置包括倾斜镜1、第一中继光学系统2、变形镜3、第二中继光学系统4、波前倾斜探测器5、工控计算机6、倾斜镜高压放大器7和变形镜高压放大器8；其中，

入射光首先经过倾斜镜1反射，进入第一中继光学系统2，再经过变形镜3反射，进入第二中继光学系统4，最后进入波前倾斜探测器5；

工控计算机6根据波前倾斜探测器5采集的图像计算波前倾斜，再根据波前倾斜计算倾斜镜1和变形镜3的控制电压，并将其分别发送给倾斜镜高压放大器7和变形镜高压放大器8，用于分别控制倾斜镜1和变形镜3组合校正波前倾斜。