基于掩模光刻的液晶波前校正器设计与制备

液晶波前校正器通常基于液晶显示器的工艺制备而成,因此其研制成本高、定制难度大。本文基于掩模光刻法制备液晶波前校正器,以实现液晶波前校正器的专用化、低成本研制。基于掩模光刻技术设计并制备了91像素的无源液晶驱动电极,并封装成液晶光学校正单元。设计并制备了驱动连接电路板,实现了液晶光学驱动单元和驱动电路板的匹配对接。对液晶波前校正器响应特性进行检测。结果显示,其相位调制量为5.5个波长,响应时间为224 ms。利用Zygo干涉仪进行球面波的产生和静态倾斜像差的校正。结果显示,其可以产生正负离焦波前,且对水平倾斜像差校正后,Zernike多项式中第一项的值从1.18降至0.16,校正幅度达86%,实现了像差的有效校正。本文的研究工作可为液晶波前校正器的研制提供新思路,进而拓宽其应用领域和场景。

自适应光学波前校正器技术发展现状

波前校正器是自适应光学系统中的关键部件,相关技术已得到了多年的积累与发展。本文介绍了多种目前常用的波前校正器件,包括分离促动器连续表面变形镜、拼接子镜变形镜、薄膜变形镜、双压电片变形镜、微电子机械系统变形镜以及基于液晶技术的空间光调制器和自适应次镜等,给出了它们的实现方式及其基本工作原理,并从空间校正频率和校正速度等方面对各校正器的性能进行了比较。最后,总结了在新应用的需求下,波前校正器件的技术创新及发展趋势。

液晶波前校正器位相调制非线性及闭环校正研究

研究了液晶波前校正器位相调制曲线非线性的校正以及液晶自适应闭环对畸变波前的校正。利用液晶显示器领域通用的Gamma校正技术实现对液晶波前校正器非线性的校正。首先,通过施加线性的LUT曲线以获得512个LUT值对应的位相调制量。然后通过对一个波长位相调制量的线性化分割,找到能够获得线性位相调制的LUT函数曲线。最后将该优化曲线写入液晶波前校正器的驱动电路板中,再次驱动液晶波前校正器并利用ZY-GO干涉仪测量位相调制和灰度级的关系,得到了线性的位相调制。利用线性的液晶波前校正器结合哈特曼波前探测器和波前控制器进行了自适应闭环校正研究。校正前,PV和RMS的平均值分别为2.5λ和0.48λ;经过闭环自适应校正,PV和RMS的平均值分别下降为λ/11和λ/62。分辨率板的一级像也由模糊变得清晰。实验结果说明,经过线性化的液晶波前校正器可以获得高校正精度。

液晶波前校正器校正水平方向上的大气湍流

利用液晶波前校正器和哈特曼波前传感器组成的自适应光学系统对水平方向500 m的大气湍流进行校正。首先测定了液晶波前校正器(LCWFC)的位相调制特性,测定结果表明其可以实现一个波长的调制量,同时利用Gamma校正实现了位相和灰度之间的线性调制关系。然后将该系统与孔径220 mm的望远镜进行对接。液晶自适应校正后,波面均方根误差降低到0.06λ,实现了0.68″'的系统衍射极限分辨。实验结果表明:液晶波前校正器可以很好地校正水平方向500 m的大气湍流扰动。

液晶波前校正器特性研究

利用808nm大功率连续激光器研究了液晶的光功率承受特性.结果表明,当功率密度为133W/cm2时,液晶还能保持原有的光学调制特性,而且可以长时间稳定工作.测定了液晶的波长色散特性,发现,随着波长的增加Δn值逐渐减少,近紫外300～400nm波段Δn变化47%,而在400～780nm变化量为28%,在780～900nmΔn变化了2%.还研究了温度对液晶波前校正器衍射效率的影响,随着温度的升高Δn逐渐减小,当温度从10℃升到90℃时,对于16台阶菲涅耳透镜,衍射效率下降了70%;但当温度在20℃变化10℃时,对4台阶菲涅耳透镜衍射效率最大变化量为1.7%,而对16台阶菲涅耳透镜,衍射效率降低了1.2%.

