弱光波前传感器质心计算的新方法

 研究了Shack Hartmann波前传感器质心计算的新方法,即最小二乘高斯拟合方法。分析了Shack-Hartmann波前传感器采用一阶矩质心计算位置方法对光斑强度的敏感性,与最小二乘高斯拟合方法进行了比较,并对Shack Hartmann波前传感器的子孔径波前斜率探测的正确性进行了分析。最后的计算结果表明最小二乘高斯拟合法计算子孔径光斑的质心位置可以减小质心探测的误差。     

高阶截断误差的斜率和曲率混合型波前重构算法

研究了斜率和曲率混合型区域波前重构算法,提出了通过减小重构方程的截断误差来提高波前重构精度。利用泰勒展开推导了波前值、波前斜率和曲率值三者间的数学关系,得到了截断误差为相邻两波前测量点间距五次方的重构方程。将该方程用于波前重构中,提出了一种新的斜率和曲率混合型波前重构算法。通过重构仿真对比了该混合型算法与现有混合型算法的波前重构误差。结果表明,在忽略测量噪声的情况下,提出的算法将相对重构误差降低了约两个数量级;在考虑测量噪声的情况下,提出的算法在对高阶像差的重构时,具有更小的相对重构误差。提出的高阶截断误差的混合型波前重构算法较现有的混合型算法需要的计算量更小,更利于实时波前重构。     

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。     

Shack-Hartmann波前传感器非零位在轴检测离轴非球面反射镜

在离轴非球面反射镜研磨后期和粗抛光阶段,被测反射镜面形与理想面形存在着较大的偏差,表面反射率较低,采用干涉测量会因局部区域干涉条纹过密或条纹对比度过低,造成普通干涉仪无法进行全口径测量,而普通接触式轮廓仪测量精度此时已经不能满足加工要求。鉴于Shack-Hartmann波前传感器较大的动态范围和较高的测量精度,提出了采用Shack-Hartmann波前传感器非零位在轴检测离轴非球面面形,研究了该方法的检测原理并搭建了检测系统,分析了系统误差来源,并制作了用于在轴检测离轴非球面的参考波前,对两个不同加工精度的离轴非球面反射镜进行了测量,并与干涉仪的测量结果进行了对比。对比结果表明,Shack-Hartmann波前传感器的测量结果是正确可靠的,并且可以弥补轮廓仪测量和干涉仪测量的不足,从而证明了采用Shack-Hartmann波前传感器在轴检测离轴非球面的可行性和正确性。     

基于离焦型夏克-哈特曼传感器的定量相位成像技术

提出了一种基于离焦型夏克-哈特曼传感器的定量相位成像技术。该技术利用离焦型夏克-哈特曼波前传感器记录两种不同波长的光的照射下的强度分布图,采用双波长相位恢复算法进行相位恢复,获得了透过相位物体的数字光场,实现了纯相位物体成像。数值模拟结果表明该定量相位成像技术方法简单、精度高、收敛速度快,是一种非常具有潜力的定量相位成像技术。     

测量噪声对波前重构精度的影响

 Hartmann-Shack波前传感器斜率测量误差是自适应光学系统中影响波前重构精度的一个主要误差来源。针对模式法波前重构算法,推导出了普遍适用的模式法波前重构误差传递系数计算公式;利用61单元自适应光学系统中的Hartmann-Shack波前传感器测量的斜率数据,验证了模式法波前重构误差传递系数计算公式的正确性。     

一种提高HWS采样率的透镜式微扫描方法

为改善传统哈特曼-夏克波前传感器对待测波前采样不足的缺点,对哈特曼-夏克波前传感器和微扫描进行了分析,提出一种提高哈特曼-夏克波前传感器采样率的透镜式微扫描方法。通过在微透镜阵列之前加入由PZT驱动的透镜扫描装置,对CCD采集的光斑分布情况进行高分辨率微扫描图像重建,通过对重建后的光斑分布进行波前重构,提高了哈特曼波前传感器对待测波前的采样率。通过对比实验验证,波前复原精度提高了41%,可以有效提高哈特曼传感器对波前探测的精度。     

