液晶–变形镜组合式高低阶自适应光学系统

自适应光学系统中变形镜所需的驱动器单元数会随着望远镜口径的增大，大气湍流的增强而显著增加，同时短波段的湍流强度要强于长波段。总之，短波段所需要的变形镜驱动器单元数比长波段更多（变形镜的驱动器单元数与波长的12/5次方成反比）。

由于受到变形镜的制造工艺限制，大多数变形镜自适应光学系统均工作在较长的红外波段，而无法在分辨率更高的可见光波段工作。例如，国际上的6-10m级望远镜的自适应光学系统几乎均工作在1~2.5μm的红外波段，而无法在波长小于1μm的可见光波段工作。

为了解决这个问题，有些自适应光学系统采用两个变形镜间接实现增加驱动器单元数的目的，如美国的5米海尔望远镜PALM-3000系统，校正低阶畸变的变形镜驱动器单元数为241个，而校正高阶畸变的变形镜驱动器单元数达到了3388个，驱动器数目增加的同时还需要保证足够的调制量和响应速度，这不仅在变形镜的制造上提出了难题，同时对系统的稳定性也提出了考验。

即便是双变形镜系统，驱动器单元数也已经达到了瓶颈，对于更大口径的天文望远镜，变形镜已经无法胜任于可见波段的校正，若要实现大口径望远镜在可见光波段的高分辨成像，需要空间分辨率更高、调制量更大的波前校正器。

液晶波前校正器可以达到数百万的高像素密度，能够满足大口径望远镜在可见光波段的高分辨校正要求，而响应速度慢和能量利用率低的问题也已经通过合成新的液晶材料和采用开环控制等方式得到有效解决。然而由于液晶材料本身存在色散的问题，导致其工作波段很窄。另外，为了提高响应速度，需要尽量降低液晶层的厚度，为此液晶波前校正器通常只能应用于可见波段，而无法在较长的红外波段工作，这个问题严重制约了液晶波前校正器在大口径望远镜上的广泛应用。

传统的变形镜由于制造工艺的限制，大多工作在湍流强度较弱的红外波段。而液晶波前校正器具有百万像素的驱动单元密度，可以应用在湍流很强的可见光波段，但由于液晶波前校正器的色散问题，其工作波段很难向红外波段扩展。因此液晶波前校正器和变形镜高低阶式组合的自适应光学系统，具有在可见与红外波段分别自适应光学成像的功能。

尽管可见波段成像对自适应光学系统的要求更加苛刻，但相比于红外波段有着更多的科学优势。自适应光学技术在可见波段应用的优势主要包括以下几点：

1）更好的传感器：相对于红外波段，可见波段的CCD相机具有更低的暗电流，更低的读取噪声，不易产生像素坏点，线性度更好，同时相机的结构简单、紧凑，受温度的影响较低。

2）更暗的天空：可见波段的天空亮度要比K波段(2.2μm）暗100~10000倍。

3）更强的发射谱线：可见波段更加接近氢的复合线(Hα 0.6563μm)，因此大多数最强的发射谱线都在可见波段，并且这些发射谱线都是最好的天文诊断校准组。

4）不在瑞利-金斯线的末端：相比于红外波段，可见波段具有更加丰富的颜色。此外，将可见分光光度与红外相结合，能够更好地估计光谱类型。

5）更高的空间分辨率：根据瑞利判据，在6.5m望远镜(MMT)上R波段(λ=0.62μm)的空间分辨率，将等价于24米望远镜(GMT)在K波段的分辨率，所以可见波段自适应光学可以利用今天的6-10m级望远镜产生20-30m级望远镜在红外波段的分辨效果。

可见波段成像的优势显而易见，为了实现在可见光波段校正成像的自适应光学技术，进而在天文学上取得更多研究突破，90年代后期国际上开始研究新型的波前校正器来替代变形镜，其中具有代表性的是MEMS校正器和液晶波前校正器，目前美国Xinetics公司已有48×48、64×64单元的MEMS校正器产品，但由于其稳定性方面还存在问题，至今还未有 MEMS服役于大口径望远镜的报道。

而液晶波前校正器作为一种高单元像素密度的新型波前校正器件，具有体积小、重量轻、低功耗、无机械运动及价格低廉等独特优势，具有很大潜力成为大口径望远镜在可见光波段工作的波前校正器。

液晶波前校正器的工作原理与变形镜不同，它是利用液晶分子的双折射效应对波前位相实现调制的。光线在两点之间传播时的光程可以由几何路径和沿光路介质的折射率乘积来表示，其中变形镜是通过改变几何路径的方式对波前进行调制的，而液晶波前校正器则是通过改变介质的折射率来实现位相调制的。通过控制电压值，可以对液晶折射率大小进行动态调节。