液晶波前校正器动态位相响应特性研究

为了对畸变波前进行精确校正,研究了液晶波前校正器在不同灰度级之间的动态位相响应特性,准确确定其响应时间。首先给出液晶波前校正器的响应时间和位相变化的检测方案。然后检测了液晶波前校正器在0和255灰度级之间的上升和下降时间,分别为7ms和11ms。在保证校正精度的条件下,对该位相曲线采取λ/10的误差截断,使上升和下降时间分别减少到4ms和6.8ms。最后,研究了各灰度级依次上升到255和从255再以次回落到各灰度级的动态响应时间。结果表明,各灰度级的上升时间在2～5.2ms之间变化,下降时间在3.66～8.74ms之间变化,且无论是上升还是下降,150和255灰度级之间转换速度最快,在255灰度级邻近的灰度响应速度最慢,且响应时间长于0和255灰度之间的响应时间。因此,在波前校正中,须以255灰度邻近的灰度级中最长的响应时间作为液晶波前校正器的响应时间,以确保波前校正精度。

温度对液晶波前校正器响应速度及LUT的影响研究

温度起伏会对液晶器件的相位调制特性、响应速度有影响,从而影响自适应光学系统中的液晶波前校正器的相位调制精度。针对该问题,本文研究了温度对512×512像素的硅基液晶波前校正器(LCOS)的LUT(look-up table)的影响,正是由于LUT的变化导致其相位调制特性不同;实验测量了不同温度下LCOS的时间和相位响应特性,由此计算了对应的LUT,利用最小二乘拟合方法对得到的数据进行拟合,给出了16～26℃范围内的关系式,利用此关系式可以获得该温度范围内不同温度下合理的LUT。我们在LCOS上施加闪耀光栅灰度图后,对不同LUT下入射光束的衍射效率分别进行测量,结果表明我们利用关系式内对应温度下的LUT取代LCOS中固定值的LUT方法可以克服温度的起伏带来的影响,提高LCOS的相位调制能力。本方法对于液晶器件在自适应光学、显示等领域的应用也有帮助。

LCOS液晶波前校正器的色散研究

对液晶波前校正器的色散问题进行了研究,测定了250D离焦、250D像散两种像差镜和650nm、670nm、710nm、840～860nm、835～865nm、830～870nm五种滤光片下的色散.结果表明:可见到近红外波段内20～30nm带宽的光是液晶自适应光学系统的理想光源,可实现系统较大的能量利用率和较小的色散.对于中心波长850nm的近红外光,当光源的带宽低于30nm时,LCOS的色散对系统像差影响较小,可以忽略,系统的光能利用率又较大;一旦光源带宽高于40nm,LCOS的色散会对系统的像差产生明显的影响,使成像分辨率大大降低.

随机振动环境对微小型波前校正器性能的影响

波前校正器应用于空间光学系统必然要经历卫星动力学环境,随机振动环境是其中一个很重要的影响因素。采用有限元方法分析两种波前校正器在随机振动环境中的应力分布,结果表明所受应力均小于其材料的许用应力,器件结构未受破坏。随后对器件进行随机振动试验。试验后器件的几种主要性能均未受到影响,说明器件可承受均方根为6g的随机振动环境。

金钢石车削波前校正器的计算机控制

本文介绍一种车削波前校正器的计算机控制方法。此方法解决了国外同类控制软件占用内存大和控制速度低等问题。在国内首次实现波前校正器金钢石加工的计算机控制。

天然金刚石刀具在整体式波前校正器加工中的应用

单直线刃天然金刚石刀具在切削整体式波前校正器时可能会与待加工表面发生干涉。根据待加工表面的数学模型及刀具的运动轨迹,推导出单直线刃金刚石刀具加工波前校正器时与待加工表面不发生干涉的最小安装角的数学模型;根据光学加工表面微观不平度高度与刀具刃口参数及安装角之间的关系,推导出能满足给定表面粗糙度的刀具最大安装角。在超精密车床上进行了切削实验,结果表明,用单直线刃天然金刚石刀具切削整体式波前校正器是可行的。

液晶波前校正器过驱动矩阵的测量方法研究

从自适应光学应用的角度,对液晶波前校正器的过驱动矩阵的测量方法进行了系统研究。对量化级次和延迟时间进行了优化,最优量化级次为32级,最优延迟时间为14帧。最后,在延迟时间为14帧时,测量了液晶波前校正器的过驱动矩阵和终到位相矩阵,并对中等强度大气湍流进行了仿真校正,仿真计算结果与理论预期吻合得很好,表明测量方法可行。

基于液晶的波前校正器

波前校正是自适应光学的核心内容。基于液晶的波前校正器以其高分辨率,低功耗而引起越来越广泛的重视。本文主要介绍了液晶波前校正器的结构、基本原理、光学调制特性及其应用。

