利用Offner光学系统进行图像恢复和光学检测

设计了一种Offner光学系统,用于基于相位差异技术的图像恢复和光学系统波像差的辅助检测。该Offner光学系统采用同轴抛物面反射镜作为Offner反射镜,以高速CCD相机和Shack—Hartmann波前探测器作为接收元件,能完好地消除复色光源在图像恢复过程中带来的色差;设计的RMS波像差小于a／50（A=632．8nm）,结构简单,容易实现。利用该系统分别以分辨率板和光纤光源为目标进行了图像恢复实验,经过恢复后的图像分辨率提高了19％。此外,利用该系统,采用相位差异算法解算了系统波像差,并与Shack—Hartmann波前探测器的测量结果进行了比较。比较显示两者的RMS波像差测量值相差5％,证明该系统同样能够进行光学波前检测。     

无调制两面锥波前传感器的衍射理论分析和数值仿真

两面锥波前传感器(two-sided pyramid wavefront Sensor,TSPWFS)是一种高空间采样率和高光能利用率的波前传感器.为了深入研究它的波前复原原理,采用波动光学理论详细推导了无调制TSPWFS的衍射理论,给出了无调制TSPWFS波前复原时线性重构矩阵的解析解,并且通过数值仿真确定出最佳的光瞳像中心间距,并对静态像差的波前复原及闭环校正进行数值仿真.分析结果表明,无调制TSPWFS具有波前复原时不需要现场测量响应矩阵,可以校正系统像差,闭环校正结果稳定等优点,可以在实际自适应光学系统中进行波前探测. 关键词： 自适应光学 两面锥波前传感器 波前复原     

基于Shark-Hartmann理论的波前探测技术研究

精确的波前探测是反射镜面型检测及光束波前畸变测量的重要依据,论文根据Shark-Hartmann理论对波前探测技术进行了模拟和实验研究。将平行光经过球面透镜/柱面透镜后形成的球面波/柱面波作为探测波前。实验采用商用的微透镜阵列和CCD搭建Shark-Hartmann传感器,利用实际光束作为参考光,避免了参考光的不准直性对实验的影响。模拟计算结果表明平均曲率误差为13.423 mm,实验结果实现了对球面/柱面/倾斜波的探测及复原。     

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。     

自适应光学系统中波前传感器噪声的闭环传递特性

 分析了Shack-Hartmann 波前传感器（S-H WFS）在实际大气条件下,大气湍流波前相位的探测误差在自适应光学系统（AOS）中的传递过程以及最后的控制残余方差,导出了定量分析的数学模型,并给出了分析结果。结果表明,当S-H WFS用于微弱信标光大气湍流的探测时,自适应光学系统中的控制斜率残余误差中除了前人分析[1]的误差外还包含一项由天空背景光斑质心位置引起的常数误差值,并且系统的有效控制带宽会因信标探测对比度的下降而减小,这将大大降低AOS的校正能力。分析结果还表明信标光越弱,对S-H WFS的标定光学系统的像差要求越高。     

线性相位反演传感器与哈特曼传感器的实验研究对比

为了进一步分析线性相位反演波前传感器的性能,搭建了基于线性相位反演测量方法的波前传感器的实验装置.针对各种波前随机像差,同时用线性相位波前传感器和哈特曼波前传感器进行测量和复原,将复原结果进行对比.分析了不同的探测分辨力和不同泽尼克复原阶数对线性相位反演传感器复原结果的影响.分析了靶面分辨力,合理的靶面大小对复原精度是有利的,肯定了线性相位反演波前传感器可以用较少的探测单元实现相似精度的测量,采样靶面像素为8 pixel×8 pixel时,误差系数仍很小.利用对随机像差片进行不同阶数的复原,线性相位反演波前传感器的复原残差的误差率基本都在0.25以下,能对前35阶像差进行比较精确的复原.     

相位差波前检测方法应用于平移误差检测的实验研究

相位差波前检测方法由于其结构简单,对环境要求低,测量精度较高等优点,被应用于诸多领域.本文针对拼接型天文望远镜中主镜的共相位检测问题,对相位差波前检测方法在拼接主镜各子镜间平移误差测量进行理论分析,并搭建了实验光路.实验结果表明:相位差波前检测方法对拼接镜平移误差的测量精度高于λ/20(λ为波长),满足系统对拼接平移误差的要求.     

