空间光学成像系统波像差的位相差异估计方法

针对传统光学设计和校正手段无法有效消除空间光学成像系统在轨工作时受各种因素影响使像质变差的问题,提出把均匀设计的思想引入位相差异波前传感技术,对系统在轨工作时的波前畸变进行估计.从而实现了对系统波像差的全局优化估计,放宽了波像差的估计范围,易于实现并行化.通过仿真实验发现,该方法正确估计率高,抗噪声能力强,是进行空间光学成像系统波像差估计的有效方法.     

高分辨率空间光学遥感器波像差的无波前传感器自适应光学校正

高分辨率空间光学遥感器在轨工作时,由于受到各种因素的影响,无法清晰成像,目前多采用自适应光学方法与技术进行校正.传统自适应光学系统体积较大,结构复杂,难以应用于高分辨率空间光学系统的在轨校正.无波前传感器自适应光学系统去除了传统自适应光学中的波前传感器,大大简化了系统结构,具有体积小、易于实现等优势,特别适用于高分辨率...     

用于人眼视网膜成像照明的激光消散斑技术研究

以近红外激光(808 nm)作为人眼波前像差探测的信号光和视网膜成像的照明光,液晶空间光调制器(LCOS)作为波前校正器,用哈特曼波前探测器探测人眼像差,构建了人眼像差自适应校正的视网膜成像系统.利用模拟眼分析了激光散斑对相机成像的影响和对哈特曼波前探测器进行像差探测的影响,同时验证了利用旋转散射体的方法消除激光散斑的可行性和有效性;用活体人眼进行了激光消散斑前后照明视网膜进行成像的对比实验,并进一步利用自适应光学技术实现了对人眼像差的动态校正和视网膜细胞的连续成像.校正后,系统波前像差的均方根值小于0.1λ.实验表明激光消散斑后可以同时作为人眼像差探测的信号光和视网膜成像的照明光,从而可以进行连续自适应校正和成像.     

基于双波前传感器自适应光学技术的太阳光栅光谱仪

为了研究不同太阳大气高度的热力学特性,具有良好成像质量的成像型光栅光谱仪是实现这个目标的重要仪器。然而作为地基式太阳望远镜重要的终端仪器之一,光栅光谱仪的光谱成像性能不可避免的会受到动态波前像差和系统静态像差的影响。动态波前像差常通过在太阳望远镜系统中集成自适应光学系统进行补偿。针对光学系统中的由装调和光学元件加工等引起的静态波前像差,提出了一种基于自适应光学技术校正光栅光谱仪中静态波前像差的方法,并进行了数值模拟仿真和实验验证。实验结果表明,校正后系统的残余波前像差RMS≈0.025λ,此时波前像差对光谱分辨率和能量利用率的影响可忽略,提高了光栅光谱仪的光谱成像质量,证明了所提出的方法的有效性。此外它具有降低光学系统装调精度和光学元件加工精度要求的优点。     

波像差的梯度偏离值评价方法（英文）

针对成像光学系统的波像差检测,提出波像差梯度偏离值评价方法,用于表征波前的成像性能.定义波像差梯度偏离值为波前成像点与成像能量中心的偏离值,相对波像差梯度偏离值为波像差梯度偏离值与艾里斑大小的比值.相对波像差梯度偏离值与波前口径、形状、焦距均无关,其与波像差梯度偏离值均可以用成像尺寸、成像集中度以及成像能量分布等方式进行评价.大量的波像差实际检测结果表明,成像集中度和成像能量分布在不同的检测分辨率条件下的稳定性较好,分辨率每相差一倍产生的差异通常小于10%.中频误差含量不同的两个球面和非球面波像差的实例比较结果表明波像差梯度偏离值可以很好地评价波像差的空间频率分布特征.根据出瞳位置的波像差梯度偏离值分布和像面位置的波像差梯度分布情况,可以方便地指导光学加工和系统装调.该方法可以用于制定波像差指标,进行波前质量控制.     

