Zernike模式系数传感器的优化设计

优化设计的目的是用最少的通道数（探测器的像元数）探测最高阶的波前畸变。由此使探测器的探测精度高，系统简单，在极弱光探测条件下可探测光强低。由响应矩阵元的定义式可知，影响Ｚｅｒｎｉｋｅ模式系数传感器可探测和重构波前Ｚｅｒｎｉｋｅ多项式项数的主要因素是探测器的形状，即探测器的内部像元数和边缘像元数及它们的排列形状。如何根据需要重构的Ｚｅｒｎｉｋｅ多项式的项数来选择合适的探测器像元数及它们的排列，是本文优化设计的研究目的。     

环形区域上Zernike模式法波前重构

 针对激光技术领域常见的环形激光光束,利用圆域Zernike多项式和环域Zernike多项式进行模式法波前重构,结果显示,如果环形激光光束波前相位畸变主要由低空间频率成分组成,则可以直接利用圆域Zernike多项式进行波前重构;如果环形激光光束波前相位畸变含有较多的高阶频率成分,则利用环域Zernike多项式进行波前重构。     

环形区域上Zernike模式法波前重构

针对激光技术领域常见的环形激光光束,利用圆域Zernike多项式和环域Zernike多项式进行模式法波前重构,结果显示,如果环形激光光束波前相位畸变主要由低空间频率成分组成,则可以直接利用圆域Zernike多项式进行波前重构;如果环形激光光束波前相位畸变含有较多的高阶频率成分,则利用环域Zernike多项式进行波前重构。     

Complex wavefront reconstruction of digital in-line holography with a spatial radial carrier

We propose a method for reconstructing a complex wavefront from a single-shot in-line digital hologram with a spatial radial carrier. In the proposed method, the spatial radial carrier is generated by a point source that is located in front of an image sensor, as close as possible to the sensor with the condition that the Nyquist limit is not exceeded. A signal processing method employed for elimination of the zeroth-order and conjugate wave components is presented. Computer simulations and optical experiments are performed to verify the proposed method.     

自基准哈特曼波前测量装置的研制

采用自基准哈特曼径向斜率测量原理,设计了旋转加摩擦线性移动扫描机构,对被测波前进行连续极坐标扫描采样;用CCD相机采集光斑图像,经波面径向斜率计算和泽尼克径向斜率多项式最小二乘拟合,求出被测波面的泽尼克系数和波前畸变值。与干涉仪测量结果进行了比较,所以研制的波前测量装置可满足大口径光学系统的像质测量。     

米级口径经纬仪保护窗口镜面变形分析

为了精确分析外载荷作用下米级口径经纬仪保护窗口镜面变形,本文基于接触有限元理论建立了米级口径经纬仪保护窗口带摩擦接触的有限元分析模型,对比了线性刚性连接和非线性摩擦接触方法的差异。采用齐次坐标变换法去除刚体位移,得到米级口径经纬仪保护窗口镜面畸变数据,使用Zernike多项式作为光机集成分析的接口工具,并将Zernike多项式系数导入ZEMAX中,以波前像差RMS值衡量镜面变形对成像质量的影响,并与干涉仪检测结果进行比较。考虑摩擦接触条件得到的保护窗口镜面波前像差RMS值为38.095 nm、PV为205.027 nm,使用干涉仪检测得到的保护窗口镜面波前像差RMS值为40.626 nm、PV值为235.654 nm。实验结果表明,考虑摩擦接触条件的仿真实验与干涉仪检测实验的镜面波前像差RMS值偏差为6.23%,能更准确地反映米级口径保护窗口镜面变形。     

基于互信息的干涉成像采样系统性能分析

为了优化干涉采样成像系统的设计,采用端到端的互信息量评价系统的性能.建立了基于互信息的干涉采样成像系统数学模型.利用该模型得到了互信息量最大时光学成像系统和CCD的匹配条件:相干成像光学系统的截止频率等于CCD的Nyquist频率.分析了物体频谱分布、噪声、光源相干性和光学成像系统像差对互信息量的影响.结果表明,它们不影响光学成像系统和CCD的匹配条件.     

子孔径合成光学成像系统像质评价研究

由于子孔径合成光学成像系统出瞳波前离散,成像特征有异于常规光学系统.对比了两种子孔径合成光学成像系统的像质评价方法,其一是直接利用干涉仪实测获得的整体出瞳波面参量,拟合成泽尼克多项式,通过快速傅里叶变换获得光学系统的调制传递函数;其二是对子出瞳波面在像面复振幅分布的衍射直接积分叠加计算系统调制传递函数.对于离散出瞳波前,拟合的泽尼克多项式不可避免有较大误差,由此计算获得的调制传递函数与实际测量值有较大区别.设计并制造了一个三子镜合成的成像光学系统,在此基础上用ZYGO GPI干涉仪验证并对比了使用两种方法对像质计算的特点.结果表明,子出瞳波面直接衍射积分叠加法的精度更高,但计算量大,且要获得更高的像质评价精度,应使用更适于表达离散不规则形状子出瞳波前的波函数.     

