微机械薄膜变形镜在人眼像差校正中的波前控制算法研究

借助影响函数矩阵,分析了变形镜拟合波前像差的性能。提出了一种滤除高阶像差模式影响的波前控制算法,弥补了最速下降法无法通过模式选择优化校正过程的缺点,提高了变形镜的校正能力。对人眼出射的畸变波前进行实验,结果表明,经过6次迭代以后,波前的均方根值(RMS)达到衍射极限,系统闭环校正频率为15 Hz。说明基于该控制算法的微机械薄膜变形镜自适应光学系统能够实时校正动态人眼像差,为搭建小型化、低成本的人眼波前像差校正系统提供了算法支持。     

自适应光学系统模式控制动态优化方法

像差校正模式项数是自适应光学系统模式控制算法中的一个重要参数,其大小对补偿效果影响明显。通过对系统响应函数矩阵的奇异值分解构建像差模式空间,以不同控制项数下残余像差的均方根估计为依据确定每次校正的模式项数,提出了一种模式项数动态优化的控制方法。以Hartmann-Shack波前传感器和薄膜变形镜为主要部件搭建自适应光学实验系统,通过拟合不同像差验证上述控制方法,实验结果表明,和固定项模式控制方法比较,动态优化方法校正的系统残余像差更低,可明显提高自适应光学系统的空间拟合性能。     

基于近红外光谱的人眼像差校正系统中变形镜性能对比研究

对比分析了基于近红外光谱的人眼像差校正系统中两种微机械薄膜变形镜(OKO37单元和BMC140单元)的结构特征和空间特性,着重对变形镜的影响函数进行了主成分研究,建立了变形镜电压控制模型,并通过调整参数d确定变形镜最优控制模式。最后对Zernike单位模式波前像差和Thibos模式人眼波前像差进行拟合仿真实验,结果表明BMC140单元变形镜对Zernike各阶模式的拟合能力均为OKO37单元变形镜的2倍以上。对RMS均值为0.683λ(λ=0.785 μm)的Thibos模式人眼像差,BMC变形镜校正后残余像差RMS值为0.063λ,达到了光学系统的衍射极限(λ/14)。而OKO变形镜由于受相邻电极交连值大、电极分布密度小等因素的影响,其校正能力不及BMC变形镜,残余像差RMS值为0.168λ。本方法也可用于其他种类变形镜的性能评估。     

一种提高波前空间校正能力的组合变形镜自适应光学系统

提出了一种利用光学共轭关系,实现多变形镜空间匹配从而提高波前空间校正能力的自适应光学系统方案.通过理论分析给出了组合变形镜的面形描述方法,在此基础上建立了一套基于由两块相同方形排列变形镜构成的组合波前校正器的完整自适应光学实验系统.通过数值仿真研究了该系统对前35阶Zernike像差的校正效果,并且通过实验对比了组合变形镜和单一变形镜对实际静态像差的闭环校正效果.结果表明组合变彤镜可以等效为一多单元变形镜,在直接斜率控制算法下正常稳定闭环工作,校正效果明显优于单一变形镜.组合变形镜技术通过空间匹配实现了增加波前校正器驱动单元数和等效交连值,有效地提高了对波前的空间校正能力,因此可以代替高成本的单一多驱动器变形镜用于自适应光学系统中高阶像差的校正.     

基于变形镜本征模式的空间光学遥感器波前误差校正方法研究

提出采用基于变形镜(DM)本征模式的自适应光学波前误差校正方法校正高分辨率空间光学遥感器的在轨波前误差。该方法利用变形镜各致动器的影响函数得到一组符合导数正交关系的变形镜本征模式,以图像功率谱密度在低频区域的积分和为评价函数,根据本征模式系数与评价函数之间的关系直接求解出各阶模式所需的校正量。利用实测的37单元变形镜的影响函数得到变形镜本征模式,基于该模式对泽尼克像差进行了开环和闭环仿真校正,定量分析了相位偏置和图像频率范围对算法精度的影响。针对遥感器主镜镜面热变形误差给出了仿真校正结果,分析了图像噪声和不同遥感图像对算法校正精度的影响。仿真结果表明基于变形镜本征模式的自适应光学校正方法可以有效校正波前误差,算法收敛速度快,对图像噪声和内容不敏感,适合用于空间光学遥感器的波前误差校正。     

