用于活体人眼视网膜观察的自适应光学成像系统

利用自适应光学技术,研制了两套活体人眼视网膜高分辨力成像系统,在实时校正人眼波前误差的基础上,实现活体人眼视网膜细胞尺度的高分辨力成像。这两套系统分别采用19和37单元小型压电变形反射镜作为波前校正元件,哈特曼-夏克(Hartmann-Shack)波前传感器测量波前误差,用眼底反射的半导体激光作为波前探测的信标。在用计算机控制自适应光学系统实现人眼波前误差校正后,触发闪光灯照明视网膜,用CCD相机记录视网膜的高分辨力图像。校正后的残余波前误差的均方根值已分别小于1／6和1／10波长,相当于视网膜上成像分辨力分别为3．4μm和2．6μm,接近衍射极限。试验表明37单元系统的成像质量更好。     

分块式空间望远镜波前传感及控制方法的仿真研究

分块式空间望远镜的波前传感及控制方法是实现高分辨率成像的关键.空间望远镜在轨展开后,由于空间环境及光学系统本身的特点,存在位置和面形误差,波前误差动态范围大、空间频率覆盖宽,需要采用分级校正的方法逐步减小误差.给出了波前校正流程及相应的波前传感及控制方法.利用Zemax软件建立了同轴偏场三反射镜系统仿真模型,并对主镜进行了分块设计.针对该系统模型,建立了分块式空间望远镜系统波前传感及控制集成仿真软件,通过分析分块主镜的波前误差校正过程验证了算法的可行性.     

利用调整技术补偿离轴抛物面反射镜面形误差

为了提高光学系统的成像质量,对离轴抛物面反射镜的面形准确度要求越来越高,这大大增加了反射镜的加工难度.本文基于波像差理论,分析了在离轴抛物面反射镜中调整量引入的波像差,提出通过适当调整离轴抛物面反射镜的位置补偿反射镜的面形误差,可以降低离轴反射镜的加工难度、缩短其加工周期、减少加工成本.并借助于ZEMAX软件对一块面形准确度低于λ/40RMS(λ=632.8nm)离轴抛物面反射镜进行仿真实验,根据理论计算的调整量调整反射镜的位置,得到了补偿后的离轴抛物面反射镜的面形误差小于λ/60RMS,仿真结果表明在离轴抛物面反射镜中引入适当的调整量可以有效地补偿反射镜的面形误差.     

点衍射波前无镜头干涉测量中横向偏移误差校正方法

为了最大程度减少误差环节,点衍射球面波前精度的干涉测量中通常采用无镜头测量方式。点衍射干涉波前在大数值孔径与大横向偏移量情况下存在的结构误差将严重影响测量精度,且无法利用传统方法加以校正。针对该问题,提出了一种基于三坐标重构以及对称偏移补偿的点衍射干涉波前测量中结构误差的高精度校正方法,以实现对大数值孔径及大横向偏移点衍射球面波前无镜头成像测量中的结构误差校正。该方法首先采用三坐标重构方法对系统误差进行预校正,再针对干涉中点源横向偏移引入误差存在的对称性,采用对称横向偏移补偿对由三坐标重构误差而引入的残余结构误差进一步校正。分别进行了数值仿真和测量实验对所提出方法的可行性进行了验证。结果表明,该方法达到了λ/10000的校正精度,对于点衍射球面波前高精度测量标定以及非镜头成像干涉检测中结构误差的高精度校正具有重要的应用意义。     

光通信系统中分光系统光学调整的误差分析

在平行光路中,光学系统的光学元件的误差或微量运动可抽象为绕定点的微量转动,其成像关系可归结为在微量转动下物像共轭关系的依次迭代,利用光学系统这种动态成像关系的思想,建立一个统一的光学调整及误差分析的数学模型。利用此模型分析光通信系统中分光系统的机械安装误差对系统的影响,建立每个反射镜的机械调整坐标,从理论上指导分光系统中每个反射镜的机械调整,最终使通信激光发射系统和精信标激光接收系统的光轴平行度达到5。     

利用调整技术补偿离轴抛物面反射镜面形误差

为了提高光学系统的成像质量,对离轴抛物面反射镜的面形准确度要求越来越高,这大大增加了反射镜的加工难度.本文基于波像差理论,分析了在离轴抛物面反射镜中调整量引入的波像差,提出通过适当调整离轴抛物面反射镜的位置补偿反射镜的面形误差,可以降低离轴反射镜的加工难度、缩短其加工周期、减少加工成本.并借助于ZEMAX软件对一块面形准确度低于λ/40 RMS (λ=632.8 nm)离轴抛物面反射镜进行仿真实验,根据理论计算的调整量调整反射镜的位置,得到了补偿后的离轴抛物面反射镜的面形误差小于λ/60 RMS,仿真结果表明在离轴抛物面反射镜中引入适当的调整量可以有效地补偿反射镜的面形误差.     

