纯相位液晶空间光调制器拟合泽尼克像差性能分析

纯相位液晶空间光调制器作为波前校正器构成的高分辨率、低能耗、价格低廉、易于控制的自适应光学系统受到越来越多的关注.作为一种新型波前校正器件，它对波前像差的校正能力是反映其在自适应光学系统中应用的一个重要的指标，因此有必要仔细地研究它对各种像差的校正能力，以确定其可能的应用范围.波前校正器对各阶泽尼克像差的拟合效果有效地反映了该器件对不同像差的校正能力.利用256×256像素的纯相位液晶空间光调制器(LC-SLM)产生不同系数的前36项泽尼克像差分析LC-SLM对不同像差的校正能力.讨论了填充因子、离散像素     

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...     

液晶空间光调制器相移特性测量与静态畸变补偿

为了研究反射式256 pixel×256 pixel纯相位液晶空间光调制器(LC-SLM)的性能,并最大程度地发挥其波前校正能力,建立了泰曼-格林(Twyman-Green)干涉仪与移相点衍射干涉仪分别对SLM的相移特性以及静态畸变进行测量,同时使用该空间光调制器对其自身的波前畸变进行补偿。实验结果表明,当应用一个正确的相位-灰度值映射并且增加静态畸变补偿后,这个空间光调制器的波前像差的峰谷(PV)值由0.39λ减小到0.23λ,均方根(RMS)值由0.08λ减小到0.03λ(λ=632.8 nm),远场点扩展函数的斯特雷尔比由0.82提高到0.98。因此经畸变补偿后的液晶空间光调制器能够被更好地应用在动态衍射光学元件、波前产生和高分辨、高精度的波前校正中。     

液晶空间光调制器相位调制测量及波前校正

提供了一种简单且精度较好的测量液晶空间光调制器相位调制特性的方法,即相位与电压(灰度)之间的关系。采用数字波面移相干涉仪,由干涉仪直接给出不同灰度对应的相位差,从而得到液晶空间光调制器的相位调制曲线。利用液晶空间光调制器实现了波前校正。由干涉仪作波前测试,对待校正的畸变波前进行泽尼克多项式描述,根据液晶空间光调制器的相位与灰度的关系,产生相应的灰度图,获得畸变波前的共轭波前,从而完成静态波前的校正,使相关参数如PV值、RMS值和Strehl比值得到了改善。     

液晶空间光调制器用于波前校正的性能

液晶空间光调制器(Liquid crystal spatial light modulator, LC-SLM)作为新型波前校正器具有驱动单元数目多、驱动电压低、控制灵活、价格低廉等优点.通过对LC-SLM时间-空间特性的研究, 讨论其在天文观测自适应光学系统中应用的可能性和局限性.利用LC-SLM和哈特曼波前传感器构成自适应光学系统, 对低频为主的静态波前像差实现闭环校正.闭环校正后的RMS 值和PV 值由闭环前的0.628λ、2.872λ减小为0.031λ、0.337λ, Strehl 比从0.04提高到近似衍射极限的0.81.利用衍射原理, 对LC-SLM的衍射效率进行了数值计算和实验测量.研究表明, LC-SLM能对大气湍流引入的光波畸变实现高精度校正; 然而响应速度慢、光能利用率低限制了它目前在实际自适应系统中的使用, 不能满足实时校正的要求、以及对微弱目标的应用.     

双波前校正器全光路像差校正自适应光学系统像差解耦分析

分析了双波前校正器全光路像差校正自适应光学系统的工作原理,并通过共模波前传感器中的两套波前传感器探测得到的波前信息进行数据差分融合,按照优化理论推导了两套波前校正器需要校正的像差公式.根据此像差公式,仿真分析了以两套61单元变形反射镜组成的双波前校正器全光路像差校正自适应光学系统的校正能力,并与单套波前校正器全光路像差校正自适应光学系统的校正能力进行了比较,结果验证了推导的像差公式的正确性,也说明了两套波前校止器不仅可以解耦,而且其校正效果与理想行程单套波前校正器全光路像差校正自适应光学系统的校正效果相当.     