双变形镜人眼视网膜高分辨率显微成像系统

如何有效校正随人群起伏很大的人眼像差,提高视网膜高分辨率成像技术的人群适用范围是临床应用面临的最大难题。现有的单一波前校正器无法同时清除高阶和低阶视觉像差。针对人眼高阶像差校正需求,研制成功了169单元3 mm极间距分立式压电变形镜,并与大行程Bimorph变形镜组合,建立了一套双变形镜的人眼视网膜成像系统。系统可实现对离焦小于±4.5 D、散光小于±3.0 D的低阶像差及前8阶Zernike像差的有效校正,极大地提高了系统的人群适用范围和成像质量。以低阶像差大小作为入选标准,进行小样本量人眼视网膜成像实验,获得了近衍射极限的视网膜图像。该系统适用范围明确,便于后续临床应用。     

双压电片变形镜像差校正能力

利用实测影响函数,通过数值仿真分析了有效孔径、光束入射角度对于20单元双压电片变形镜像差校正能力的影响。仿真结果表明:有效孔径为16 mm时,变形镜对于各阶像差的校正能力较好;而随着光束入射到变形镜角度的增大,变形镜对于像差的校正精度与校正幅度都会出现下降,但是如果能够将入射角控制在25以内,入射角度对变形镜的像差校正能力影响不大。     

双变形镜自适应光学系统像差解耦研究

对由大行程变形镜和高空间频率变形镜组成的双变形镜自适应光学系统中的像差解耦原理和限定像差校正算法做了理论分析。认为在高空间频率变形镜的斜率响应矩阵中加入限定像差向量,根据直接斜率法分别计算出两个变形镜的控制电压,可以实现两个变形镜分别对低阶像差和高阶像差的闭环校正。仿真研究了19单元变形镜和61单元变形镜组成的双变形镜自适应光学系统对低阶像差和高阶像差分别校正的情况,结果说明双变形镜自适应光学系统的校正效果与理想行程的单变形镜自适应光学系统的校正效果相当,避免了制作同时具有大行程和高空间频率两个特征的变形镜。     

基于变形镜本征模式和远场测量的光束净化

利用波前传感器对光束进行净化的自适应光学系统是目前提高光束质量的常用技术,但在实际应用中,该技术需要波前传感器,系统复杂,体积庞大,同时需要较高性能信标源。为解决上述问题,提出了一种基于变形镜本征模式和远场光斑特征分析的无波前自适应光学系统,用于校正激光器输出的方形光束。将变形镜影响函数进行本征模式分解,并用远场光斑的均方半径作为评价函数,建立了畸变波前的模式系数与评价函数之间的关系,通过测量评价函数获得模式系数用于求解校正电压,实现波前共轭校正。仿真校正和实验验证结果表明,该方法可以有效实现静态像差校正,提高远场光斑的能量集中度。     

基于变形镜本征模式的无波前传感器自适应光学系统实验研究

无波前传感器自适应光学的波前校正方法包括无模型优化算法和基于模式的优化算法。通过搭建实验光路验证了基于变形镜本征模式校正方法的有效性。实验结果表明,基于变形镜本征模式的校正方法和传统基于Lukosz模式的校正方法相比,避免了模式拟合误差,具有更高的校正精度。对各阶变形镜模式系数的校正量的估计是相互独立的,根据初始像差空间频率组成的不同,可以选择合适的模式校正阶数以提高校正速度。与目前常用的随机并行梯度下降(SPGD)算法相比,模式法的校正精度与之相当,但校正速度可以提高一个数量级。     

微机械薄膜变形镜自适应光学系统实验研究

为求出自适应光学系统的最优校正电压, 提出了一种基于改进奇异值分解的闭环迭代控制算法。该算法可通过调节控制参量g1,g2和w,优化模式的收敛速度, 使控制信号快速收敛到一个可靠的局部最优解。搭建基于微机械薄膜变形镜(MMDM)的自适应光学系统, 测量光学影响函数并验证单个电极电压和镜面变形之间的准平方线性关系, 以及各个驱动器电极响应之间的线性叠加性。分别采用模拟眼和人眼出射波前作为原始波前进行实验。实验结果表明, 改进算法能快速有效地对静态或动态畸变波前进行校正, 为基于MMDM的自适应光学系统提供了算法支持。     