Measurement of transient near-infrared laser pulse wavefront with high precision by radial shearing interferometer

It is hard to measure the transient near-infrared pulse laser wavefront in inertial confinement fusion (ICF) system by conventional methods for its short pulse width, large energy, high power and large distortion. A circular radial shearing interferometer based on spatial phase modulation is proposed to measure the transient near-infrared laser pulse wavefront with high precision. Transient, highly precise measurement for near-infrared laser pulse wavefront, with pulse width of nanometer scale and central wavelength of 1064 nm, can be carried out with common path, no reference plane. The theory of wavefront reconstruction has been validated by the computer simulation, and an error less than 1/1000λ is obtained. Comparing with the results of ZYGO interferometer, an error less than 1/15λ for both peak valley and root mean square value, is gained with good repeatability. The system has already been used in the ICF system to test the pulsed laser wavefront, and can also be applied to other lasers of visible and infrared wavelengths.     

自适应光学系统波前校正残余误差的功率谱分析方法

采用比较自适应光学系统闭环校正前后时间功率谱人方法,对自适应光学系统的波前校正残余误差进行了分析。在注意噪块时,实测的闭环波前复原相位误差与「实际波前校正残余误差是有区别的,分析了两者功率谱的差别之后,提出了一种估计实际波前校正残余误差的方法,应用这种方法对１．２米望远镜高分辨力自适应光学系统所采集的复原相位数据方差和波前校正残余误差进行了对比。     

A wavefront sensor-less adaptive optical system for a solid-state laser

A wavefront sensor-less adaptive optical system has been set up. It consists of a deformable mirror, a high-voltage amplifier, a set of solid-state laser system, a CCD camera, control software and a genetic algorithm. This adaptive optical system does not employ a wavefront sensor to detect the wavefront information, but optimizes the light intensity within a fixed aperture in the focal plane by a 19-element piezoelectricity deformable mirror. A genetic algorithm is introduced to search the optimum surface profile of the deformable mirror for correcting the phase aberrations in a solid-state laser system. The far-field light intensity signal, which is measured by a CCD, is taken as the fitness function of the genetic algorithm. In this paper, the performance and the efficiency of this wavefront sensor-less adaptive optical system are presented. Both simulative results and experimental results are given and discussed.     

低多义性误差的条纹反射技术系统结构研究

条纹反射技术中的多义性误差将直接影响测量结果的精度，现有的多义性误差消除方法会大大增加系统复杂程度，且只能补偿部分的误差。推导了条纹反射系统不含多义性误差的准确相位-梯度解析模型，对该模型仿真分析得出:当系统设置满足进入相机的光线与参考平面和显示屏都成90°夹角条件时，系统多义性误差近乎为0的结论，基于此，提出一种基于同轴光路系统结构，实验证明了所提出的同轴光路系统结构在物体表面高度从0增加至3 mm时多义性误差始终近乎为0，普通系统结构的多义性误差随着物体表面高度从0增加到3 mm时，多义性相位误差从0增加至1.5 rad，实验证明使用提出的同轴系统可以大大抑制条纹反射技术中的多义性误差。     

Wavefront response matrix for closed-loop adaptive optics system based on non-modulation pyramid wavefront sensor

Pyramid wavefront sensor (PWFS) is a kind of wavefront sensor with high spatial resolution and high energy utilization. In this paper an adaptive optics system with PWFS as wavefront sensor and liquid-crystal spatial light modulator (LC-SLM) as wavefront corrector is built in the laboratory. The wavefront response matrix is a key element in the close-loop operation. It can be obtained by measuring the real response to given aberrations, which is easily contaminated by noise and influenced by the inherent aberration in the optical system. A kind of analytic solution of response matrix is proposed, with which numerical simulation and experiment are also implemented to verify the performance of closed-loop correction of static aberration based on linear reconstruction theory. Results show that this AO system with the proposed matrix can work steadily in closed-loop operation.     