自适应光学波前校正器技术发展现状

波前校正器是自适应光学系统中的关键部件,相关技术已得到了多年的积累与发展。本文介绍了多种目前常用的波前校正器件,包括分离促动器连续表面变形镜、拼接子镜变形镜、薄膜变形镜、双压电片变形镜、微电子机械系统变形镜以及基于液晶技术的空间光调制器和自适应次镜等,给出了它们的实现方式及其基本工作原理,并从空间校正频率和校正速度等方面对各校正器的性能进行了比较。最后,总结了在新应用的需求下,波前校正器件的技术创新及发展趋势。     

液晶空间光调制器在自适应光学中的应用

本文主要包括两方面的内容,一方面描述用液晶光阀产生空间与时间性能可控的小尺寸薄相位屏;另一方面则讨论用液晶空间光调制器实现波前相位畸变校正的可能性。从而表明,这类价格低廉、结构简单而性能可靠的非线性光学器件可望在高性能新型自适应光学系统中得到广泛应用。     

快速响应的硅基纯相位液晶器件对动态大气湍流波前的校正能力研究

液晶相位调制器的响应时间延迟是影响液晶自适应光学系统性能的一个主要因素, 为了提高系统的响应速度, 开发了一种快速响应的向列相液晶材料, 并制成了反射式硅基液晶器件(LCOS). 分析了该LCOS的相位调制特性及其对静态畸变波前和扰动波前的校正能力. 首先, 测量了LCOS的电光响应特性, 得出其780 nm相位调制量的响应时间为2 ms. 其次, 测量了LCOS的相位调制特性, 并对相位调制进行了线性化处理. 再次, 测量了用该LCOS搭建的液晶自适应光学系统的闭环和开环3 dB带宽, 它们分别为16和18 Hz. 最后, 给出了开环液晶自适应光学系统校正大气湍流的数值模拟结果, 结果表明. 系统的Strehl比由校正前的0.025上升到了校正后的0.225. 因此, 该液晶自适应光学系统可以对Greenwood频率为30 Hz以下的大气湍流进行较良好的校正.     

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.     

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.     

Light efficiency of liquid crystal spatial light modulator using,for wavefront corrector in AO

Liquid crystal spatial light modulator (LC-SLM) has a series of attractive characteristics as a wavefront corrector in adaptive optics system such as compactness, high density integration, low cost and possibility of batch production. However it also suffers from several drawbacks such as low light efficiency. We present an analysis of the light efficiency of the phase by only using LC-SLM for wavefront corrector in AO system. The factors of polarization sensitive, pixel grid structure, phase quantization and limited phase stroke are discussed in theory. Simulation results are given based on a math model of a LC-SLM. The intensity variation results from pixel structure are measured. The light efficiency of the LC-SLM is tested for generating a series of Zernike aberrations. The effect of phase wrapping method is analyzed and tested. We demonstrate that the light efficiency reduces these factors. Experiment results from the use of the phase only liquid crystal spatial light modulator confirms these conclusions.     

遗传算法在自适应光学系统中的应用

为了校正激光光束的波前像差,建立了一套无需直接探测波前信息的自适应光学(AO)系统模型,提出了一种基于实数编码的高斯变异的遗传算法(GA)用来控制61单元压电变形镜补偿波前像差,并仿真利用此算法控制61单元变形镜校正由变形镜本身产生的像差。结果表明,这种算法能够找到补偿各种像差所需的变形镜的最优面型。像差校正后,焦平面的峰值光强最多能够提高30倍。环围斯特尔比值(Strehl ratio)最多能够从校正前的0.032提高到0.96,变形镜61个驱动器后的电压值收敛性能良好。     

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.     

