含中心遮拦剪切干涉图的波前重建新方法

在利用剪切干涉测量共轴折返式光学系统波像差时,会得到含中心遮拦的环形剪切干涉图。但是,目前的剪切干涉波前重建方法大多适用于圆形或矩形区域。提出了一种适用于含中心遮拦环形剪切干涉图的波前重建方法。该方法是一种基于Zernike环多项式的模式法。仿真和分析了不同剪切比、单项像差、噪声对重建精度的影响,结果表明:该算法具有较高的重建精度,剪切比小于6%时,相对重建误差小于10%;对像散的重建精度较高,对球差和慧差的重建精度相对较低;具有较好的抗噪性。该方法已应用于实验室开发的交叉光栅横向剪切干涉仪的干涉图像波前重建中。     

四波前横向剪切干涉仪的关键技术研究

四波前横向剪切干涉（QWLSI）是一种精度高、动态范围大、分辨率高、抗干扰能力强的瞬态波前检测技术。本文结合国内外相关研究工作，重点阐述了本课题组在分束器件设计、多方向横向剪切干涉图处理、测量误差校准等QWLSI的关键技术研究方面取得的进展。以关键技术研究为基础，本课题组开发了QWLSI的原理装置，其绝对测量精度（RMS）达到0.0038λ（2.4 nm，λ=635 nm），重复测量精度（RMS）达到0.0004λ（0.25 nm，λ=635 nm）。QWLSI与商品化的夏克-哈特曼波前传感器的对比实验结果表明，两种仪器对含有第4～36项单项Zernike像差入射波前的测量结果基本一致。     

基于波长移相剪切干涉的准直波前重构技术

为了实现干涉仪出射准直波前的重构,提出了基于波长调谐移相的横向剪切干涉技术。干涉仪出射波前分别经楔板的前后表面反射,通过角锥棱镜返回后在干涉仪CCD上形成剪切干涉条纹。采用波长移相方法提取剪切干涉条纹的相位信息从而实现准直波前重构。分析相对剪切比对波面重构精度的影响,推导相对剪切比和其影响因素间的关系公式,给出波长移相中光程差常数分量的估算方法。测量干涉仪的三组出射波前,波前的峰谷值分别为3.22λ、2.10λ、0.83λ。该方法简化了传统测量干涉仪准直波前的横向剪切干涉装置,提高了测量精度,特别适合于测量波长移相干涉仪的出射波前。     

离轴非球面反射镜补偿检验的计算机辅助装调技术研究

利用零补偿器实施离轴非球面元件面形的干涉检测中,为了实现反射镜的高准确度检测,对其干涉结果中的误差信息进行了分析.根据零补偿器的补偿原理,提出一种新的调整误差分离方法,建立了离轴非球面补偿检验的调整误差分离模型,并利用该模型对一块离轴非球面反射镜进行了仿真实验.调整前由调整误差引入的波像差为0.2332λRMS(λ=632.8nm),根据仿真结果调整后的波像差为0.0026λRMS,表明该方法具有较高的准确度,可有效提高检测效率.     

基于循环式径向剪切干涉法的波前重建算法研究

提出一种基于循环式径向剪切干涉的波前重建算法。先将畸变波前经径向剪切干涉仪形成的空间相位调制干涉条纹图通过傅立叶变换处理获得对应的位相差分布,再直接采用迭代算法能精确重建原始波前,为ICF系统中复杂畸变波前的在线准确检测提供了可能,并给出了应用实例。     

基于循环式径向剪切干涉法的波前重建算法研究

 提出一种基于循环式径向剪切干涉的波前重建算法。先将畸变波前经径向剪切干涉仪形成的空间相位调制干涉条纹图通过傅立叶变换处理获得对应的位相差分布，再直接采用迭代算法能精确重建原始波前，为ICF系统中复杂畸变波前的在线准确检测提供了可能，并给出了应用实例。     

基于横向剪切干涉图像的波像差求取技术

基于横向剪切干涉的光学系统像差检测实验,需要从干涉图像中解算出像差值.根据像差函数,完成了带有各类波像差的横向剪切干涉图像的模拟与处理,在此基础上,利用Zernike多项式法求解出波像差,所得结果与初始模拟值进行比较,误差在5%以内.     

