基于混合解包裹的正六边形拼接光瞳相位恢复算法研究

相位恢复法是一种利用多个离焦面光强分布采用基于傅里叶变换的迭代变换恢复瞳面相位分布的波前传感方法。采用改进的傅里叶迭代变换算法,当波前传感范围超过1个波长时,需要在迭代过程中采用相位解包裹算法。针对18块正六边形拼接的复杂光瞳,提出采用路径无关和最小二乘相结合的混合相位解包裹算法,提高了波前传感精度和动态范围。通过仿真比较了所提方法与单独采用一种相位解包裹方法时的波前传感性能,分析了所提方法的动态范围及噪声对算法精度的影响。仿真结果表明,当波前PV值为3.5λ时,算法的精度为λ/43;当噪声RMS值为10(图像为12Bit量化)时,算法的精度优于λ/40。     

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。     

相位差异法探测波前的误差分析及消除方法

针对附加像差为离焦模式的相位差异波前探测技术在实际工程应用中遇到的各类误差问题,以探测拼接型望远镜的共相误差为例,通过数值仿真对焦面位置误差、离焦量误差、图像对准误差、曝光延时误差及噪声误差对波前探测精度的影响进行了定量分析。并提出了通过改进相位差异算法进行消除相应误差项的方法,使得波前探测的均方根误差分别由校正前的0.06λ、0.0581λ、0.0754λ、0.0796λ、0.0737λ分别下降为5.8834×10-4λ、6.664×10-4λ、3.5853×10-5λ、6.1837×10-5λ、0.0013λ,且对于各误差项在较大误差范围内,仍可以保持上述相同量级的波前探测精度。结果表明:该方法可以有效地消除误差,大幅度提高波前传感精度,对于相位差异波前探测技术在实际工程中的应用具参考意义。     

利用相位差异波前传感检测结果实现三反光学系统的辅助装调

阐述了基于相位差异(PD)的波前传感技术的基本原理;仿真分析了PD技术的噪声适应性及探测器离焦误差对精度的影响;利用PD技术的波前传感结果分别辅助装调了离轴、同轴三反光学系统,并分别将多视场的波前图与干涉检验的结果进行对比。实验结果表明,利用PD技术可实现三反光学系统的波前传感及辅助装调。与干涉检验的结果相比,波前传感结果的RMS偏差均优于0.02λ,检测精度满足工程需求。     

宽带电磁图像卷积神经网络盲恢复方法研究

在利用抛物反射面对电磁干扰源成像过程中,由于系统衍射受限及成像频带较宽,导致干扰源成像模糊,分辨率低,难以分辨,不同频率不同区域干扰源所成图像分辨率不同,采用已有超分辨算法难以提高分辨率。为了实现宽带电磁图像的盲复原, 应用卷积神经网络的方法。网络训练是直接输入模糊图像,不假设任何特定的模糊和噪声模型情况下,重建出高质量图像。实验和仿真结果证明了卷积神经网络盲恢复方法在宽频带不同成像区域下表现了优于其他盲恢复算法的优势。     

基于远场信息和卷积神经网络的波前重构方法

探测波前相位信息是实现自适应光学波前补偿的关键,使用卷积神经网络（CNN）代替波前传感器进行波前重构,系统简单易于实现,同时重构过程不依赖迭代运算,快速实时。为准确提取远场中的波前特征,CNN需要事先使用大量样本进行训练。研究中根据4～30阶大气湍流泽尼克像差系数与其远场强度的对应关系,仿真制作样本数据集,训练CNN从输入的一帧远场图像中预测出畸变波前的泽尼克像差系数,重构原始波前。验证结果表明,该方法能快速实时地还原出波前相位信息,重构波前较原始波前具有极高的波面吻合度和较小的残差剩余量,有望实现实际自适应光学系统中的闭环校正。     

复杂光瞳波前相位恢复算法与实验验证

由美国喷气推进实验室提出的MGS(modified G-S)算法,是一种基于迭代FFT变换的相位恢复波前传感方法.其中,多离焦面的使用保证算法迭代解具有唯一性,多种相位解包裹方法的引入使得算法既有很高的传感精度又有可观的传感动态范围.但当传感非连通域复杂光瞳时,由于受瞳内遮挡区域的伪包裹相位值影响,路径无关型解包裹算法失效,从而导致MGS算法迭代失败.为此首先对MGS算法做了进一步细节优化,在此基础上设计出一套普适于非连通域复杂光瞳的路径无关型解包裹算法流程,它能根据光瞳实际遮挡排布自适应设定最优解包裹步骤和路径.通过搭建实验光路,验证了该解包裹算法的町行性,并结合干涉测量对改进MGS算法在非连通域复杂光瞳中的波前传感精度做了初步标定.     