基于噪声模型变换的子光斑质心提取方法

受天光背景、大气湍流强度、信标光回光特性和探测器噪声等因素影响,夏克-哈特曼波前传感器子孔径光斑常存在强度分布不均匀和低信噪比的情况,故子孔径内光斑质心定位不准且波前探测精度下降。提出了一种基于噪声模型变换的子孔径光斑质心提取方法,采用方差稳定变换（VST）将探测引入的泊松-高斯噪声转换为高斯噪声,进一步基于残差反馈优化BM3D策略实现低信噪比子孔径图像的高效去噪。结果显示：所提方法可有效提取低信噪比夏克-哈特曼波前传感器光斑阵列图像中的光斑信号数据,提高了子孔径光斑的质心定位精度和稳定性;相比于传统自适应阈值法等方法,所提方法在子光斑图像峰值信噪比低于6时,可以提升波前复原精度2倍以上。     

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。     

Shack-Hartmann波前传感器用于闪烁和相位起伏效应的同时测量

将每一个子孔径及相应的CCD面元作为一个光强探测系统,可以将Shack-Hartmann波前传感器用于湍流大气闪烁效应的测量.分析了该测量方法的基本原理,并结合其波前探测的功能.在近地面水平1km的湍流大气中,同时进行了闪烁和相位起伏的实验研究.将闪烁测量得到的Cn2与大口径闪烁仪测量的结果进行对比,发现两者的相关系数达0.838,验证了Shack-Hartmann波前传感器用于闪烁效应测量的可靠性.对闪烁和相位起伏效应得到的Cn2的日变化进行了对比.结果表明,两者在变化趋势上具有较好的一致性;采用双对数坐标对两种结果进行相关性分析,发现两者的相关系数达0.798.这表明将Shack-Hartmann波前传感器用于闪烁和相位起伏效应的同时测量是可行的,拓展了该传感器的使用功能.     

一种重构高功率激光束波前的方法

介绍一种对“星光Ⅱ”１０＾１２Ｗ高功率激光器的波前相位进行重构测量的研究方法。实验中对高功率激光束经过孔阵列相位传感器在像纸上烧蚀成的光斑阵列进行图像处理,测定各光斑光强中心及相对位移,再由理论分析得到实用的迭代算法公式,重构出高功率激光束波前。     

光学相关论题 自适应光学

O4392006010794曲率波前传感器波前重构算法的研究=Study on algo-rithms for wavefront reconstruction of curvature sensor[刊,中]/刘若凡(中科院光电技术研究所.四川,成都(610209)),沈锋∥光电工程.—2005,32(10).—6-9运用衍射理论计算出两个离焦面上的光强分布,从而获得波前曲率和孔径边缘的波前径向倾斜。根据Zernike多项式的微分特性,采用两种不同的方法分别处理曲率和倾斜,使用积分的方法解决了在边界上δ函数很难处理的问题。由探测器的几何分布预先算出控制矩阵,用Zerni-ke多项式曲线拟合的方法重构出波前。计算机仿真表明,波…     

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。     

基于夏克-哈特曼传感器的计算机辅助装调方法

夏克哈特曼传感器是自适应光学中应用最广泛的波前传感器,它不仅可以测量大气湍流引起的畸变,还可以测量由风、温度变化和机械应力产生的镜面位置误差引起的像差.基于夏克哈特曼传感器,推导了子孔径斜率与装配误差之间的函数关系,提出了一种基于光学系统失调前后点阵光斑质心偏差信息的计算机辅助装调方法,将装配误差求解问题转换成多目标优化问题,可采用多目标智能优化算法进行求解该问题.以某三反光学系统为例,基于Python和Zemax联合仿真进行模拟装调,仿真结果表明,经三次迭代可将失调误差校正到微米级,这可满足实际装调需求,结果验证了所提方法的正确性.     