二维调制传递函数及其在波前差检测方面的应用

光学系统像质分析在光学系统设计、加工和装调过程中具有重要意义.像质分析常用的方法有调制传递函数法和波前差法.对于高分辨率光学系统,传统的一维调制传递函数由于只提供了一维空间频率信息,因此在像质检测时有一定的局限性.本文基于随机数图像的傅里叶功率谱密度理论,提出了一种利用随机数图像作为目标物来测量成像光学系统二维调制传递函数的方法;通过利用NewtonCotes求积公式,对有像差系统的光学传递函数计算公式做进一步推导,提出了利用实际成像光学系统的二维调制传递函数值直接计算系统波前差的算法.实验结果表明,二维调制传递函数较之一维调制传递函数更能真实地反应成像光学系统的成像性能;利用二维调制传递函数计算得到的波前差与理论波前差在轮廓上有较好的一致性,可以作为实际系统波前差分析的一条新途径.     

一种非完善成像离轴三反装调补偿系统研究

为了实现非完善成像离轴三反系统的高质量装调,提出了一种置于三反系统焦点前的像差补偿系统的设计方法。基于高斯光学,推导了补偿系统参数与像点空间位置的关系,并根据三级像差理论,设计出补偿系统的初始结构。利用有效口径为400 mm、F数为3.9的离轴三反系统,对所提方法进行了分析,验证了方法的可行性。所提方法有效提高了优化效率,适用于多种类型的反射系统。最终设计结果以相对较小的口径实现了非完善成像离轴三反系统的高质量装调,有效降低了装调成本,提高了装调效率。     

一种线性相位反演波前测量方法的原理和性能初步分析

对一种基于线性相位反演的新型波前测量方法的基本原理和性能进行了研究。事先对成像光学系统的自身像差进行定标并记录下定标图像。传感器工作时只需测量出有像差时的一幅远场图像与定标图像的差,就可以用线性矩阵相乘方法得到待测像差对应的泽尼克多项式系数。讨论了这种线性相位反演波前测量方法中确定泽尼克模式复原矩阵的方法。以大气湍流畸变波前像差的测量为例,对这种线性相位反演波前测量方法进行了数值仿真研究。结果表明,这种线性相位反演算法具有空间分辨力高、对小像差测量精度高的特点,但测量动态范围有限。这种线性相位反演波前传感器将适用于自适应光学闭环系统。     

层叠微透镜阵列扫描成像系统的动态像差

以层叠微透镜阵列扫描成像系统的动态像差为研究目标,基于非旋转对称光学系统的矢量波像差理论,建立了层叠微透镜阵列扫描成像系统的动态波像差理论模型,提出一种可用于系统波像差计算的适用性方法。同时,将动态波像差模型应用于两片式微透镜阵列扫描结构的像差分析中,分析了多扫描视场下的初级波像差以及均方根（RMS）波前差,并计算了不同扫描视场下的初级波像差值在光学表面上的分布。所得研究结果对层叠微透镜阵列扫描成像系统的设计优化与装调实验具有理论指导和工程化意义。     

自适应光学系统模式控制动态优化方法

像差校正模式项数是自适应光学系统模式控制算法中的一个重要参数,其大小对补偿效果影响明显。通过对系统响应函数矩阵的奇异值分解构建像差模式空间,以不同控制项数下残余像差的均方根估计为依据确定每次校正的模式项数,提出了一种模式项数动态优化的控制方法。以Hartmann-Shack波前传感器和薄膜变形镜为主要部件搭建自适应光学实验系统,通过拟合不同像差验证上述控制方法,实验结果表明,和固定项模式控制方法比较,动态优化方法校正的系统残余像差更低,可明显提高自适应光学系统的空间拟合性能。     

利用Cramér-Rao理论研究相位差法的最佳离焦量

 针对光子数足够多的情况,利用Cramér-Rao理论研究了在选取离焦作为附加像差时,不同的待测波前和目标对最佳离焦量选取的影响。结果表明:在点目标情况下,像差的大小和空间频率对最佳离焦量的影响不大;而在扩展目标情况下,最佳离焦量虽然与待测像差的空间频率关系不明显,但随着待测像差峰谷值的增大而增大。最佳离焦量与目标的结构有关而与其扩展程度关系不大,成像时目标上各点的干扰越大,最佳离焦量越大。     