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。     

基于压缩传感的纯相位物体相位恢复

传统的相位恢复算法通过双强度或者单强度测量的数据进行迭代运算以恢复丢失的相位信息, 它要求采样数据必须满足香农采样定理.当成像的分辨率较高时, 大量的测量数据势必会对数据采样设备提出更多的要求.因此, 为减少采样负担, 本文提出了一种基于压缩传感的相位恢复算法, 通过在傅里叶面的少量单强度测量数据, 应用改进的混合输入输出算法来恢复纯相位物体的相位分布.在采样数据远小于采样定理所需的条件时, 该算法仍能精确地恢复相位分布具有分块均匀特征的纯相位物体.数值仿真实验表明该算法具有良好的收敛性能. 关键词： 相位恢复 压缩传感     

高精度瑞奇-康芒检测法研究及测试距离精度影响分析

为实现高精度瑞奇-康芒法检测,利用检测系统光瞳面与被测平面镜二者间的坐标转换关系,结合最小二乘法直接对测得的系统波像差进行恢复,通过两角度检测分离由光路调整引入的离焦误差,得到更为精准的平面镜面形。分析光路中测试距离对坐标转换关系以及瑞奇角求解精度的影响,根据仿真分析结果确定实验方案。实验中采用两角度检测,对测试波前进行恢复并分离系统调整误差后,最终得到被检平面镜面形,结果峰谷(PV)值为0.182λ、均方根(RMS)值为0.0101λ,对比干涉仪直接检测结果 PV值为0.229λ、RMS值为0.013λ,PV检测精度优于λ/20,RMS检测精度优于λ/100,实验结果证明了此种面形恢复方法的有效性以及测试距离精度分析理论的正确性,从而实现了瑞奇-康芒法高精度检测。     

高精度相位差波前探测器的数值仿真和实验研究

相位差(PD)波前探测器具有光路简单、共光路测量等优点,不仅适合点目标,而且适合扩展目标.随着算法和硬件水平的不断提高,相位差法已经成为波前探测技术的一个重要发展方向.对相位差波前探测器进行了研究,成功实现了对点目标和扩展目标的波前探测,给出了数值仿真结果.针对点目标,搭建实验光路,对静态的单阶Zernike像差和随机...     

泽尼克各项像差对人眼光学质量的影响

基于两个人眼光学质量客观评价标准同心相对瞳孔平面(PFWc)和区域调制传递函数(Marea MTF),研究和分析了波前像差均方根值WRMS处于0.05~1.00μm较大范围内泽尼克各项像差对人眼光学质量的影响。分析结果表明,泽尼克各项在WRMS一定时,瞳孔中心区域的光学质量差距明显,离焦(C4)和球差(C12)项的MPFWc值最小,而五叶草(C15、C20)项的MPFWc值最大。五叶草项在WRMS值处于0.05~1.00μm的范围内,其Marea MTF值均大于0.94,表明该像差项对光学质量的影响可以忽略。MPFWc值和Marea MTF值随着WRMS值的增大而减小,但不是简单的线性关系,随着WRMS值的增大,它们的变化趋于平缓。各项泽尼克像差对人眼光学质量的影响存在较大差别,对人眼光学质量的影响从大到小依次为:球差、离焦、散光、彗差、三叶草、四叶草、五叶草等。     