一种新型人眼波前像差测量补偿系统的研究

离焦是人眼中最主要的像差之一,离焦量过大会严重影响人眼波前像差的测量及矫正精度。为了消除离焦在此方面带来的影响,设计了带有补偿装置的人眼波前像差测量及矫正系统。重点分析了该系统的原理、结构和工作流程。运用Hartmann-Shack波前传感器测量了人眼波前像差,并使用变形反射镜对人眼波前像差进行矫正。对模拟人眼矫正离焦前后的光斑点阵图和波前三维重构图进行了对比分析。研究表明,通过离焦补偿系统对模拟人眼的离焦量进行矫正,使被测量人眼的离焦量由2.020D和-2.035D分别减小到0.011D和-0.007D;通过调焦系统,使显示器上显示出的人眼光斑点阵图由模糊变清晰,提高了信标光在人眼眼底的成像质量。     

Near-diffraction-limited dark hollow beam generated by using a hybrid control way

We propose and demonstrate the generation of dark hollow beam with plane wavefront in the near field based on a hybrid control way by using dual phase only liquid crystal spatial light modulators (LC-SLMs). One phase only LC-SLM redistributes the intensity to the target distribution based on refractive beam shaping system and the other phase only LC-SLM adaptively compensates the wavefront of the output beam by using stochastic parallel gradient descent (SPGD) algorithm. Compared with conventional refractive beam shaping system, the hybrid control way can not only improve the far-field energy concentration of the output beam, but also can correct the phase distortion of the system. Influences of phase distortion on laser beam shaping are analyzed in detail. The theoretical and experimental results show that the near-diffraction-limited dark hollow beam can be successfully generated by using this hybrid control way. The power in the main lobe of the airy disk pattern area in the far field is 2.3 times larger than that without being adaptively compensated.     

光束畸变对连续相位板性能的影响

研究了光线追迹和随机相位滤波作为初始相位设计的连续相位板下,光束畸变对连续相位板整形性能的影响。结果表明:随机相位滤波得到的连续相位板相比光线追迹获得的连续相位板,在幅度畸变、离焦的容忍度等方面都有优越性;进一步分析了相位畸变、对准误差、口径误差等对连续相位板性能的影响,确定了相位畸变是影响性能的首要因素,并且大目标焦斑的畸变宽容度更大,由此引入了波前的相对畸变因子,在所定义的连续相位板性能标准下,波前容忍度为0.5。     

共光路/共模块自适应光学数据融合方法

研究了在CP／CM系统中,两个哈特曼—夏克波前传感器用于控制一套波前校正器件的几种数据融合方法,通过复原矩阵的条件数分析了斜率数据向量的扰动和复原矩阵的扰动对系统控制电压的影响,得到了相应的公式。实现了CP／CM自适应光学闭环实验,并且利用实际系统比较了几种数据融合方法,认为现有工程技术条件下,加修正因子斜率融合和电压融合是可行的办法,二者在控制电压的得到上是等价的,不同之处将表现在波前处理机。     

Information fusion method for ocular aberrations measurement based on subjective visual compensation

The human eye is an imperfect refractive system which not only has defocus and astigmatism, but also has spherical aberration, coma and anomalistic high-order aberrations, all of which have certain influence on the imaging quality of retina. What's worse, aberration is further enlarged as a result of mydriasis in dark field and weak light, thus making the vision performance of human eyes far below diffraction limitation. Further research revealed that human eye visual imaging is not only connected with refractive system, but also is closely related to the subjective judgment of human brain and the process of neural system. In order to overcome the deficiencies, wave-front aberration measurement method and system that has subjective visual compensation is proposed and conducted in combination with objective measurement, which ensures more accurate and realistic measuring results. The experimental data revealed that wave-front aberration obtained from subjective visual compensation measuring method is smaller than objective measurement, which is the result of subjects’ adaptive correction when watching sighting targets. In addition, when subjects are watching different sighting targets, the fluctuation value of wavefront aberration is small. Therefore, it is concluded that subjective visual compensation measuring method contributes to aberration measuring improvement and obtains results match with the realistic state by taking into consideration the actual condition of human eyes when watching targets. Hopefully, these discoveries will be of positive and beneficial value to the determination of human eye aberration treatment.     

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。