[发明专利]快速全局解耦的液晶变形镜自适应光学系统波前控制方法

说明书

本发明涉及一种快速全局解耦的液晶变形镜自适应光学系统波前控制算法，所述控制方法通过全局解耦控制矩阵同时计算LC和DM的命令向量；所述全局解耦控制矩阵是由本征模正交基和约束矩阵构成；所述本征模正交基是从DM的响应矩阵中得出的，用于选择性地将大行程低阶像差分配给DM，将剩余像差分配给LC；所述约束矩阵是从LC响应矩阵投影到DM本征模正交基基础上得出的，用于约束LC生成与DM的交叉耦合面型。该算法可以获取每个校正器的控制向量并同时抑制交叉耦合误差。数值仿真和实验结果均表明，该算法对LC‑DM AO系统是有效和实用的。与传统的Zernike分解算法相比，该算法可以实现动态波前校正。

技术领域

本发明涉及一种控制方法，具体涉及一种快速全局解耦的液晶变形镜自适应光学系统波前控制方法。

背景技术

自适应光学(AO)是一种补偿波前像差的有效技术，已广泛用于基于地面的大口径望远镜，例如超大望远镜(VLT)，Gemini，Kect和Subaru等。但是，由于变形镜(DM)的执行器数量有限，几乎所有的大口径望远镜都在红外波段工作。由于波长越短，望远镜的衍射极限分辨率越高，并且高灵敏度成像相机在可见波段也是最成熟的，因此在天文和空间目标观测领域针对可见波段的AO系统的实现，将带来更多的突破。所以需要AO系统来同时补偿可见光波段中的大行程和高空间频率像差。对于单个DM，不能同时获得较大的行程和较高的空间频率，这是由于受到制造技术的限制。因此，具有两个DM的高低阶(W-T)AO系统是实现此目标的有效方法。最著名的是5.1m Hale望远镜上的PAL M-3000 AO系统，其中包含两个分别带有241和3388个驱动器的DM。尽管该AO系统可以补偿可见波段的像差，但它非常昂贵且难以实现。此外，超过5.1m的孔径无法在可见波段工作，因为没有关于PALM-3000 AO系统中DM执行器数量大于3388的DM执行器的后续应用报告。

与双DMs AO系统不同，液晶(LC)波前校正器被用作高阶校正器以构建LC和DM级联AO系统。LC具有空间频率高，制造容易和成本低的优点，但是由于在红外和色散波段响应慢，因此只能工作于可见光波段，具有工作频带窄的缺点。DM的优点是工作波段宽，响应速度快，但存在空间频率低，制作困难，成本高的缺点。LC和DM的优缺点是相辅相成的。因此，LC适合于补偿可见波段中的小行程高空间频率像差，并且DM可以补偿整个波段中的大行程低空间频率像差。对于大口径望远镜来说，将成像波段扩展到可见光是一种有效的解决方案。由于通过W-T AO系统校正的像差是从单个波前传感器(WFS)进行测量的，因此控制算法对于分配像差和抑制两个校正器之间的交叉耦合至关重要。否则，交叉耦合会严重浪费校正器的行程，甚至会使系统不稳定。已经研究了许多用于双DM AO系统的控制算法，例如双步控制算法，区域控制算法和模态控制算法。双步控制算法使两个校正器按顺序工作，可以避免交叉耦合误差的累积，但是不能用于波前像差快速变化的领域。对于区域控制算法，例如拉格朗日乘数阻尼最小二乘算法，交叉耦合误差无法准确描述，而是在长时间校正过程中累积的。对于模态控制，例如Zernike模式，Fourier模式，小波模式等，由于Zernike模式与波前像差相对应，因此Zernike模式是最常用和最有用的方法。可以重建波前并将其分配给两个校正器，并且具有Zernike模式理论的约束矩阵将重置高阶校正器的控制信号，与区域控制算法相比，可以更好地抑制交叉耦合。