离轴全反射施密特系统设计

为满足紫外宽光谱大视场焦平面光学成像系统的设计要求,研究了全反射施密特光学系统.分析了球面反射镜曲率中心波前,推导了透射及反射施密特校正板方程.为避免光线被遮挡,设计了离轴全反射施密特光学系统.在宽光谱(240~950nm)大视场(±5°)离轴全反射施密特系统中,当λ=0.24μm,u′m=5°时,Δf≤0.031 5mm,探测器控制在焦深范围内,光学系统成像质量达到了衍射极限.该施密特光学系统设计方法适用于宽波段高分辨率紫外成像系统.     

离轴全反射施密特系统设计EI北大核心CSCD

为满足紫外宽光谱大视场焦平面光学成像系统的设计要求,研究了全反射施密特光学系统.分析了球面反射镜曲率中心波前,推导了透射及反射施密特校正板方程.为避免光线被遮挡,设计了离轴全反射施密特光学系统.在宽光谱（240～950nm）大视场（±5°）离轴全反射施密特系统中,当λ=0.24μm,u′m=5°时,Δf≤0.031 5mm,探测器控制在焦深范围内,光学系统成像质量达到了衍射极限.该施密特光学系统设计方法适用于宽波段高分辨率紫外成像系统.     

拼接主镜光学系统展开误差的分析

提高光学系统分辨率的主要方法是增大光学系统的通光口径,而使用子镜拼接得到一块等效大口径主镜是增大通光口径的常用方法。拼接主镜光学系统入轨后子镜进行展开,展开位置与设计位置偏差大小决定光学系统成像质量好坏,因此需要对子镜展开位置的精度进行分析。使用光学软件对拼接主镜光学系统建模,调整子镜6个自由度的位置误差得到其与系统成像质量的关系曲线。结果表明,针对不同位置的子镜,相同位置误差产生的系统波前误差的均方根(RMS)值大小不同,中层子镜对沿着X轴方向的移动敏感,而外层子镜对沿着Y轴方向上的移动敏感。通过对每个子镜单独分配位置误差与每个子镜分配相同的位置误差两种方式对子镜的展开精度进行误差分配,结果表明在产生相同波前误差的情况下,单独对每个子镜位置误差进行定义的精度相对较为宽松。     

用于折反式红外光学系统的辅助装调镜设计

针对大口径折反射红外光学系统设计过程中正主、次镜的像差为单独校正,无法实现高精度调试的问题,提出设计一套可见光波段辅助装调镜的方法,辅助镜用于补偿主次镜之间的像差,完成高精度装调。辅助透镜研制过程中,严格控制加工精度,减少对系统精度的影响。采用ZYGO干涉仪对系统进行了调试,波像差实际值为0.3,设计值0.14。最后,更换中继透镜组,光学系统成像质量达到红外搜索跟踪系统的要求。     

Free-space laser communications with adaptive optics: Atmospheric compensation experiments

Refractive index inhomogeneities of the turbulent air cause wave-front distortions of optical waves propagating through the atmosphere, leading to such effects as beam spreading, beam wander, and intensity fluctuations (scintillations). These distortions are responsible for severe signal fading in free-space optical communications systems and therefore compromise link reliability. Wave-front distortions can be mitigated, in principle, with adaptive optics, i.e., real-time wave-front control, reducing the likeliness of signal fading. However, adaptive optics technology, currently primarily used in astronomical imaging, needs to be adapted to the requirements of free-space optical communication systems and their specific challenges.In this chapter we discuss a non-conventional adaptive optics approach that has certain advantages with respect to its incorporation into free-space optical communication terminals. The technique does not require wave-front measurements, which are difficult under the strong scintillation conditions typical for communication scenarios, but is based on the direct optimization of a performance quality metric, e.g., the communication signal strength, with a stochastic parallel gradient descent (SPGD) algorithm.We describe an experimental adaptive optics system that consists of a beam-steering and a higher-resolution wave-front correction unit with a 132-actuator MEMS piston-type deformable mirror controlled by a VLSI system implementing the SPGD algorithm. The system optimizes the optical signal that could be coupled into a single-mode fiber after propagating along a 2.3-km near-horizontal atmospheric path. We investigate characteristics of the performance metric under different atmospheric conditions and evaluate the effect of the adaptive system. Experiments performed under strong scintillation conditions with beam-steering only as well as with higher-resolution wave-front control demonstrate the mitigation of wave-front distortions and the reduction of signal fading.     

天文光学望远镜的调校与检测

本文扼要叙述了天文光学望远镜的通用调校步骤与方法，适用于诸如卡氏（Ｃａｓｓｅｇｒａｉｎ）、葛氏（Ｇｒｅｇｏｒｙ）、奈氏（Ｎａｓｍｙｔｈ）、折轴（Ｃｏｕｄé）、施密特（Ｓｃｈｍｉｄｔ）、牛顿（Ｎｅｗｔｏｎ）望远镜、…等的光学元件及系统的调校。对极轴的高度与方位的调整，也给以简要介绍。本文还概述了对成像质量的检测。文中以通光口径２．１６ｍ天文望远镜为例，给出了光路调整图。     