基于卷积神经网络的恒星光谱自动分类方法

恒星光谱自动分类是研究恒星光谱的基础内容,快速、准确自动识别、分类恒星光谱可提高搜寻特殊天体速度,对天文学研究有重大意义。目前我国大型巡天项目LAMOST每年发布数百万条光谱数据,对海量恒星光谱进行快速、准确自动识别与分类研究已成为天文学大数据分析与处理领域的研究热点之一。针对恒星光谱自动分类问题,提出一种基于卷积神经网络(CNN)的K和F型恒星光谱分类方法,并与支持向量机(SVM)、误差反向传播算法(BP)对比,采用交叉验证方法验证分类器性能。与传统方法相比CNN具有权值共享,减少模型学习参数;可直接对训练数据自动进行特征提取等优点。实验采用Tensorflow深度学习框架,Python3.5编程环境。K和F恒星光谱数据集采用国家天文台提供的LAMOST DR3数据。截取每条光谱波长范围为3 500~7 500 部分,对光谱均匀采样生成数据集样本,采用min-max归一化方法对数据集样本进行归一化处理。CNN结构包括：输入层,卷积层C1,池化层S1,卷积层C2,池化层S2,卷积层C3,池化层S3,全连接层,输出层。输入层为一批K和F型恒星光谱相同的3 700个波长点处流量值。C1层设有10个大小为1×3步长为1的卷积核。S1层采用最大池化方法,采样窗口大小为1×2,无重叠采样,生成10张特征图,与C1层特征图数量相同,大小为C1层特征图的二分之一。C2层设有20个大小为1×2步长为1的卷积核,输出20张特征图。S2层对C2层20张特征图下采样输出20张特征图。C3层设有30个大小为1×3步长为1的卷积核,输出30张特征图。S3层对C3层30张特征图下采样输出30张特征图。全连接层神经元个数设置为50,每个神经元都与S3层的所有神经元连接。输出层神经元个数设置为2,输出分类结果。卷积层激活函数采用ReLU函数,输出层激活函数采用softmax函数。对比算法SVM类型为C-SVC,核函数采用径向基函数,BP算法设有3个隐藏层,每个隐藏层设有20,40和20个神经元。数据集分为训练数据和测试数据,将训练数据的40%,60%,80%和100%作为5个训练集,测试数据作为测试集。分别将5个训练集放入模型中训练,共迭代8 000次,每次训练好的模型用测试集进行验证。对比实验采用100%的训练数据作为训练集,测试数据作为测试集。采用精确率、召回率、F-score、准确率四个评价指标评价模型性能,对实验结果进行详细分析。分析结果表明CNN算法可对K和F型恒星光谱快速自动分类和筛选,训练集数据量越大,模型泛化能力越强,分类准确率越高。对比实验结果表明采用CNN算法对K和F型恒星光谱自动分类较传统机器学习SVM和BP算法自动分类准确率更高。     

用H-S波前传感器测量穿过超声速流场的激光像差特性

 用Hartmann-Shack(H-S)波前传感器可以准确测量穿过超声速流场的激光波面及其变化过程，进一步计算可以获得光束质心漂移、远场分布等数据。给出了H-S方法测量穿过超声速流场激光波面的原理，采用模式法进行了波前重构，计算了在几种流场条件下的激光波面像差特性PV值，RMS值和Zernike像差系数、Strehl比和环围能量曲线等。结果表明，H-S法可以很好地反映流场建立、稳定和结束过程中Zernike像差的变化。比较无流场和给定参数的超声速流场，激光穿越后产生的最明显的像差变化为离焦和低阶像散的增大。在相同流场参数下，无模型时光束质量好于有模型时光束质量。     

渐进多焦点镜片波前像差的扩束测量方法

利用波前传感器测量自由曲面镜片时,由于自由曲面镜片的直径通常大于波前传感器的接收孔径,主要采用子孔径拼接技术测量镜片的波前像差。针对子孔径拼接技术测量中存在着操作繁琐、数据处理量大等问题,提出渐进多焦点镜片波前像差的扩束测量方法,得到渐进多焦点镜片中央直径为22 mm圆形区域内的波前像差。为了验证试验的可靠性,将测量得到的波前像差泽尼克表述中的离焦项转换为球镜度,与条纹偏折法测量得到镜片的球镜度进行对比实验,实验结果证明了渐进多焦点镜片波前像差的扩束测量方法可以用于渐进多焦点镜片波前像差的检测。     

基于矢量波像差理论的计算机辅助装调技术研究

在三阶矢量波像差理论的基础上,建立了系统内失调量与系统波像差Zernike系数的关系式,并以共轴三反射光学系统为数学模型进行了仿真分析.结果表明,基于矢量波像差理论的装调技术可行,并可用于大型光学系统的装调.利用该理论对一共轴非球面三反系统进行装调,最终使系统波像差RMS<0.080λ.     

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.     

Measurement of lens aberration based on vector imaging theory

Current aerial image based aberration measurement methods are all derived from the scalar imaging theory which is not applicable to hyper-NA lithography. Here we propose an aberration measurement method for the lithography system with an arbitrary NA based on the rigorous vector imaging theory. The retrieval error of the proposed method is clearly demonstrated by comparing with the method based on the scalar imaging theory for an immersion NA 1.35 projector using numerical results. The results show that the maximal retrieval error of our method is below 0:5mλ, while that of previous method is above 4mλ. In addition, the effect of practical aerial image metrology accuracy on the retrieval accuracy of proposed technique is analyzed. The results obtained demonstrate that the retrieval accuracy of our method is greatly improved, and the proposed technique is applicable to the retrieval of the wavefront aberration of a projector with hyper-NA.