基于窗口傅里叶变换剪切干涉法波前检测

提出了一种利用二维窗口傅里叶变换从径向剪切干涉条纹中准确得到波前的重建技术。首先对剪切干涉条纹做二维窗口傅里叶变换,设置阈值和频率积分范围后,进行二维窗口傅里叶逆变换,然后对包裹相位做去载频和相位展开处理得到相位差分布,最后使用波前迭代算法从相位差中复原实际波前。模拟计算表明,使用该方法最大相位复原误差为0.82%,均方根值为0.020 9 rad,实验结果验证了该方法的有效性。同时也对窗口傅里叶变换的关键参数,如窗函数的选择、窗口大小的确定以及阈值的选取等进行了简要讨论。与传统傅里叶变换法(FFT)相比,基于窗口傅里叶变换的剪切干涉波前检测法有更高的精度和稳定性,为波前检测提供一种新的处理方法。     

基于窗口傅里叶变换剪切干涉法波前检测

提出了一种利用二维窗口傅里叶变换从径向剪切干涉条纹中准确得到波前的重建技术。首先对剪切干涉条纹做二维窗口傅里叶变换,设置阈值和频率积分范围后,进行二维窗口傅里叶逆变换,然后对包裹相位做去载频和相位展开处理得到相位差分布,最后使用波前迭代算法从相位差中复原实际波前。模拟计算表明,使用该方法最大相位复原误差为0.82%,均方根值为0.020 9 rad,实验结果验证了该方法的有效性。同时也对窗口傅里叶变换的关键参数,如窗函数的选择、窗口大小的确定以及阈值的选取等进行了简要讨论。与传统傅里叶变换法(FFT)相比,基于窗口傅里叶变换的剪切干涉波前检测法有更高的精度和稳定性,为波前检测提供一种新的处理方法。     

97单元MEMS变形镜波前像差拟合能力分析

变形镜是自适应光学系统的关键元件,它对波前像差的拟合能力决定了自适应光学系统的校正性能。文中从变形镜对Zernike单阶像差、组合像差以及闭环校正三个方面分析97单元变形镜的拟合能力。仿真结果表明,当原始波前均方根的值为一个波长时,Zernike多项式前3～42阶残余波前像差的RMS小于0.4λ,说明变形镜对Zernike的前3～42阶像差具有较好的拟合能力。变形镜对Zernike多项式组合相差拟合以及基于随机并行梯度下降算法的闭环校正结果表明,当波前像差较小时,像差基本得到完全拟合及校正,当波前像差较大时,如D/r₀=20时,残余波前像差的RMS值均小于0.14λ(初始RMS为0.63λ)。分析结果对97单元变形镜的实际应用提供了理论依据和使用参考。     

离焦型Shack-Hartmann传感器的光斑矩波前重建

将光斑矩推广应用到离焦型Shack-Hartmann波前传感器中,提出了一种高精度的波前重建方法。针对离焦型Shack-Hartmann波前传感器,不仅提取了每一个微透镜光斑的质心偏移量,而且提取了每一个光斑的二阶矩,用于计算波前的局部斜率和局部曲率。将传统Shack-Hartmann传感器利用波前局部斜率进行波前重构的算法,推广到同时利用波前的局部斜率和局部曲率进行波前重构,并进行了数值模拟研究。数值模拟结果表明:所提波前重建算法可以进行高精度的波前重建。将peaks函数作为输入波前,采用所提波前重建算法得到的波前残差RMS为0.0327λ,小于常规算法的0.0903λ,表明所提算法可以显著地提高波前重建精度。     

基于解耦差分泽尼克待定系数法的二维横向剪切波面重建算法

横向剪切干涉术是一种自参考干涉计量技术,其原理是被检测波前与其自身被剪开的波前之间在重叠范围内相干涉,由干涉图得到两相互剪切波前的波前差,通过波面重建算法得到待测波面.在波面重建算法中,泽尼克待定系数法是其中的一种.分析了横向剪切干涉技术的测量原理;提出了一种新的基于解耦差分泽尼克待定系数法的二维横向剪切波面重建算法....     

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。     

近红外瞬态脉冲波前高精度干涉检测技术

惯性约束聚变(ICF)系统中高能瞬态脉冲激光由于脉冲时间短、能量高、波前畸变大,通常的检测方法难于检测脉冲激光波前。提出了一种基于空间相位调制技术可用于近红外瞬态波前高精度检测的环形径向剪切干涉仪。该系统可以以30~150 mm的圆瞳和方瞳口径、对波长为1064 nm的近红外纳秒级脉宽的脉冲激光波前实现共路、无参考面的瞬态、高精度的检测。系统的波前重构理论经过计算机仿真验证,精度达1/1000λ以上;检测结果与ZYGO数字波面干涉仪进行了比对,峰谷值、均方根值均优于1/15λ,并具有很好的可重复性。该系统目前已用于惯性约束聚变系统的脉冲检测,并且该技术适用于各种可见光和红外波段激光。     

稀疏子孔径区域内正交多项式重构波前

提出了基于稀疏子孔径正交多项式的拼接算法.该算法采用Mathematica9.0对圆域Zernike多项式进行Gram-Schimdt正交化,构造出稀疏子孔径区域内的标准正交多项式——Z-sparse多项式,并采用该正交多项式进行稀疏子孔径区域波前数据的拟合.实验表明:根据算法重构与直接检测的全孔径波前残差PV=0.071 9λ,RMS=0.007 4λ.该算法可对所提取的七个子孔径波前像差数据进行有效的拼接.     