基于线性相位反演技术的自适应光学闭环实验研究

利用成像光学系统、变形镜、装有图像采集卡和D/A卡的PC机等建立了一套基于线性相位反演技术的自适应光学闭环实验系统.在Windows操作系统下用VC完成图像处理和控制算法.利用一台高测量精度的哈特曼传感器测量波前信息并评价自适应光学系统的校正效果.在不同像差大小状态下研究了这种基于线性相位反演技术的自适应光学系统的像差校正能力.收敛速度,稳定性等.实验结果表明,基于线性相位反演技术的自适应光学系统对静态小像差有较好的校正效果.     

基于液晶纯相位光调制器的4f系统去噪方法

分析了4f系统的噪声来源,提出使用液晶空间光调制器实时去除系统噪声.通过使用Zemike多项式拟合透镜等光学器件引入的像差,根据液晶纯相位光调制器利用位相共轭波进行静态波面校正的工作原理,提出了一种新的相位校正算法,模拟仿真美国BNS公司反射式256×256纯相位液晶空间光调制器,通过重构并逼近畸变波面,产生相位共轭波...     

Wavefront sensing based on phase contrast theory and coherent optical processing

A novel wavefront sensing method based on phase contrast theory and coherent optical processing is proposed. The wavefront gradient field in the object plane is modulated into intensity distribution in a gang of patterns, making highdensity detection available. By applying the method, we have also designed a wavefront sensor. It consists of a classical coherent optical processing system, a CCD detector array, two pieces of orthogonal composite sinusoidal gratings, and a mechanical structure that can perform real-time linear positioning. The simulation results prove and demonstrate the validity of the method and the sensor in high-precision measurement of the wavefront gradient field.     

激光遥感偏振成像系统光学元件调整及误差分析

改进了利用双旋转波片方法进行偏振成像的实验装置,提出了通过一次测量获得目标偏振度和强度编码图像的方法.运用光强法对激光遥感偏振成像装置的光学元件进行调整,通过斯托克斯和穆勒矩阵在偏振光学元件中的应用,给出了相应光学元件的调整原理、方法及过程.分析了激光器中心波长变动、偏振片的角度误差和波片的相位延迟及角度误差对整个系统的影响.结果表明,由偏振片角度和波片角度误差造成的出射光斯托克斯误差较小,不超过0.001,可以忽略;由波片相位延迟不精确造成的误差在0.02左右,所以应采用延迟精度较高的波片;激光器中心波长变化的影响最大,不能忽略,必须加滤光片使接收光的中心波长控制在808nm;镀有铝膜望远镜对接收到的散射光偏振度影响较小,适于激光遥感偏振成像系统的应用.     

大口径光学窗口结构及支撑技术

为减小大口径光学窗口对系统入射光线的影响,提高光学窗口性能及光学系统成像质量,提出了基于普通环带支撑的中间环带辅助支撑形式,并在不同口径、径厚比及遮拦比状态下比较两种支撑方式对光学系统波前误差的影响。与普通环带支撑方式相比,采用中间环带辅助支撑形式可以降低90%的由窗口引入的波前误差,该方式对径厚比为100/1的窗口的支撑效果可以达到普通支撑方式下径厚比为100/3的窗口类似的支撑效果。因此,中间环带辅助支撑形式可以有效提高窗口支撑效率、减小窗口厚度及质量、降低窗口对入射光线的体吸收率。     

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。     

长焦红外光学系统焦距的高精度测量技术

为提高长焦红外光学系统焦距测量的准确性,提出一种将干涉测量、光电自准和激光跟踪技术相结合的焦距测量方法。基于光学系统波前干涉测量光路,利用波前的power值对球面反射镜位置非常敏感的特性,结合激光跟踪仪的空间几何量精密测量和光电自准直仪的精密测角功能,实现长焦红外光学系统焦距的高精度测量。实验中对一理论焦距为1 520 mm的航空长焦红外光学系统进行测试,并结合测试设备的测量精度进行误差分析,5次测量的标准偏差为0.930 mm,测量误差小于0.2%,满足测试技术要求。结果表明这种方法用于长焦红外光学系统焦距的测量是合理可行的。