根据远场光班确定夏克-哈特曼传感器采样率的一种方法

提出了一种利用夏克-哈特曼波前传感器测量未知波前时确定其子孔径数目的新方法.首先将被测波前相位用傅里叶级数展开表示,然后对展开表达式的复振幅进行贝塞尔展开,并对它进行傅里叶变换计算出其远场光斑分布.分析表明,波前相位频谱分量与远场光斑形态存在某种相互对应的关系.可根据采样定理通过远场光斑的分布界限确定出夏克-哈特曼波前传感器的采样率.该方法为夏克-哈特曼传感器对未知波前进行测量时其子合理孔径数目的确定提供了理论依据.有效避免了夏克-哈特曼传感器由于采样率不足而造成精度下降的问题,结束了在确定夏克-哈特曼波前传感器的子孔径数目时只依靠经验的状态.     

增大夏克-哈特曼波前传感器动态范围的算法研究

为了保证夏克-哈特曼波前传感器具有高灵敏度的同时又具有较大的动态范围,提出了一种能够有效增大传感器动态范围的数据处理方法光斑归位法。该方法使不规则的光斑回归到各自原来的位置,形成一个规则的光斑阵列,找到光斑阵列中某个光斑与微透镜的匹配关系,进而找到所有的光斑与微透镜的匹配关系。该方法的优点在于光斑不需要被限制在子孔径内且在不增加硬件等其他辅助条件下能够有效地增大夏克-哈特曼波前传感器的动态范围。实验验证了光斑归位法的正确性和可行性,结果表明,光斑归位法是正确的且采用该方法的动态范围比传统算法的动态范围提高了25倍以上。     

基于相关法的哈特曼图像网格自动划分方法

在哈特曼波前测量过程中,需要对哈特曼图像进行网格划分用于计算波前斜率。传统的网格划分方法通过观察哈特曼图像手动调整网格位置和网格间距。该方法不但需要人工干预,还给波前实时测量带来困难。为实现哈特曼图像网格划分的自动化,研究了基于相关法的哈特曼图像网格自动划分方法。该方法首先对哈特曼图像进行自相关求取网格行列数以及网格间距,然后利用该网格建立相应的模拟光斑图像,最后对模拟光斑图像和哈特曼图像进行互相关求取网格最佳位置。该方法无需人工干预,耗时短,实现了网格实时自动划分。     

基于相关法的哈特曼图像网格自动划分方法

在哈特曼波前测量过程中,需要对哈特曼图像进行网格划分用于计算波前斜率。传统的网格划分方法通过观察哈特曼图像手动调整网格位置和网格间距。该方法不但需要人工干预,还给波前实时测量带来困难。为实现哈特曼图像网格划分的自动化,研究了基于相关法的哈特曼图像网格自动划分方法。该方法首先对哈特曼图像进行自相关求取网格行列数以及网格间距,然后利用该网格建立相应的模拟光斑图像,最后对模拟光斑图像和哈特曼图像进行互相关求取网格最佳位置。该方法无需人工干预,耗时短,实现了网格实时自动划分。     

哈特曼测量大气相干长度研究

研究了利用哈特曼波前传感器测量大气相干长度的两种方法:一种是测量两个子孔径恒星光波到达角起伏方差的差分像运动法;另一种是测量恒星波前分布,通过波前分布的剩余方差推算得到大气相干长度。试验测量结果表明,两种方法得到的测量结果基本一致,得到了大气相干长度的可靠数据,两种方法得到了相互验证,实现了在应用哈特曼波前传感器测量大气波前分布时,同时得到当前的大气信息,对分析哈特曼波前传感器的测量结果有参考意义。     

哈特曼测量大气相干长度研究

研究了利用哈特曼波前传感器测量大气相干长度的两种方法：一种是测量两个子孔径恒星光波到达角起伏方差的差分像运动法;另一种是测量恒星波前分布,通过波前分布的剩余方差推算得到大气相干长度。试验测量结果表明,两种方法得到的测量结果基本一致,得到了大气相干长度的可靠数据,两种方法得到了相互验证,实现了在应用哈特曼波前传感器测量大气波前分布时,同时得到当前的大气信息,对分析哈特曼波前传感器的测量结果有参考意义。     