大倍率离轴无焦四反光学系统设计

空间引力波探测任务采用的是外差法激光干涉测量技术,其对系统的噪声和精度要求极为苛刻。望远镜是引力波探测天文台的重要组成部分,起到激光信号收发的作用,其光学系统应具备大倍率、高像质、杂光抑制能力强,波前误差一致性好的特点。针对上述要求,对大倍率离轴四反无焦光学系统进行了设计和优化。基于初级像差理论阐述了初始结构的求解方法。系统具有中间像面和可用的实出瞳,便于杂光抑制和与后端科学干涉仪的承接。优化过程中,建立了波前一致性优化函数,通过优化设计,系统入瞳直径为200 mm,放大倍率为40倍,科学视场为±8μrad,波前误差RMS值优于0.005λ,PV值优于0.023λ(λ=1064 nm),波前一致性残差RMS值优于0.0008λ(λ=1064 nm),在捕获视场±200μrad内的成像质量均接近衍射极限,并对系统公差进行了分析,满足引力波探测的应用需求。     

一种基于图像融合和卷积神经网络的相位恢复方法

相位恢复法利用光波传输中某一(或某些)截面上的光强分布来传感系统波前,其结构简单,不易受震动及环境干扰,被广泛应用于光学遥感和像差检测等领域.传统相位恢复法采用迭代计算,很难满足实时性要求,且在一定程度上依赖于迭代转换或迭代优化初值.为克服上述问题,本文提出了一种基于卷积神经网络的相位恢复方法,该方法采用基于小波变换的图像融合技术对焦面和离焦面图像进行融合处理,可在不损失图像信息的同时简化卷积神经网络的输入.网络模型训练完成后可依据输入的融合图像直接输出表征波前相位的4-9阶Zernike系数,且波前传感精度均方根(root-mean-square,RMS)可达0.015λ,λ=632.8 nm.研究了噪声、离焦量误差和图像采样分辨率等因素对波前传感精度的影响,验证了该方法对噪声具有一定鲁棒性,相对离焦量误差在7.5%内时,波前传感精度RMS仍可达0.05λ,且随着图像采样分辨率的提升,波前传感精度有所改善,但训练时间成本随之增加.此外,分析了实际应用中,当系统像差阶数与网络训练阶数略有差异时,本方法所能实现的传感精度,并给出了解决方案.     

基于偏振移相的环路径向剪切干涉

只需要一幅干涉图就能得到被检波面信息的径向剪切干涉,适于动态波前的测量。将便于干涉图像处理的同步移相技术引入径向剪切干涉中,基于环路径向剪切干涉,利用一个正交的二维光栅分光,采用偏振移相法,能同时得到相移间隔π/2的四幅移相干涉图。运用传统的四步移相算法,结合波面迭代算法复原波面。通过理论公式的推导、计算机的模拟分析,以及初步的实验测试,验证了偏振移相应用于径向剪切干涉的可行性,模拟结果显示均方根精度优于λ/100。具有抗振特点的光栅分光偏振移相的同步移相方案,不仅能够克服剪切干涉的单幅干涉图处理复杂的缺点,更有利于提高剪切干涉的抗干扰能力。     

像面干涉中非线性干涉光谱数据重构算法EI北大核心CSCD

静态迈克耳孙干涉仪是一种实体式像面干涉仪,可以解决干涉光谱成像仪大视场的技术难点。在采样过程中,静态迈克耳孙干涉仪会引入光程差的非线性干涉误差,导致无法准确复原光谱,因此需要对非线性干涉误差进行修正。分析了非线性干涉误差的理论模型,提出了基于数值拟合的非线性干涉光谱数据重构算法,并进行了仿真验证。仿真结果表明,采用数值拟合的重构算法可成功复原目标光谱,消除非线性干涉误差;与采用线性拟合的重构算法相比,使用柯西色散公式拟合的重构算法的光谱复原精度更高,且吸收峰处的反演光谱与入射光谱的相对误差小于0.7%。     

像面干涉中非线性干涉光谱数据重构算法

静态迈克耳孙干涉仪是一种实体式像面干涉仪,可以解决干涉光谱成像仪大视场的技术难点。在采样过程中,静态迈克耳孙干涉仪会引入光程差的非线性干涉误差,导致无法准确复原光谱,因此需要对非线性干涉误差进行修正。分析了非线性干涉误差的理论模型,提出了基于数值拟合的非线性干涉光谱数据重构算法,并进行了仿真验证。仿真结果表明,采用数值拟合的重构算法可成功复原目标光谱,消除非线性干涉误差;与采用线性拟合的重构算法相比,使用柯西色散公式拟合的重构算法的光谱复原精度更高,且吸收峰处的反演光谱与入射光谱的相对误差小于0.7%。