自基准哈特曼波前测量装置的研制

采用自基准哈特曼径向斜率测量原理,设计了旋转加摩擦线性移动扫描机构,对被测波前进行连续极坐标扫描采样;用CCD相机采集光斑图像,经波面径向斜率计算和泽尼克径向斜率多项式最小二乘拟合,求出被测波面的泽尼克系数和波前畸变值。与干涉仪测量结果进行了比较,所以研制的波前测量装置可满足大口径光学系统的像质测量。     

二维横向剪切干涉中采样点的选取

为了使相移式横向剪切干涉法能够广泛应用于大口径非球面的在线检测,通过计算机仿真研究横向剪切干涉测量的非球面面形,实现其二维波面的重建.分别对仿真中获得的被测非球面在x方向和y方向的两个差分波前中剪切量大小和采样点个数的选取进行分析,利用最小二乘法求取波差值,采用Zernike多项式拟合法进行波前重建,在保证高准确度测量情况下,对一被测抛物面面形进行计算机仿真实验,结果表明:最适合的剪切量是其被测口径的十分之一大小,此时只需要对其选取49个离散数据采样点,采用泽尼克多项式拟合就可得到二维波面的形貌.该结论为相移式横向剪切干涉的二维波前重建提供了理论指导,同时,也为大口径非球面在线测量的实际应用提供了技术支撑.     

Ø500 mm阵列透镜波前采样器的研制

 设计加工了一个由484块单透镜组成的大口径阵列透镜,并设计了一套光束波前采样及测量实验系统。在实验过程中,合理匹配了阵列透镜波前采样器、CCD、成像屏和图像采集处理各系统参数,并讨论了该系统的动态范围和采样精度。利用平行光标定了该系统,且测量了大口径波前的像差,测量值与理论值相吻合。实验证明了阵列透镜波前采样器用于波前采样的技术可行性。     

?500 mm阵列透镜波前采样器的研制

设计加工了一个由484块单透镜组成的大口径阵列透镜,并设计了一套光束波前采样及测量实验系统。在实验过程中,合理匹配了阵列透镜波前采样器、CCD、成像屏和图像采集处理各系统参数,并讨论了该系统的动态范围和采样精度。利用平行光标定了该系统,且测量了大口径波前的像差,测量值与理论值相吻合。实验证明了阵列透镜波前采样器用于波前采样的技术可行性。     

φ500mm阵列透镜波前采样器的研制

设计加工了一个由484块单透镜组成的大口径阵列透镜,并设计了一套光束波前采样及测量实验系统.在实验过程中,合理匹配了阵列透镜波前采样器、CCD、成像屏和图像采集处理各系统参数,并讨论了该系统的动态范围和采样精度.利用平行光标定了该系统,且测量了大口径波前的像差,测量值与理论值相吻合.实验证明了阵列透镜波前采样器用于波前采样的技术可行性.     

基于多次平移的平面绝对检测仿真

将待测面形表示为多项式的和,通过分别沿x,y向多次平移待检光学元件得到移动前后待测元件面形差,采用最小二乘法拟合多项式系数,得到待检光学元件的绝对面形。推导了多次平移法的理论公式,并进行了仿真实验,模拟了移动次数、移动间隔和采样点数对测量精度的影响。仿真结果表明:待测平面与初始平面残差图的均方根值为5.118×10~(-13)λ,理论误差达到高精度平面面形检测要求。     

基于方形域内标准正交矢量多项式的波前重建

获得了一组方形域内标准正交的矢量多项式集,可以用于方形域内图像畸变映射及波前梯度等矢量数据的拟合。这组矢量多项式是用Gram-Schmidt方法将泽尼克梯度多项式标准正交化后得到的。由该矢量函数拟合被测波前斜率,拟合系数经过简单的线性变换就可以直接得到用泽尼克多项式描述的波前,获得被测波前的相位信息。实验结果表明,该矢量集可以对夏克哈特曼传感器测得的方形孔径内的斜率进行很好的拟合。这种矢量拟合重构方法能获得很好的被测波前,具有与Southwell区域法相同的精度。     