位相差异波前传感技术在大型空间光学相机中的应用

在位相差异技术原理的基础上,利用现有平台,通过室内实验以及室外推扫成像试验,检验了位相差异技术波前反演的效果.试验表明:以干涉仪实测波前与反演波前的残差均方根误差作为评价标准,基于位相差异技术的波前反演精度可达1/40λ(λ=632.8nm);同时,利用反演波前进行的图像复原滤波能够大幅改善推扫退化图像的品质,复原后图像信噪比的提升量优于40%,奈奎斯特频率处调制传递函数的提升量超过80%.间接地证明了位相差异波前反演技术的实际效能,为位相差异波前反演技术的空间应用奠定了基础.     

Focal plane wave-front sensing algorithm for high-contrast imaging

High-contrast imaging provided by a coronagraph is critical for the direction imaging of the Earth-like planet orbiting its bright parent star. A major limitation for such direct imaging is the speckle noise that is induced from the wave-front error of an optical system. We derive an algorithm for the wave-front measurement directly from 3 focal plane images. The 3 images are achieved through a deformable mirror to provide specific phases for the optics system. We introduce an extra amplitude modulation on one deformable mirror configuration to create an uncorrelated wave-front, which is a critical procedure for wave-front sensing. The simulation shows that the reconstructed wave-front is consistent with the original wave-front theoretically, which indicates that such an algorithm is a promising technique for the wave-front measurement for the high-contrast imaging. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 10873024)     

热环境中的光传输与光学校正仿真

对折射率不均匀分布的窗口中的光线传输进行了分析,利用光线追迹得到的光程差再现了光波通过窗口后的波前图。通过研究图像获取和处理方法,提出了用相位互异散斑(PDS)技术进行图像补偿和校正由大气扰动造成的波前变形。结果表明,图像的清晰度和对比度得到了提高。     

High-resolution confocal detection of nanometric displacement by use of a 2 x 1 optical fiber coupler

A novel high-resolution confocal measurement of nanometric displacement that uses a simple 2 x 1 optical fiber coupler is presented. The basic principle is to detect interferometrically the change in the phase difference between two adjacent input fibers of the coupler that results from the nonuniform wave-front curvature of the reflected light. Measurement of subnanometer axial modulation, which permits high-resolution displacement sensing by optical means, is demonstrated.     

相位差法波前传感系统自身误差的分析及消除方法

 针对附加像差为离焦的情况,对焦面位置误差、离焦量误差、图像对准误差以及图像噪声等因素带来的波前传感误差进行了数值模拟,并给出了确定焦面位置、对准焦面图像和离焦面图像、精确计算分光比、确定离焦量以及处理图像噪声的方法。使得传感结果的均方根误差分别由0.088 8λ,0.059 0λ,0.128 4λ,4.170 6λ,0.152 6λ降为0.002 1λ,0.002 1λ,0.002 1λ,0.002 1λ,0.029 2λ。结果表明:这些方法可以有效地减小传感误差,大大提高了传感精度,为相位差法的实际应用提供了重要的技术支持。     

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.     

衍射光学元件的应用

本文主要介绍了衍射光学元件在激光系统、光学互连、波前探测、目镜设计和扫描系统上的应用，以及目前技术上的热点。     

High resolution optical image restoration for ground-based large telescope using phase diversity speckle

Phase diversity speckle (PDS) is an image restoration technique which is based on the idea of phase diversity (PD). It uses multi-frame short-exposure image sequence to calculate their corresponding wave-front information. Each image pair consists of two images collected by two cameras at the same time with one in focus and the other with known defocus value. Multi-frame processing can significantly improve the target signal to noise ratio, and decrease noise influence. In this paper, based on the principle of pupil Fourier imaging, by adjusting the pupil size, we get different scales of the optical point spread function (PSF). Also, we analysis different camera noise distribution channels, location differences and other factors to optimize the objective evaluation function, and this can reduce the computational complexity and improve the processing speed of image restoration. In the indoor environment, we build optical platform, and use multi-frame phase diversity speckle to make experiment under different turbulence conditions. The experimental results show that the image restoration effect of the proposed method is close to the diffraction limit.