光学系统辅助装调技术研究

光学系统装调技术是高功率激光工程中的关键支撑技术之一。对光学系统装调中影响系统光束质量的误差来源进行了分析,并根据像差的装调方式进行了分类。对这两类像差的辅助装调方式进行了比较和仿真模拟。针对第一类像差,在装调模型中代入失调系统检测得到干涉图,利用计算机辅助装调模型计算出失调量的大小和方向,确定出系统的装调方案。仿真结果显示,对系统调整工作有较好指导作用。针对第二类像差,利用元件加工面形之间波像差的互补性,优化调整光学元件的装校姿态。仿真结果显示,系统的光束质量口由预期的4．916优化为1．187,提高了多元件光学系统的光束质量。     

Optical phase control for MMW sparse aperture upconversion imaging

The random phase errors of the optical carriers are discussed and controlled for passive millimeter-wave sparse aperture （PMMW SA） upconversion imaging. A two-channel model is set up for analyzing charac- teristics of the phase errors, and an active optical control technique based on stochastic parallel gradient decent algorithm （SPGD controller） is proposed to calibrate the phase errors. To demonstrate the feasi- bility of the SPGD controller, simulations are performed and an experimental system with a two-channel fiber array is set up. Simulation and experiment results show that the SPGD controller can effectively and rapidly compensate the phase errors of the optical carrier, and the accuracy of the phase control is sufficient for imagine svstems.     

基于分区域耦合的随机并行梯度下降自适应光学

基于随机并行梯度下降(SPGD)方法的自适应光学(AO)系统通过直接优化系统的性能评价函数来控制波前校正器以补偿光束中存在的波前畸变。为了提高这种无模型优化自适应光学系统的收敛速度, 提出了基于分区域耦合的新方法以改进传统随机并行梯度下降自适应光学系统的工作方式。将波前校正器光学孔径分成多块子区域, 每块子区域对应着的所有驱动器作为一个整体控制单元, 从形式上可以得到一个空间分辨率较低的分区域波前校正器。该校正器与原校正器同步工作, 并采用随机并行梯度下降算法对同一个性能评价函数进行优化, 从而构成了双校正器的耦合工作结构。对256单元分立活塞式波前校正器建立了自适应成像系统的数值模型, 结果表明这种分区域耦合的随机并行梯度下降自适应光学系统比传统随机并行梯度下降自适应光学系统具有更快的收敛速度和更好的渐近态。     

随机并行梯度下降算法性能与变形镜排布规律的关系研究

对随机并行梯度下降算法(SPGD)性能与不同变形镜排布规律的关系进行了研究。以采用Roddier方法生成的由52项Zernike像差构成的畸变波前为整形对象,对SPGD算法的收敛速率和整形效果与变形镜排布规律(单元数分别为19、21、32、37、45、60、61、77、91)之间的关系进行了仿真研究。结果表明:从整体分析,随着变形镜单元数逐渐增多,SPGD算法的收敛速率和整形效果均逐渐变差;从局部分析,由于变形镜元胞类型变化和边缘占空比的影响,在渐变规律中产生了局部差异。     

基于Buchadhl象差系数和解析偏导数的光学优化设计

本文以基于 Buchadhl 象差系数得到的点列图为目标函数,只需追迹少许光线就可得到近似点列图,大大减少了计算量;同时采用了目标函数对结构参数偏导数解析求导原理并应用于光学自动设计,这样得到的解析偏导数不仅不存在原理误差,同时极大地减少了求得所需的时间;最后给出了使用 DFP-BFGS 优化方法设计一个双高斯物镜的实例.     

基于Zernike模式的自适应光学系统随机并行梯度下降算法

 控制算法的收敛速度一定程度上限制了无波前探测自适应光学技术在实时波前畸变校正中的应用。从理论分析角度提出将模式法和区域法结合起来以提高算法收敛速度,并以61单元变形镜为校正器,建立基于随机并行梯度下降算法自适应光学系统仿真模型。结果表明：达到同样的校正效果时,采用组合优化的算法收敛速度要明显优于基于区域法的收敛速度,从而验证了理论分析的合理性。     

静态傅里叶变换红外光谱仪的公差分析

由于光谱分辨率或光谱信噪比只能作为光谱仪干涉系统的性能评价指标,但不能用于光学系统的公差分析与优化,所以将系统分为三个子系统:前置光学系统、干涉系统与后置光学系统,分别采用不同的评价标准分析系统公差。前置光学系统采用波像差为评价标准,给出波像差与光谱噪声的关系,分析误差对波像差的影响,间接给出各种误差对系统性能的影响。干涉系统直接采用光谱噪声作为评价标准,可直接给出各种误差对系统性能的影响。后置光学系统采用光斑尺寸作为评价标准。通过这种方法,计算出三个子系统的灵敏度矩阵,并且给出了前置光学系统与后置光学系统的公差分配。     

37单元双压电片变形镜板条激光光束净化

为了校正板条激光器输出光束波前像差,改善输出光束质量,提出了基于37单元双压电片变形镜的板条激光光束净化系统。采用柱面反射式单向扩束器使主振荡功率放大结构板条激光器输出光束尺寸与37单元双压电片变形镜有效口径相匹配,利用随机并行梯度下降算法控制双压电片变形镜面形,进行波前像差闭环校正,校正后光束远场归一化桶中功率提高到净化前的2~3倍。