利用合成方法检测波面

采用子孔径波面的合成方法实现了大口径光学系统波面的检测。将被测区域划分成有限个子孔径，利用塔尔博特效应产生的莫阿条纹平移测量每一子孔径上波面斜率，根据所有所测量的子孔径上波面的斜率拟合出被测波面。检测了口径为500mm，焦距为13m的大口径光学系统的波面。     

二维剪切干涉波前的最小二乘法重建

提出了一种可以快捷地重建原始的二维波前的新算法。对于分别在相互垂直方向上横向切干涉获得的两个差分波前,用快速傅里叶变换首先计算出待测原始波前存x和y方向的估计分布,然后利用误差计算的最小二乘法进行二维拟合,可以恢复出待测波前的二维分布。提出的理论可以应用于剪切量大于1个采样间隔的二维波前重建问题,解决了已有的二维剪切干涉波前重建技术中要求剪切量等于采样间隔的限制。研究了剪切量和噪声对重建精度的影响．和其它算法进行了比较．给出了数值实验结果和分析讨沦。结果表明该算法速度快,对噪声有较强的抵抗力．有望在实际的剪切干涉测量中获得应用。     

高精度大口径平面镜瑞奇-康芒定量检测的精度影响因素分析

针对前人的数学模型,对瑞奇角、旋转角和系统波像差这几个主要精度影响因素进行了仿真分析。结果表明:当瑞奇角的测量误差控制在0.5°以内时,对测量结果影响很小;由于平面镜的面形误差是连续和旋转对称的,所以旋转角测量误差对测量结果影响很小;当系统波像差系数的测量误差|ΔWn,m|≥0.05λ时会影响拟合精度。此仿真结果为提高大口径平面镜检测精度提供了理论依据。     

近红外瞬态脉冲波前高精度干涉检测技术

惯性约束聚变(ICF)系统中高能瞬态脉冲激光由于脉冲时间短、能量高、波前畸变大,通常的检测方法难于检测脉冲激光波前。提出了一种基于空间相位调制技术可用于近红外瞬态波前高精度检测的环形径向剪切干涉仪。该系统可以以30~150 mm的圆瞳和方瞳口径、对波长为1064 nm的近红外纳秒级脉宽的脉冲激光波前实现共路、无参考面的瞬态、高精度的检测。系统的波前重构理论经过计算机仿真验证,精度达1/1000λ以上;检测结果与ZYGO数字波面干涉仪进行了比对,峰谷值、均方根值均优于1/15λ,并具有很好的可重复性。该系统目前已用于惯性约束聚变系统的脉冲检测,并且该技术适用于各种可见光和红外波段激光。     

横向剪切干涉的波前重构新方法

 在常规横向剪切干涉仪的基础上,利用波前周期延拓的假设,基于小波变换的方法实现了波前重构。这种波前复原实现了光滑波前的快速重构,并且能够较好地快速重构非模式波前。数值模拟表明,该方法对波前复原的精度优于常规多项式拟合方法。利用该方法在不均匀介质对波前的扰动的测量重构表明,重构波前比常规多项式拟合重构波前合理。     

波前校正器和波前传感器的匹配

自适应光学系统中，波前校正器和波前传感器的形式、对应关系以及波前复原法的选择，对波前复原的效果都是有影响的。介绍了动态Ｈａｒｔｍａｎｎ—Ｓｈａｃｋ传感器方式下，以分立驱动器和连续表面变形镜为校正元件，采用直接斜率法波前复原过程的计算机模拟实验．研究了多种变形镜驱动器和探测子孔径的对应布局关系，得出每个孔径主要受三个驱动器控制的布局原则．     