将液晶膜夹在两块光学玻璃基板之间，以确保均匀的液晶盒厚度，再对液晶分子进行取向，通过在液晶盒的基板上对每个像素做出微小电极，就构成了液晶波前校正器，再通过硅集成电路芯片给各个像素施加不同的电压，改变不同像素中液晶分子的偏转角θ，引起不同像素折射率的变化，就可以对波前位相实现调制作用。

自适应光学系统要求波前校正器具有响应速度快，校正量大的特性，而对于液晶波前校正器而言，两种特性都与液晶层的厚度有关，增加液晶层的厚度虽然可以提高波前的位相调制量，但同时也会大大降低校正器的响应速度，为此人们引入了二元光学的的相息图法来拓展液晶波前校正器的校正量。二元光学的理论基础是光波衍射理论，利用计算机辅助设计，并用超大规模集成电路制作工艺，在基片上刻蚀产生连续分布台阶的浮雕结构，形成纯位相、同轴再现具有很高衍射效率的一类衍射光学元件。由于液晶波前校正器的像素尺寸很小，通常只有几十微米，这使得它能够通过二元光学的衍射效应产生数微米的波前调制量，远远超过了变形镜。

尽管液晶自适应光学研究已经取得突破性进展，但是由于液晶材料本身存在色散的问题，导致其工作波段范围通常只有 100-250nm，为了解决这个问题，可以采用多个液晶波前校正器，利用不同波段的分色片分光后，分别对应不同波段进行校正，从而实现较宽波段的自适应光学校正效果。

这种方法虽然可以拓宽工作波段，但是系统的成像波段仍然局限于可见光波段，由于液晶波前校正器要求位相本征调制量至少有一个波长，那么在红外波段应用时就需要增加液晶层的厚度，这样液晶波前校正器的响应时间也会明显延长，如果将校正波段扩展到2.2μm，校正器的位相本征调制量要增加到3倍，其响应时间无论如何也很难满足要求。因此液晶自适应光学系统无法在红外波段应用是目前亟待解决的问题。

针对变形镜驱动器单元数不足以及液晶波前校正器工作波段窄的问题，提出一种变形镜与液晶波前校正器组合并分高低阶像差校正的自适应光学系统，采用一个驱动单元数较低的变形镜和一个高像素密度的液晶波前校正器组合，二者分别校正波前畸变的低阶成分和高阶成分，通过合理地分配两个校正器的校正区间，可以对可见-红外波段同时实现校正。

液晶波前校正器具有上万的像素数，如果仿照控制变形镜的方法对单个像素逐一进行驱动，那么控制算法将变得十分复杂和耗时。与变形镜相比，由于液晶校正器具有无机械运动，响应面形精确度高的特点，可以采用基于Zernike多项式的模式法对其整体面形进行驱动。

2米望远镜的自适应光学系统所使用的波段覆盖0.4-1.7μm，分别采用700nm、950nm和1500nm分色片将全波段划分成四部分：其中0.4-0.7μm波段用于波前探测，0.7-0.95μm 波段用于可见成像，0.95-1.5μm和1.5-1.7μm波段用于红外成像。

根据所设计的光学系统搭建实验平台，如图2所示，从光源发出的光覆盖400-1700nm波段，经950nm分色片分光后，红线表示红外光成像支路，可以通过1500nm分色片将成像波段分成950-1500nm和1500-1700nm两部分；黄线表示探测支路，经700nm分色片分光后，探测波段为400-700nm；蓝线表示可见光成像支路，波段为700-950nm，系统中变形镜和液晶波前校正器分别采用闭环控制和开环控制的方式。

图1  液晶-变形镜高低阶式自适应光学系统光路结构示意图

图2  液晶-变形镜高低阶式自适应光学系统实物图

在2米望远镜的液晶-变形镜高低阶式自适应光学系统中，系统中变形镜的驱动器单元数为97，液晶波前校正器的像素数为256×256，系统的成像波段为700-1700nm，其中变形镜针对全波段校正波前畸变的低阶成分，使950-1700nm红外波段实现完全校正，然后在变形镜后进行光谱分束，以950nm为分界点，将分出的已消除波前畸变的950-1700nm红外光束导入红外相机成像；此时700-950nm的可见光波段光束还需要校正高阶畸变，因此将其导入液晶波前校正器校正剩余的高阶成分，使可见光波段也实现完全校正，然后导入可见相机成像。