稀疏子孔径区域内正交多项式重构波前

提出了基于稀疏子孔径正交多项式的拼接算法.该算法采用Mathematica9.0对圆域Zernike多项式进行Gram-Schimdt正交化,构造出稀疏子孔径区域内的标准正交多项式——Z-sparse多项式,并采用该正交多项式进行稀疏子孔径区域波前数据的拟合.实验表明:根据算法重构与直接检测的全孔径波前残差PV=0.071 9λ,RMS=0.007 4λ.该算法可对所提取的七个子孔径波前像差数据进行有效的拼接.     

快速傅里叶算法在哈特曼夏克传感器波前重构算法中的应用

提出了一种应用快速傅里叶变换算法提高哈特曼－夏克波前传感器波前重构实时性的快速算法，在根据波前斜率值应用最小二乘法估计波前相位的过程中，应用快速傅里叶变换算法进行方程的对角化和相位值的解耗，算法精站度，稳定，空间分辨率越高，算法实时性的优越性就越显著。     

基于深度学习的环芯光纤精确模式分解方法

提出了一种无需预训练的卷积神经网络（CNN）模式分解（MD）算法，该算法利用具有不同感受野的分支结构提升神经网络的学习能力，用于对环芯少模光纤（FM-RCF）复杂耦合进行高精度表征。在仿真测试中，所提方法的模态相对相位和模态权重误差分别减小为传统CNN-MD的1/8与1/5。实验中利用CCD采集RCF输出端实际光斑图像作为算法输入，对3个模式叠加状态下的光斑进行模态权重和相对相位分析，得到重建光斑与实际光斑之间的相似度高于90%。所提算法不易陷入局部最优且无需迭代，处理时间为ms量级，可为RCF的模式表征及性能预测提供理论与技术支持。     

相位光栅型曲率传感器的波前校正算法

 针对相位光栅曲率传感器能够测量波前曲率在光瞳面上分布的特点,提出了一种采用整个空间分布的曲率信号来实现波前校正的算法。用曲率型变形镜影响函数的曲率信号在光瞳面上的分布来拟合待校正波前的曲率信号,采用最小二乘方法得到变形镜的控制电压,实现波前校正过程。数值模拟了一种41单元曲率型自适应光学系统采用该算法的波前校正过程。结果表明,对4至28阶Zernike像差体现了校正效果,对曲率为0的Zernike像差校正效果略好于曲率不为0的Zernike像差。与传统分区法的校正效果相比,整体法对Zernike像差的校正效果基本相当。整体法无需对光瞳面上的曲率信号进行与电极分布相同的分区,降低了对系统校准的要求。     

强激光畸变波前的高精度重构

 高精度的波前重构，是实现对强激光波前畸变进行有效补偿与控制，提高光束质量的重要前提。先利用三个较远的衍射面及输入面上的强度信息，重构出强激光波前的以均方根梯度来描述的低频成分；再利用两个较近的衍射面及输入面上的强度信息，重构出强激光波前的以随机分布描述的中高频成分。当波前畸变的低频幅度小于或等于2λ，中高频幅度小于或等于0.15λ时，算法具有良好的收敛性能。     

一种新型人眼波前像差测量补偿系统的研究

离焦是人眼中最主要的像差之一,离焦量过大会严重影响人眼波前像差的测量及矫正精度。为了消除离焦在此方面带来的影响,设计了带有补偿装置的人眼波前像差测量及矫正系统。重点分析了该系统的原理、结构和工作流程。运用Hartmann-Shack波前传感器测量了人眼波前像差,并使用变形反射镜对人眼波前像差进行矫正。对模拟人眼矫正离焦前后的光斑点阵图和波前三维重构图进行了对比分析。研究表明,通过离焦补偿系统对模拟人眼的离焦量进行矫正,使被测量人眼的离焦量由2.020D和-2.035D分别减小到0.011D和-0.007D;通过调焦系统,使显示器上显示出的人眼光斑点阵图由模糊变清晰,提高了信标光在人眼眼底的成像质量。