大幅面气动光学波前畸变场测量与重构EI北大核心CSCD

各类高速飞行器所装备的光电成像探测与侦察系统、光电跟踪瞄准系统、定向能攻击武器和光通讯系统,都需要开展气动光学波前畸变场测量与校正技术研究。为此,提出大幅面气动光学波前畸变场测量与重构方法,将光束偏折位移场测量值转化为光束从摄影中心出发穿过扰流区到人工点的光程差,并研究了Zernike多项式阶数与波前畸变重构精度的关系。2m超声速风洞中某跨大气层飞行器模型实验结果表明:该方法可以定量测量波前畸变场,测得机头与机翼的斜激波所致的波前畸变结构正确。该方法光路简单、无需使用价格昂贵的相干光源,为气动光学效应的测试及校正技术的研究提供了新途径。     

基于背景纹影的几何光学传递函数测量技术

光学传递函数是评价像质的重要指标,是光学系统设计的重要辅助参数.基于背景纹影技术获取光线通过折射率场的位移场数据,结合马吕斯定理,获取了对应的波前梯度数据.结合光学传递函数计算方法,实现对光学传递函数的获取.利用上述思路完成了对某平凸透镜光学传递函数的测量,并将其与ZEMAX计算得到的光学传递函数进行比较.对比了低频处的实验结果和理论结果,其误差不超过4.0%.分析了误差产生原因并验证了基于背景纹影技术对低通系统进行光学传递函数测量的可行性和有效性.     

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。     

液体透镜的透射波前特性研究

液体透镜是一种新型光学元件,通过改变表面曲率而调整光焦度。液体透镜的透射波前质量会影响成像质量,将液体透镜应用于精密光学系统需要探明其透射波前变化特性。通过理论和仿真分析液体透镜通光孔径内不同高度入射光线的光程差随曲率半径的变化,以及光程差对光焦度的敏感性,以此研究光瞳空间内光程差微变的一致性。分别测量液体透镜在零、正、负光焦度下的透射波前,通过分析实验数据验证液体透镜的光程差微变的一致性。实验结果表明:光程差微变的空间最大差异约为0.22λ～0.36λ,空间分布离散程度约为0.01λ～0.02λ,得出液体透镜随电流微变产生的光程差微变一致性较好,为液体透镜在精密光学系统中的应用和像差补偿提供了技术支撑。     

采用阵列波带片波前传感的激光波前重构

 在高功率激光系统，激光束小尺度相位畸变波前探测是实现激光束中频段波前补偿与控制的重要前提。采用阵列菲涅耳波带片作为激光束波前传感的子孔径分割器，利用区域重构的Southwell模型进行波前重构。并针对波前传感器子孔径数目、小尺度相位畸变波前的参数对波前重构精度影响进行分析与模拟计算，给出了阵列菲涅耳波带片合理的子孔径数目，为20×20～30×30；对小尺度相位畸变，激光束波前的重构误差小于十分之一波长。     

激光推进应用中的波前重构仿真研究

分析了Hartmann传感器应用于激光推进中波前畸变测量的可行性,介绍了模式法波前重构原理。利用MATLAB7.0对小孔板进行了仿真。并根据几何光线追迹原理,对设定的畸变波前进行了重构。同时比较了选用不同Zernike模式数的波前重构结果以及选用不同采样率小孔板的波前重构结果。仿真结果表明:Hartmann传感器对推进应用中大口径光斑的波阵面测量是可行的。     

基于GPU的液晶自适应光学波前重构计算

利用GPU进行液晶自适应光学波前重构的加速计算.介绍了液晶自适应光学的Zernike模式波前重构算法,详细论述了GPU的通用架构和GPU实现波前重构的方法,给出了GPU与CPU的实验对比结果.结果表明,GPU计算波前重构不但可以准确无误地计算出液晶波前校正器的灰度级分布,计算速度更是传统CPU波前计算的几十倍.     

用于白天自适应光学的波前探测方法分析

提出了两种视场偏移哈特曼波前传感器，用于探测白天条件下强背景中目标信号的波前信息.给出了哈特曼波前传感器子孔径中焦面上天光背景非均匀性分布特征的实验结果，详细分析了基于分光棱镜的双焦面视场偏移哈特曼波前传感器的探测误差，并通过基于倾斜镜的单焦面视场偏移哈特曼波前传感器实验给出了波前测量的结果，证明视场偏移哈特曼波前传感器能够精确、稳定的测量白天条件下目标信号的畸变波前信息，同时给出了其在白天条件下探测能力的估算结果及其受限因素，估算结果表明云南天文台的自适应光学系统在10 W/m²·sr天光背景条件下应用视场偏移哈特曼波前传感器能对5等星(可视星等值)目标进行准确的波前探测. 关键词： 自适应光学 波前传感器 白天工作 误差分析     

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。     

带超声速气膜高超声速光学头罩气动光学效应抑制实验

高超声速（Ma_∞=6.0）炮风洞中带超声速（Ma_c=3.0）喷流光学头罩受到周围绕流影响出现气动光学畸变.利用基于背景纹影（background oriented schlieren,BOS）的波前测试方法测量了光学波前畸变.研究结果表明:瞄视误差（bore sight error,BSE）与喷流压比（pressure ratio of jet,PRJ）之间近似呈正相关.在有喷流的情况下,压力匹配时瞄视误差相对比较小,并且喷流压比对气动光学高阶畸变的影响不显著.微型涡流发生器（micro vortex gene-rator,MVG）对瞄视误差影响不明显,但是对气动光学高阶畸变的影响较为显著.基于波前互相关结果,施加微型涡流发生器之后,波前结构尺寸从0.2A_D减小为0.1A_D.结构尺寸的减小较为有效地抑制了气动光学高阶畸变并且提高了波前的稳定性.      

