基于单幅干涉图的波前重构技术研究

条纹中心法是干涉测量技术中分析单幅干涉图的一种重要处理方法,该方法主要包括图像预处理、波前重构和样品表面形貌及参数的测量等三个部分。研究了条纹中心法的关键技术,特别是应用协方差矩阵法求解泽尼克多项式以进行波前重构的过程。提出了基于单幅干涉图自动波前重构的流程方法。最后应用该流程方法处理由泰曼-格林干涉系统采集的精密抛光铝制盘基片表面形成的一幅干涉图像。实验结果表明,该方法可以实现单幅干涉图的自动波前重构,干涉波前重构的拟合精度可达1．4686×10^-6nm,还可以自动获得精密抛光铝制盘基片表面的形貌及参数。     

基于方形域内标准正交矢量多项式的波前重建

获得了一组方形域内标准正交的矢量多项式集,可以用于方形域内图像畸变映射及波前梯度等矢量数据的拟合。这组矢量多项式是用Gram-Schmidt方法将泽尼克梯度多项式标准正交化后得到的。由该矢量函数拟合被测波前斜率,拟合系数经过简单的线性变换就可以直接得到用泽尼克多项式描述的波前,获得被测波前的相位信息。实验结果表明,该矢量集可以对夏克哈特曼传感器测得的方形孔径内的斜率进行很好的拟合。这种矢量拟合重构方法能获得很好的被测波前,具有与Southwell区域法相同的精度。     

环扇形分块主镜的波面拟合及重构方法研究

用有限元分析获得了环扇形分块主镜的镜面热变形数据,分别用圆域Zernike多项式和环扇域Zernike多项式对其进行了波面拟合,比较了用两种多项式的拟合精度。基于哈特曼-夏克波前传感器对由环扇形镜面热变形引起的畸变波前进行了模式法重构,分析了用上述两种多项式重构时矩阵条件数和测量误差对重构精度的影响。     

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。     

相关哈特曼-夏克波前传感器波前重构新方法

对相关哈特曼-夏克波前传感器的波前重构方法进行了研究,提出了一种基于相邻子图像间相对平移量的波前重构新方法。与常用的基于单一参考子图像的波前重构方法相比,新方法的动态范围有了很大提高。在8×8去4角的子孔径划分下,测量离焦波面时,新方法的动态范围可提高约16倍,子孔径数目越多,动态范围提高的倍数也越高。精度分析表明,两种波前重构方法在8×8去4角的子孔径划分下精度相近,在子孔径数目更多时,相邻子图像处理法的波前重构精度低于单一参考子图像法。     

基于阈值式小波变换的波前重构算法

 针对传统的波前重构器计算效率低、稳态误差大的问题,提出了阈值式波基多分辨力波前重构算法,采用4维波基作为标准正交基,将波前相位畸变投射到4维波基上,使伪逆矩阵变为稀疏矩阵,有效地减少了计算量,并采用阈值法去除波前重构矩阵算子中对精度影响较小的高分辨力波基系数,进一步增加了矩阵的稀疏程度,提高了运算效率,并与传统的最小二乘法、Zernike模式法和迭代法进行了计算量和均方根误差的比较,仿真结果表明该算法无论在计算速度和收敛精度上均优于其它算法。     

基于泽尼克多项式进行面形误差拟合的频域分析

获得泽尼克多项式的频谱信息是正确利用该多项式进行误差拟合的关键。推导出了泽尼克多项式的傅里叶变换公式,在频域中分析了不同阶数该多项式的径向频谱信息和幅角频谱信息,得到了有限项泽尼克多项式能够有效表达面形误差的最大径向空间频率和角频率。基于频域分析理论,利用泽尼克多项式对不同口径局部误差进行了拟合,并利用齐戈（Zygo）干涉仪对带有不同面形误差的光学元件进行了试验分析。结果表明,当误差的径向空间频率或角频率超出泽尼克多项式所能表达的频谱范围时,拟合误差迅速变大。     

运用泽尼克多项式进行物面波前数据拟合

本文提出了一种运用泽尼克(Zernike)多项式的波前数据拟合方法.给出了离散点上正交多项式的构造并描述了具体计算步骤.可对待测物面低调制度点、散斑点、噪音及灰尘点区域进行波前数据拟合,通过一定阈值的设定,将误差点用掩模滤除并予以拟合.进一步提高了物体测量精度.     