线性相位反演传感器与哈特曼传感器的实验研究对比

为了进一步分析线性相位反演波前传感器的性能,搭建了基于线性相位反演测量方法的波前传感器的实验装置.针对各种波前随机像差,同时用线性相位波前传感器和哈特曼波前传感器进行测量和复原,将复原结果进行对比.分析了不同的探测分辨力和不同泽尼克复原阶数对线性相位反演传感器复原结果的影响.分析了靶面分辨力,合理的靶面大小对复原精度是有利的,肯定了线性相位反演波前传感器可以用较少的探测单元实现相似精度的测量,采样靶面像素为8 pixel×8 pixel时,误差系数仍很小.利用对随机像差片进行不同阶数的复原,线性相位反演波前传感器的复原残差的误差率基本都在0.25以下,能对前35阶像差进行比较精确的复原.     

高功率固体激光装置哈特曼传感器参考波前标定方法

 在高功率固体激光驱动器中,参考波前标定是自适应光学系统应用过程中的关键技术之一。基于国内某大型激光原型装置光路特点,对比研究了两种不同的参考波前标定方法,详细分析了两种方法的标定过程和影响标定结果准确性的主要因素,选取了较为准确的参考波前标定结果。基于该参考波前,对AO系统闭环和开环条件下的远场进行了对比测试,实验证明了标定结果的有效性。该研究结果成功应用于该激光原型装置的AO系统波前补偿实验。     

基于哈特曼-夏克波前测量原理的焦距测量

本文从哈特曼-夏克波前测量原理出发,提出了基于波前测量的透镜焦距测量方法;得到了使用这一方法测量焦距的计算公式.使用633 nm和780 nm两种波长的半导体准直激光器作为光源,测量了三片双合透镜的焦距,结果表明,633 nm光源下测量得到的波长与透镜的设计焦距值相吻合,能够正确测量透镜焦距;而780 nm光源的测量结...     

高分辨力哈特曼传感器的快速波面重构和拼接

建立哈特曼传感器的模型,证明在高空间分辨力下,可以采用Hudgin模型进行波面重构,避免了采用Fried模型带来的复杂性。对哈特曼子孔径缺失破坏连续性的问题进行了分析,介绍了相应的边缘处理算法。完成了基于离散傅里叶变换的波面重构算法数值模拟,实现了波面的无损重构。针对实际应用中输入波面在被遮挡处不连续的问题,提出了基于最小二乘解的拼接方案,实现了非连续波面拼接。分析了影响波面重构速度的主要因素,提出了提高波面重构性能的方法。

     

点源信标相关哈特曼-夏克波前传感器光斑偏移测量误差分析

在基于哈特曼-夏克波前传感器(SH-WFS)的自适应光学系统中,通常采用质心算法探测点源信标的子孔径光斑偏移量.然而质心算法探测精度受到诸如减阈值等因素的影响,在低信噪比(SNR )时不能准确估计光斑质心位置,而相关哈特曼算法不需要减阈值,具有更好的鲁棒性.本文在介绍相关SH-WFS基本原理的基础上,通过建立基于点源信标探测的相关SH-WFS算法的随机噪声模型,推导了光斑偏移测量误差表达式,系统分析了光子噪声、CCD读出噪声、背景光子噪声等因素对相关SH-WFS测量误差的影响.并进行了数值仿真及实验,仿真 关键词： 相关哈特曼-夏克波前传感器 相关哈特曼算法 质心算法 测量误差     

A comparison of the Shack-Hartmann and pyramid wavefront sensors

The performance of two wavefront sensors, the Shack-Hartmann and the pyramid wavefront sensor, for use in a closed-loop adaptive optics system, are compared. Their theoretical performance is derived and compared to simulations. We quantify the advantages of the pyramid sensor under normal operating conditions, and discuss the possibilities of achieving this in practice.     