用可编程ASIC实现的波前校正器过压保护网络

波前校正器是自适应光学系统中的关键部件之一 ,制作困难 ,且在加电压不当时容易损坏。本文阐述了波前校正器的过压损坏机理 ,提出了利用分压网络避免波前校正器过压损坏的方案 ,介绍了基于可编程 ASIC的过压保护电路的实现。此电路经测试 ,取得了较满意的结果。

快速响应液晶波前校正器的研究进展

液晶波前校正器是一种对光波前进行调制的光学元件,具有像素密度高、可靠性好、高精度等技术优点,可用于光束波前整形、光信息处理、光束变换等,具有非常大的应用潜力和广阔的应用前景.当液晶波前校正器应用于光学系统时,大多数情况下均要求它具有快速响应性能,甚至要到1 ms量级;此外,要求校正器必须具有特定的调制量.例如,当在1λ调制量内实施响应时,现有的在售液晶波前校正器的响应速度较慢,通常大于10 ms,阻碍了校正器的进一步应用.对于液晶波前校正器,其响应速度的影响因素主要有两个:液晶材料参数和器件制备参数.针对以上问题,首先概述了本研究组在高双折射率(Δn)、低黏度快速响应液晶材料领域的研究进展;其次介绍了我们在器件参数优化及驱动方式研究中提高其响应速度的研究进展.基于上述研究工作,目前液晶波前校正器的响应速度达亚毫秒量级,这将大幅度提升它在应用光学领域的实用化水平,并将拓展其应用范围.

环形光斑的波前传感器与波前校正器优化布局

针对自适应光学系统常遇到的环形光斑，仿真研究了波前传感器子孔径的六种环形布局，得出了环形布局的指导原则，并将环形布局与传统的方形布局进行了比较，认为环形布局更适合于环形光斑．

自适应光学波前校正器

报告了自适应光学波前校正器——多元分立式压电变形反射镜和两维高速压电倾斜镜的研究工作。讨论了这两类波前校正器的主要性能及其检测方法等，并给出了若干典型的检测结果。研制的１９单元度形镜已成功用于ＩＣＦ驱动器的波前校正。

液晶校正器漏光对闭环校正波前探测准确度的影响

研究了液晶分子排列对哈特曼波前探测器探测及闭环校正的影响.首先分析了分子排列对液晶校正器产生漏光强度的影响.详细探讨了在闭环校正过程中漏光对波前探测及校正准确度影响,当漏光比为40%时,产生的探测偏离误差为0.4;对于8%的漏光比,探测误差仅为0.08,可以忽略.最后分别做了扭曲和平行排列液晶校正器对静态畸变的闭环校正实验.对于漏光比为40%的扭曲液晶校正器,校正前后的PV和RMS值分别为:1.11μm、0.25μm和1.08μm、0.24μm,说明漏光对闭环校正产生了严重影响.对于漏光比为8%的平行排列液晶校正器,通过闭环校正,波前的PV和RMS分别从1.58m和0.22m降到0.095m和0.03m,同时获得清晰的光纤束的像.结果表明,如果能够控制液晶波前校正器的漏光占总光强的比在8%以下,则可以获得高校正准确度.

液晶自适应光学视网膜校正成像技术研究

为了实现对人眼视网膜的高分辨率成像，解决偏振能量损失、成像视场小和普适性差等问题，对液晶自适应光学技术及其在人眼视网膜成像中的应用进行了研究。通过开环光路的设计方案，避免了闭环液晶自适应系统的偏振光能量损失；在光路中加入可变视场光阑，利用小视场照明进行波前探测、大视场照明进行像差校正和成像的方法扩大了成像视场；使用脉冲光照明的方案减小曝光量；通过偏振光照明提高能量利用率、等效无穷远视标配合补偿镜以及改进后的视标提高盯视稳定性等一系列方法，提高系统普适性。校正后成像的清晰度和对比度获得了明显提高；高分辨率眼底成像视场直径从200μm扩大到500μm；曝光量减小到原来的1/2～1/3；对前期难以获得清晰成像的样本，取得了效果良好的视网膜视觉细胞自适应图像。

模拟双星的液晶自适应校正分辨

研究了液晶自适应光学系统对模拟双星的校正.首先测定了LCOS液晶波前校正器的位相调制特性.结果表明其可以实现一个波长的调制量.同时,利用Gamma校正实现了位相和灰度级的线性调制关系.然后把液晶波前校正器和哈特曼波前传感器组成自适应光学系统,并和口径220mm的望远镜对接,实现了对模拟双星的探测和校正分辨.