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。     

闭环控制自适应光学系统变形镜约束技术的研究

为了实现闭环控制自适应光学(AO)系统中的变形镜对倾斜及平移像差的约束,分析了基于限定向量算法对系统动态特性及校正残差的影响,数值仿真结果表明,限定向量算法无法实现约束量的完全抑制,并且严重影响系统的校正效果。提出了基于投影抑制的算法,通过分离像差及在控制电压上实现对变形镜的抑制,采用2种算法利用单变形镜对含有倾斜的像差进行校正的仿真结果表明,采用限定向量算法,变形镜产生了使远场偏移9.3 pixel的整体倾斜时,基于向量投影抑制算法只产生小于0.02 pixel的偏移,并且对前36阶各单阶泽尼克模式的像差校正后具有更高的斯特列尔比。结果表明,基于投影抑制的算法具有更好的约束能力、更低的条件数及具有更优的校正效果。     

一种新的非球面零朗奇检测法

提出一种新的零朗奇检测法用于测量大口径非球面镜的面形。利用光线追迹和正弦条纹的相位信息设计补偿正弦光栅。使用透射液晶显示屏显示补偿正弦光栅并作为相移装置。一个离轴点光源发出的光被镜面反射后通过补偿正弦光栅,摄像机记录携带镜面偏差信息的相移条纹图。通过对相移条纹图的分析确定被测镜面的实际横向像差以及对应的理想横向像差,然后基于朗奇检测的几何原理得到被测镜面的偏差梯度,对其积分获得被测镜面的偏差,进而重建被测镜面的三维面形。与传统的零朗奇检测法相比,这种方法可以消除补偿光栅上每个条纹带边缘的锯齿形状,而且可以获得镜面上足够多的待测点信息。计算机模拟和初步实验验证了该方法的可行性。     

一种无需标记的在线三维测量方法

提出了一种无需标记的物体在线三维面形测量方法。将一固定的正弦条纹投影到待测运动物体上,借助物体运动产生等效的相移变形条纹。基于傅里叶变换轮廓术的调制度对各帧变形条纹计算,提取其具有某一特定分布的特征区域,采用相关度最大法,检测各帧变形条纹对应的调制度特征区域的位移量来检测出物体的移动,从而实现像素匹配,得到一组像素坐标完全一一对应的等效相移变形条纹图。利用Stoilov相移算法得到物体的截断相位,利用位相展开算法展开位相,通过位相和高度映射即可实现在线移动物体的面形测量。通过计算机仿真验证了该方法的可行性。     

椭圆形平面镜的高精度面形重构技术

为了实现大口径椭圆形光学平面镜的高精度面形测量,提升大口径望远镜系统的像质,本文对椭圆形平面反射镜面形的绝对检测算法进行了研究。首先,对椭圆形镜面进行了多项式正交化拟合研究。接着,对绝对检测算法进行了理论研究,利用正交化绝对检测算法可以有效分离参考镜与待测镜的面形误差,从而实现待测椭圆形平面镜面的高精度面形重构。为了证明上述方法的实际检测精度,本文对250 mm×300 mm的椭圆形镜面进行了绝对检测模拟与检测实验。对参考镜面形精度不高的情况进行了仿真计算,实验中利用光阑在Zygo300 mm口径标准平面镜头中选取250 mm×300 mm椭圆形检测区域,采用150 mm口径Zygo干涉仪对上述椭圆形区域完成绝对检测,并基于上述正交化绝对检测算法对椭圆形平面镜实现了面形重构。实验结果表明,利用本文所述方法可以实现参考镜与椭圆形待测镜面的面形误差分离,绝对检测结果的残差图RMS(Root-mean square)值为0.29 nm,证明了本文所述方法的可行性。利用上述方法可以实现椭圆形平面反射镜的高精度面形重构。     

ICF系统全光路像差测量与校正方法

 介绍一种新的像差探测方法,该方法能够探测整个惯性约束聚变（ICF）光学系统的像差。驱动变形镜调制各种不同的像差加入ICF光学系统,从而导致远场的焦斑变化,此时将CCD放置到远场探测焦斑强度,同时采用哈特曼-夏克波前传感器在近场探测系统像差变化量。根据不同的系统像差变化量以及与其对应的远场强度,利用改进的相位反演算法可以计算出整个光学系统的像差。数值模拟表明,该方法可以测量并校正整个ICF系统的光学像差。     

基于条纹反射的非球面镜三维面形测量

提出一种利用条纹反射原理测量非球面镜的新方法.测量过程中,利用液晶屏显示正弦条纹,由摄像机记录由待测镜面反射产生的条纹图.并将显示屏和摄像机分别沿待测镜面轴向移动.摄像机在每个移动位置上,记录下显示屏移动前后产生的两幅条纹图.通过相移方法,得到条纹图的相位信息后,对摄像机上每个象素点,能在待测镜面卜找到一个对应待测点,并在获得该待测点的梯度信息的同时,获得该点位置坐标信息.最后通过积分,恢复待测镜面的三维高度信息.该方法不需辅助反射镜与干涉仪,能更加方便灵活地测量非球面镜.并且该方法有较好的抗噪性能,在噪声较大的情况下,仍能对非球面镜进行测量.模拟及初步实验均验证了该方法的可行性.     

一种基于角谱理论的改进型相位恢复迭代算法

进行星间激光通信的光学发射天线光束整形器设计时, 首要解决的问题是根据输入光场及理想的输出光场, 确定整形器的相位分布, 其核心就是相位恢复. 基于角谱传播理论, 在传统 Gerchberg-Saxton (G-S)迭代算法的基础上, 提出了一种幅度梯度加成迭代算法, 给出了算法的详细流程与分析. 与G-S相比, 新算法利用迭代过程, 构建光场幅度反馈回路, 利用梯度搜索最佳迭代路径, 两者的联合作用加速其迭代收敛进程. 数值仿真表明, 新算法的单位迭代次数所引起迭代误差下降的速度是G-S算法的1.7倍, 其收敛速度明显优于G-S算法; 对不同的随机初始相位, 新算法都能进行有效迭代, 表现出适应性强, 且收敛一致性好的优点. 幅度梯度加成迭代算法为复杂光场的高效相位恢复提供了一种新思路, 为设计各种衍射光学元件提供了技术支持. 关键词： 相位恢复 迭代算法 角谱理论 光通信     

基于调制度层析的在线三维测量方法

调制度反映相位展开可靠性的程度,与物体本身灰度和形状有着紧密的关系,因此可作为测量的特征标记。提出了一种采用调制度层析实现在线三维测量的方法。通过投影一固定的正弦条纹到待测运动物体上,借助物体运动可产生等效的相移变形条纹。利用基于傅里叶变换轮廓术调制度模型计算各帧等效的相移变形条纹的调制度,并采用层析方法从各帧调制度分离出反映待测物体的调制度层析特征,以该层析信息作为特征模板,实现像素匹配,从而获取各帧具有一致像素坐标的等效相移变形条纹,实现在线移动物体的三维面形测量。实验证明了该方法的可行性和实用性。     

对一种线性相位反演波前测量方法的数值仿真

 利用数值仿真方法对一种基于线性相位反演波前测量方法的性能进行了详细分析。讨论了这种线性相位反演波前测量方法的定标过程，描述了基于线性相位反演算法的波前传感器的基本组成结构。利用数值仿真计算，分析了系统自身像差和模式标定系数对这种波前传感器性能的影响，通过复原矩阵条件数，分析了靶面像素和这种波前测量方法的空间分辨力的关系。仿真结果验证了该种新型线性相位反演波前测量方法的可行性。