基于优化探测窗口的光斑质心探测方法

 哈特曼-夏克波前传感器进行波前探测时，用子孔径光斑强度的一阶矩来计算光斑质心位置，子孔径窗口作为探测窗口，但探测时子孔径窗口内噪声对一阶矩有很大的影响，会使质心探测精度产生很大的误差。因此在计算质心位置时探测窗口的选取对探测精度有重要影响，必须选取合适的探测窗口来提高光斑质心探测精度。为此，在传统算法的基础上提出优化探测窗口的方法来提高质心探测精度,仿真和实验结果表明新方法提高了质心探测的精度，未经处理的高噪声恢复波前的波前残差峰谷值是2.851 4λ，均方根值是0.606 3λ，优化探测窗口后波前残差的峰谷值是1.636 2 λ，均方根值是0.367 1 λ，重构误差减小了40％。证明了算法的可行性和稳定性。     

基于瀑布型多重网格加速的复指数波前复原算法

激光在大气中传输时,由于强湍流或长传输距离的影响,畸变波前中出现由相位起点组成的不连续相位,现有波前复原算法不能有效复原不连续相位,使得自适应光学系统校正效果下降甚至失效.本文分析了最小二乘波前复原算法不能复原相位奇点的原因,提出了基于瀑布型多重网格加速的复指数波前复原算法,给出了复指数波前复原算法中迭代计算、降采样、插值计算的实现方式.研究了该方法对不连续相位和随机连续相位的复原能力,数值分析了采用复指数波前复原算法的自适应光学系统对大气湍流像差的校正效果.仿真结果表明,同等复原精度下,相比直接迭代过程,该方法所需浮点乘数目减少了近2个数量级,且随着夏克-哈特曼波前传感器子孔径数目增加,其在计算量上的优势更加明显. Rytov方差较大时,相比直接斜率法,自适应光学系统采用复指数波前复原算法后校正光束Strehl比提升1倍.     

运用泽尼克多项式进行物面波前数据拟合

本文提出了一种运用泽尼克(Zernike)多项式的波前数据拟合方法.给出了离散点上正交多项式的构造并描述了具体计算步骤.可对待测物面低调制度点、散斑点、噪音及灰尘点区域进行波前数据拟合,通过一定阈值的设定,将误差点用掩模滤除并予以拟合.进一步提高了物体测量精度.     

基于衍射光栅曲率波前传感器的实时波前重构研究

自适应光学系统要求波前传感器能实现动态实时测量,曲率波前传感技术符合这一发展要求。一种新型的基于扭曲衍射光栅的曲率波前传感器在探测装置的实现方法方面具有较大优势,其波前重构已应用于光学度量。根据衍射光学理论,对其探测信号进行数值模拟,并利用Neumann边界条件的Green函数法对其波前重构进行数值模拟。结果表明：Green函数法归结为2矩阵相乘,计算速度快,达到实时重构要求; Green函数法对阶数不高的Zernike多项式重构效果较好;影响重构误差的主要因素是光强梯度的边界噪声。     

Measurement of Shear in a Lateral Shearing Interferometer

We analyze the influence of error in the measurement of shear value, which is a major source of error in tested results by the lateral shearing interferometer. A novel method is proposed for accurately measuring the shear of this interferometer. By introducing a defocused wavefront and making use of the wavefront slope data of the defocus and the parameters of the interferometer, we can calculate the shear value precisely, with an error less than the sampling interval of the detector. An experiment was conducted to show the effectiveness of the method.     

Optical Differentiation Phase Measurement Using the Bias Shifting Method

A new optical phase measurement method using a differentiation filter is proposed. The new method uses two images obtained by shifting the filter. This method has an advantage in that non-uniformity of the wavefront intensity does not produce errors. We present herein the theory of the newly proposed method and verify the theory by computer simulation. The effects of non-uniformity of the wavefront intensity, noise, and bias shifting length for errors are discussed. The system has been demonstrated for a plane wave and a spherical wave. For the proposed method, although the number of errors due to noise increases, the number of errors due to non-uniformity decreases. Therefore, the proposed method is useful for the phase measurement of a wavefront for which the intensity is not uniform. In addition, it improves the accuracy of the phase measurement system using a differentiation filter.     

二维剪切波面重建的有限元模型

提出了解析二维剪切波面的有限元方法，建立了二维剪切波面重建的有限元模型。计算模拟结果表明，有限元法解析二维剪切波面精度高，对剪切波面具有平均作用，对测量误差不敏感，可适用于实时测量。