Optimization for high precision Shack-Hartmann wavefront sensor

A comprehensive noise model about digital camera which is a main component of SHWFS is constructed, including the readout noise, the photon shot noise, the quantization noise and the response un-uniformity. Based on the noise model, the spot centroid errors caused by each kind of noise are analyzed, respectively. And then the synthetic error from all the noise is calculated. The result demonstrates that the limit of the spot centroid accuracy is 1% pixels. At last, the crossing error caused by the high order diffraction spots is analyzed. It is approximately proportional to the secondary spots number. So the structure of the microlens array must be optimized together with the digital camera when designing SHWFS.     

Measurement of moments for centroid estimation in Shack-Hartmann wavefront sensor—a wavelet-based approach and comparison with other methods

A wavelet-based method of moment calculation with a set of basis functions is presented for centroid estimation in a Shack-Hartmann Wavefront Sensor. The method has been compared with other algorithms such as statistical averaging, FFT and least-squares method. A comparative analysis shows that wavelet method has a high accuracy and processing speed, and better suited for wavefront reconstruction applications. Further, the wavelet method presented here has a variable accuracy and resolution, and can be optimized for a particular application under consideration.     

Shack-Hartmann波前传感器在光学检验中的应用

介绍用于光学检测的Shack-Hartmann(S-H)波前传感器,以及相应的检测实验结果。在实验室内,通过与Zygo干涉仪的测量结果对比,得出传感器的测量精度优于/50 RMS(=632.8 nm)。在外场利用星光作为光源,对口径1 m、焦距11 m的望远镜进行了系统波像差检验,测量结果为0.39~0.46RMS之间,并随着俯仰角的增加而增大,主要像差形式为三阶像散。     

Shack-Hartmann波前传感器非零位在轴检测离轴非球面反射镜

在离轴非球面反射镜研磨后期和粗抛光阶段,被测反射镜面形与理想面形存在着较大的偏差,表面反射率较低,采用干涉测量会因局部区域干涉条纹过密或条纹对比度过低,造成普通干涉仪无法进行全口径测量,而普通接触式轮廓仪测量精度此时已经不能满足加工要求。鉴于Shack-Hartmann波前传感器较大的动态范围和较高的测量精度,提出了采用Shack-Hartmann波前传感器非零位在轴检测离轴非球面面形,研究了该方法的检测原理并搭建了检测系统,分析了系统误差来源,并制作了用于在轴检测离轴非球面的参考波前,对两个不同加工精度的离轴非球面反射镜进行了测量,并与干涉仪的测量结果进行了对比。对比结果表明,Shack-Hartmann波前传感器的测量结果是正确可靠的,并且可以弥补轮廓仪测量和干涉仪测量的不足,从而证明了采用Shack-Hartmann波前传感器在轴检测离轴非球面的可行性和正确性。     

High signal-to-noise ratio sensing with Shack–Hartmann wavefront sensor based on auto gain control of electron multiplying CCD

High signal-to-noise ratio can be achieved with the electron multiplying charge-coupled-device(EMCCD) applied in the Shack–Hartmann wavefront sensor(S–H WFS) in adaptive optics(AO).However,when the brightness of the target changes in a large scale,the fixed electron multiplying(EM) gain will not be suited to the sensing limitation.Therefore an auto-gain-control method based on the brightness of light-spots array in S–H WFS is proposed in this paper.The control value is the average of the maximum signals of every light spot in an array,which has been demonstrated to be kept stable even under the influence of some noise and turbulence,and sensitive enough to the change of target brightness.A goal value is needed in the control process and it is predetermined based on the characters of EMCCD.Simulations and experiments have demonstrated that this auto-gain-control method is valid and robust,the sensing SNR reaches the maximum for the corresponding signal level,and especially is greatly improved for those dim targets from 6 to 4 magnitude in the visual band.