横向剪切干涉的波前重构新方法

 在常规横向剪切干涉仪的基础上,利用波前周期延拓的假设,基于小波变换的方法实现了波前重构。这种波前复原实现了光滑波前的快速重构,并且能够较好地快速重构非模式波前。数值模拟表明,该方法对波前复原的精度优于常规多项式拟合方法。利用该方法在不均匀介质对波前的扰动的测量重构表明,重构波前比常规多项式拟合重构波前合理。     

高阶截断误差的斜率和曲率混合型波前重构算法

研究了斜率和曲率混合型区域波前重构算法,提出了通过减小重构方程的截断误差来提高波前重构精度。利用泰勒展开推导了波前值、波前斜率和曲率值三者间的数学关系,得到了截断误差为相邻两波前测量点间距五次方的重构方程。将该方程用于波前重构中,提出了一种新的斜率和曲率混合型波前重构算法。通过重构仿真对比了该混合型算法与现有混合型算法的波前重构误差。结果表明,在忽略测量噪声的情况下,提出的算法将相对重构误差降低了约两个数量级;在考虑测量噪声的情况下,提出的算法在对高阶像差的重构时,具有更小的相对重构误差。提出的高阶截断误差的混合型波前重构算法较现有的混合型算法需要的计算量更小,更利于实时波前重构。     

哈特曼夏克传感器的泽尼克模式波前复原误差

利用哈特曼－夏克传感器测量圆孔径内波像差时，通常使用泽尼模式复原算法。推导了一般情况下哈特曼－夏克传感器泽尼克模式波前复原误差的计算公式。用哈特曼－夏克传感器测量一个像差板的随机静态像差，通过与ZYGO干涉仪的测量结果比较，得到不同泽尼克模式复原阶数下的波前复原误差的实验结果，并与理论计算结果进行了对比。     

Modal Description of Wavefront Aberration in Non-circle Apertures

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｗｅｏｆｔｅｎｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｓｔａｔｉｃｏｒｄｙｎａｍｉｃｗａｖｅｆｒｏｎｔａｂｅｒｒａｔｉｏｎｓａｓｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｄｅｓ,ｓｕｃｈａｓｐｉｓｔｏｎ ,ｔｉｌｔ,ｄｅｆｏｃｕｓ,ｃｏｍａ,ｓｐｈｅｒａｌａｎｄｓｏｏｎ .ＴｈｅｓｅｍｏｄｅｓａｒｅｓｉｍｉｌａｒａｓｓｏｍｅｌｏｗｅｒｏｒｄｅｒｓｏｆＺｅｒｎｉｋｅｐｏｌｙｎｏｍｉａｌｓ.ＴｈｅＺｅｒｎｉｋｅ ｐｏｌｙｎｏｍｉａｌｓａｒｅｎｏｒｍａｌｉｚｅｄｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｉｎｃｉｒ…     

自适应光学系统的模式法数值模拟

建立了利用模式法笃自适应光学系统进行数值模拟的理论模型，编制了计算程序，并与激光大气传输计算程序衔接起来，进行了大量数值模拟计算。首次发现：存在泽尼特多项式展开的最佳项数。大于一定项数的展开式的效果迅速变坏，竖排和斜排经特面式展开有类似的结果。文献中认为可以采用的１５项经特多项式展开的效果不好，最佳项数随着横向风速的增加而减小，在风速较大时最佳项数下的模范地结果稍好于直接斜率控制法的结果。     

波荡器位相误差对自由电子激光

对波荡器位相误差对自由电子激光小信号增益的影响进行了分析讨论。对低增益情况解析地给出了波荡器位相误差引起的增益降低因子。结果表明:与自发辐射类似增益的降低与位相误差的方差成简单的指数关系，位相误差的线性变化部分引起最大增益的位移，还表明波荡器位相误差存在时Madey定理仍然成立。对高增益情况也给出了波荡器位相误差引起的增益降低因子。     

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。     

湍流大气中哈特曼传感器的模式波前复原误差

 分别采用Zernike和Karhunen-loeve两种模式波前复原法,分析了子孔径斜率测量不受噪声影响的理想情况下,哈特曼传感器对大气湍流畸变波前的模式复原误差与大气湍流相干长度、传感器的结构尺寸、模式复原阶数等的关系。结果表明Karhunen-loeve模式法比Zernike模式法的波前复原误差更小些。     

基于模型选择的模式波前重构算法研究

基于Zernike模式的波前重构算法通常忽略实际波前像差构成的差异, 而用一定数量的低阶Zernike模式进行波前重构, 导致模式混淆或耦合等问题, 进而影响波前重构的精度. 根据信息论中的最小描述长度准则对重构模型的阶数进行了选择, 在此基础上应用非线性优化算法计算重构系数, 并最终实现波前重构; 对不同信噪比条件下振幅均匀分布入射光束的波前进行了重构. 结果表明: 该算法不但能够实现相对于现有算法相对较高的波前重构精度, 并且具有优良的噪声适应性, 体现了模型选择在模式法波前重构算法中的意义.