Density and temperature reconstruction of a flame-induced distorted flow field based on background-oriented schlieren(BOS) technique

An experimental system based on the background-oriented schlieren(BOS) technique is built to reconstruct the density and temperature distribution of a flame-induced distorted flow field which has a density gradient. The cross-correlation algorithm with sub-pixel accuracy is introduced and used to calculate the background-element displacement of a disturbed image and a fourth-order difference scheme is also developed to solve the Poisson equation. An experiment for a disturbed flow field caused by a burning candle is performed to validate the built BOS system and the results indicate that density and temperature distribution of the disturbed flow field can be reconstructed accurately. A notable conclusion is that in order to make the reconstructed results have a satisfactory accuracy, the inquiry step length should be less than the size of the interrogation window.     

基于波长移相剪切干涉的准直波前重构技术

为了实现干涉仪出射准直波前的重构，提出了基于波长调谐移相的横向剪切干涉技术。干涉仪出射波前分别经楔板的前后表面反射，通过角锥棱镜返回后在干涉仪CCD上形成剪切干涉条纹。采用波长移相方法提取剪切干涉条纹的相位信息从而实现准直波前重构。分析相对剪切比对波面重构精度的影响，推导相对剪切比和其影响因素间的关系公式，给出波长移相中光程差常数分量的估算方法。测量干涉仪的三组出射波前，波前的峰谷值分别为3.22λ、2.10λ、0.83λ。该方法简化了传统测量干涉仪准直波前的横向剪切干涉装置，提高了测量精度，特别适合于测量波长移相干涉仪的出射波前。     

Recursive wavefront aberration correction method for LCoS spatial light modulators

We present two accurate and relatively simple interferometric methods for the correction of wavefront aberrations of about 3 wavelengths (3λ) in spatial light modulators (SLMs) of the liquid crystal on silicon (LCoS) type. The first is based on a recursive use of a wavefront fitting algorithm in a Wyko™ interferometer, in which Zernike polynomials are employed as the basis functions. We show here that the successive use of only three measurements is required to obtain a peak-to-valley (PV) error as low as λ/10, with an uncertainty of λ/30, in the compensated wavefront. The second method makes use of the actual optical path difference (OPD) computed by the interferometer at each pixel of the image of the interferogram of the LCoS modulator (LCoS-M). From numerical interpolation of these OPD values we were able to assign the required OPD compensation at each pixel of the LCoS-M. With this method, PV errors of the compensated wavefront as low as λ/16, with an uncertainty of λ/30, were obtained for the entire LCoS-M, or of λ/33 for the disk that we used as the domain of the Zernike polynomials in the first method.     

基于矢量波像差理论的两反光学系统装调研究

 为了实现对两反光学系统的精密装调,提出一种基于矢量波像差理论和波像差检测技术对失调量精确求解的装调方法。使用矢量波像差理论,将已设计的两反光学系统参数、失调量和失调光学系统的波像差之间建立方程;然后通过干涉测量法得到某一个视场的干涉图,利用条纹分析软件得到表征失调系统三阶彗差和三阶像散的泽尼克项系数,将泽尼克项系数代入方程从而求解出失调量。运用此方法对4 m口径RITCHEY-CHR-TIEN结构的天文望远镜进行模拟装调,最终求解的失调量与引入的失调量结果相互吻合,说明该装调方法正确。     

A new method to calculate corneal ablation depth based on optical individual eye model

The corneal shape, axial lengths and the wavefront aberrations of the eye were all considered to calculate the ablation depth based on the individual eye model. The optimization method for the curves surface replaced the direct calculation from only the optical path difference method (OPD). We analyzed the eye's optical system on its exit pupil and offered the optimum corneal anterior surface. And the ablation depth was the difference between the pre- and post-optimization along the optical axis of the eye. In our experiment, the maximum ablation depth decreases by 8.5% and the mean ablation depth decreases by 8.2% compared with the OPD method.     

二次非球面镜检测中基于波前等高线图的调整方法

为了提高非球面光学元件的检测精度及效率,缩短调整环节的时间,分析了非球面干涉检测过程中被检非球面镜的调整误差对检测结果波前信息的影响,提出利用波前等高线图走势准确判断调整方向的调整方法。建立调整方向与被检镜失调量之间的关系,并利用光学设计软件Zemax仿真模拟检测光路,结合二次非球面镜的光学公差分析判断调整量的大小。基于该调整方法,利用Zygo激光干涉仪对口径为50 mm的双曲面进行检测,最终检测结果是RMS为0.014 ,实验表明该方法简单、可行。     

基于ZEMAX和Python软件的空间引力波望远镜光程差算法研究与实现

利用光学设计软件ZEMAX和Python软件联合实现空间引力波望远镜光程差(optical path difference, OPD)精密求解;通过动态数据交换(dynamic data exchange, DDE)实现ZEMAX软件和Python软件数据交换:首先,Python软件对有限元分析后望远镜镜面数据进行处理,并将分析结果通过DDE传输给ZEMAX进行光线追迹;其次,ZEMAX软件对追迹后的光线坐标再通过DDE传回Python软件;最后,Python软件通过全局坐标系,计算刚体平移带来的光程差和波前的变化。模拟1 mK温度变化下引力波望远镜的受力变形,通过ZEMAX软件和Python软件求解空间引力波望远镜光程差和波前变化,结果表明光程差精度为1e-13米量级,完全可以满足望远镜皮米级稳定性精度要求。本研究可为后续引力波望远镜光机结构方案设计中光程差分析提供技术参考。