液晶自适应光学系统的快速液晶过压驱动方法研究

The remains of satellite and fragments threaten our space activities. It is an important way to use the large aperture telescope equaped with an adaptive optics system to observe and distinguish them.Traditional adaptive optics system is limited by deformable mirror's small number of actuators.However, a liquid crystal wavefront corrector has large number of pixels, which makes it possible obtain high resolution image. But low control bandwidth is its bottleneck.In the project, we investigate the response of liquid crystal under overdriving, improve the resposne speed of liquid crystal wavefront corrector; In addition, present single-frame over-modulation and multi-frame overdriving wavefront correction methods, decrease the error due to lower voltage on part of pixels,determine an optimized timeflow for the adaptive optics correction; Present a reasonable adaptive optics system error evaluation model, and optimize its -3dB bandwidth. Revise the error model according to the laboratory experimental results. The work could give us the technique and theory of reasonable and reliable driving and control for the liquid crystal adaptive optics system, which is helpful and valuable for the progress of our space defense.

空间运行的卫星残骸或碎片对我们国家的空间安全构成了威胁，利用带有自适应光学系统的地基大口径光学望远镜进行监视与识别，是非常重要的手段之一。传统自适应光学系统受限于变形镜驱动单元少，而液晶波前校正器具有高密度的像素，可大幅提高成像分辨率。但液晶自适应光学系统校正带宽低，需要进一步突破。本申请项目研究液晶过压驱动下液晶校正器的响应特性，提高液晶波前校正器的响应速度；在以往研究的基础上，提出单帧超调过压驱动和多帧过压驱动的波前校正方式，减小过压驱动引起的波前不到位误差，建立与它匹配的优化时序；提出合理的液晶自适应光学系统误差评价模型，优化液晶自适应光学系统的-3dB误差抑制带宽，并进行实验室验证和模型修正。这项工作可以为液晶自适应光学系统在大口径望远镜上的工程化应用，提供合理、可靠的驱动、控制方法和理论依据，将促进我国在空间防卫技术的进步，具有重要的应用价值。

空间运行的卫星残骸或碎片对我国的空间安全构成了威胁，利用带有自适应光学系统的地基大口径光学望远镜进行监视与识别，是非常重要的手段之一。传统自适应光学系统受限于变形镜驱动单元少，而液晶波前校正器具有高密度的像素，可大幅提高成像分辨率。但液晶自适应光学系统校正带宽低，需要进一步提高。. 本工作以液晶弹性体理论为基础，研究过驱动响应延迟时间对校正残差的影响，在此基础上提出了部分位相不到位的过驱动方法。主要研究内容如下：首先，进行液晶波前校正器过压驱动方法的研究，研究液晶过压驱动下液晶校正器的响应特性，提高液晶波前校正器的响应速度；其次，进行了过压驱动下液晶校正器的波前调制误差分析；第三，进行了液晶自适应光学系统的过压模式分析和校正时序优化研究，建立与它匹配的优化时序；第四，进行了液晶自适应光学系统的误差模型分析研究，优化液晶自适应光学系统的-3dB误差抑制带宽；最后，在1.2米和2米口径光学望远镜系统上进行过压驱动下系统误差模型的实验修正和外场验证。. 重要结果和关键数据如下：通过盒厚的优化、开发高Δε液晶材料，可以缩短液晶波前校正器的2π自由弛豫时间。响应时间由完全到位时的 1.92ms 缩短至优化后的 1.155ms，由此引入的位相不到位误差小于 1.5×10-2λ，约为1/5衍射极限对应的误差，可认为对成像效果不产生影响。使实验室内的液晶自适应光学系统的误差抑制带宽从 27Hz 提高到 35Hz。进一步提出了基于液晶自适应光学系统的单帧超调过驱动及多帧过驱动方法，减小了系统的校正残差，带宽提高至37Hz。结合快速并行数据处理、高帧频相机和快速液晶材料的开发，-3dB误差抑制带宽超过80Hz的系统先后成功应用于与1.2 米和2米口径望远镜对接的液晶自适应光学系统，获得α-Com 双星、美国环境卫星等天、空目标清晰的图像。. 这项工作可以为液晶自适应光学系统在大口径望远镜上的工程化应用，提供合理、可靠的驱动、控制方法和理论依据，将促进我国在空间防卫技术的进步，具有重要的应用价值。