用于激光二极管抽运固体激光器热畸变补偿的微变形镜特性研究

在很多高功率的激光器中,由于热效应的缘故会导致激光器的光束质量大幅下降。为了改善激光光束的动态畸变,自适应光学是一种有效的方法。作为自适应光学系统的核心部件,设计了一种可用于大功率激光二极管抽运固体激光器(DPL)热畸变补偿的新型可变形反射镜,并且通过工艺流片实际制造出有效反射面积为30 mm×30 mm,拥有49个静电驱动单元的可变形反射镜。对该微机电系统(MEMS)微变形镜的变形特性进行了详细的理论分析和模拟研究,并和实际测量结果进行了比较,得到了满意的结果。为了实现闭环控制,对微变形反射镜的光学影响函数矩阵进行了全面测量,并用得到的电压矩阵对畸变激光光束的波前进行了校正。实验结果表明,微变形反射镜可以有效地改善激光光束质量。     

变形镜高斯函数指数对迭代法自适应光学系统的影响

基于613单元自适应光学系统, 描述了迭代矩阵和斜率响应矩阵的特性. 在变形镜驱动器间距和交连值不变的情况下, 研究了变形镜高斯函数指数对迭代矩阵和斜率响应矩阵稀疏度的影响, 对自适应光学系统稳定性和校正能力的影响. 研究表明, 迭代矩阵和斜率响应矩阵的稀疏度随着变形镜高斯函数指数的增大而减小. 高斯函数指数过大或者过小都会影响自适应光学系统的稳定性和校正能力. 最后, 综合迭代矩阵和斜率响应矩阵的稀疏度、自适应光学系统的稳定性和校正能力, 给出了合理的变形镜高斯函数指数的取值范围.     

主客观结合人眼波前像差测量系统的设计与实验

设计了主客观方法相结合的人眼波前像差测量系统。该系统的控制部分以工控机为中心,实现了对离焦补偿装置、LCD视标显示装置和可变形镜驱动器的控制。使用Hartmann-Shack传感器对人眼出瞳的波前像差进行测量,光路中加入了能够显示各种视标和测试图案的LCD,从而考虑到了主观调节对人眼像差的影响,能够对人眼的视觉质量进行全面衡量,实现了客观测量和主观测量在光路中的结合。使用该系统分别测量得到了模拟眼和活体人眼的波前像差,并对主客观测量结果进行了信息融合,能够为个性化的人眼屈光矫正提供有用的依据。     

Model-based adaptive non-null interferometry for freeform surface metrology

A model-based adaptive non-null interferometry(MANI) is proposed for steep optical freeform surfaces in situ testing. The deformable mirror(DM) affording the flexible compensation is monitored with the beam in the interferometer by a wavefront sensor. The residual wavefront aberration in the non-null interferogram is eliminated by the multi-configuration ray tracing algorithm based on the system model, especially the DM surface model. The final figure error can be extracted together with the surface misalignment aberration correction.Experiments proving the feasibility of the MANI are shown.     

一种基于全息术的光学系统闭环像差补偿方法

提出了一种基于21单元变形镜与全息波前传感器的全息自适应光学系统, 并对其像差校正能力进行了分析. 首先描述了全息波前传感器基本原理, 并在薄全息图近似下给出基于快速傅里叶变换算法的全息波前传感器数值模型; 然后基于21单元变形镜的数值模型, 分析了该变形镜的波前校正能力; 在此基础上, 数值模拟并实验验证了全息自适应光学系统对静态像差的闭环校正能力.     

微加工薄膜变形镜本征模分析

 介绍了变形镜本征模的构造过程及其特点，分析了从荷兰OKO公司购买的37单元微加工薄膜变形镜的本征模，并用前65阶Zernike多项式分析微加工薄膜变形镜的37阶本征模的特性。搭建了以微加工薄膜变形镜作为波前校正器、变形镜本征模为波前复原控制算法以及高分辨率Shack-Hartmann波前传感器为波前探测器的自适应光学实验系统。实验结果表明：变形镜本征模可以实现模式筛选，也可作为自适应光学系统的波前复原算法。     

Zernike模式像差共轭组合模型

根据Zernike模式在单位圆的同心孔径圆域内某些模式间具有一定耦合性的结论及对应Zernike模式像差在一定同心光瞳区域内的相互抵消特性,对具有相同角频率不同阶数的Zernike模式建立组合模型,同时根据同心光瞳区域内像差均方根值的降幅比参数给出了同心光瞳直径为4mm时的Zernike模式线性共轭组合模型。最后通过共轭组合模型对光学质量影响的研究发现,共轭模型组合之后能显著提高光学质量。同时也表明Zernike模式组合对光学质量的影响不具备叠加性,而对共轭组合模型表现为补偿关系。