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....     

一种用于光学成像系统的新型液晶相位调制器

研制出新型平行排列的二维阵列液晶相位调制器(LCPM),利用此相位调制器在Zygo干涉仪上进行了泽尼克(Zernike)多项式的产生和畸变波前调制的实验。能够很好地产生泽尼克多项式的前2~8项面形,用16项泽尼克模式对畸变波前进行了调制,峰谷(PV)值可由调制前的0.831λ减小到调制后的0.444λ,均方根(RMS)由调制前的0.181λ减小到调制后0.066λ,斯特列尔比(Strehl ratio,SR)由调制前的0.257达到调制后的0.844。实验结果表明,在光学成像系统中,利用平行排列的液晶相位调制器,进行波前像差的调制可以使成像质量得到很好的改善。     

空间插值在功率谱密度计算中的应用

 为了提高光学元件波前中频PSD计算的精度和有效频谱宽度,提出了填补波前无效数据的双线性插值法和抑制欠采样噪声的六采样点插值法。模拟计算和实验结果表明：双线性插值法有效地保证了填充数据与真实数据的一致性,抑制了零填充方法引入的虚假中高频信息,使得填补后的PSD与原始PSD较好地吻合;六采样点插值法有效地分离了信号和欠采样噪声,使得有效PSD频谱上限从1/2 Nyquist频率提高到Nyquist频率。     

激光推进应用中的波前重构仿真研究

分析了Hartmann传感器应用于激光推进中波前畸变测量的可行性,介绍了模式法波前重构原理。利用MATLAB7.0对小孔板进行了仿真。并根据几何光线追迹原理,对设定的畸变波前进行了重构。同时比较了选用不同Zernike模式数的波前重构结果以及选用不同采样率小孔板的波前重构结果。仿真结果表明:Hartmann传感器对推进应用中大口径光斑的波阵面测量是可行的。     

空间插值在功率谱密度计算中的应用

为了提高光学元件波前中频PSD计算的精度和有效频谱宽度,提出了填补波前无效数据的双线性插值法和抑制欠采样噪声的六采样点插值法。模拟计算和实验结果表明：双线性插值法有效地保证了填充数据与真实数据的一致性,抑制了零填充方法引入的虚假中高频信息,使得填补后的PSD与原始PSD较好地吻合;六采样点插值法有效地分离了信号和欠采样噪声,使得有效PSD频谱上限从1/2 Nyquist频率提高到Nyquist频率。     

朗契检验相位探测和波面恢复

本文将传统的朗契检验的物理原理和同相位探测技术结合起来,解决了用其它干涉测量方法所难以解决的大量值波差或非球面波面的检测,并提供了一个简单而有效的检测方法。在该方法中,横向移动朗契光栅,使得朗契图的辐射光通量随时间作周期性变化,运用同相位探测技术来求取朗契图所表示的波象差的两个斜率面,利用Zernike多项式拟合算法由这两个斜率面复原出波象差,并结合实验装置实测了大象差系统的波象差。     

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。     

宽视场高分辨率闭路监控系统监控镜头设计

为了满足新形势下闭路监控系统（CCTV）对拍摄视场和高清分辨率的要求,设计了一款复杂化的反摄远型全球面结构的CCTV镜头。该镜头的全视场为80,F#为3,焦距为5 mm,光谱范围为486 nm~656 nm。采用像元尺寸为7.5 m7.5 m,1.27 cm(1/2英寸)的CCD成像。该镜头在奈奎斯特频率67 lp/mm处,全视场MTF接近0.65;在1/2奈奎斯特频率处调制传递函数（MTF）大于0.85;在220 lp/mm处,全视场MTF大于0.3,已经接近衍射极限。镜头像面波前PV值为0.077 9,RMS为0.015 9,达到了瑞利判据的要求。设计评价结果表明,该镜头像差校正满足CCTV监控镜头的成像质量要求。     

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。     

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。     

Phase diversity with undersampled systems via superresolution preprocessing

Phase diversity algorithms allow a wavefront to be reconstructed from through-focus measurements of a point source or extended scene. These algorithms have traditionally been limited to systems that are Nyquist sampled. Many optical systems for remote sensing applications are designed to be undersampled, however. One approach to phase diversity with undersampled systems is to employ superresolution techniques to first create properly sampled scenes. This is demonstrated experimentally for a point object, but is applicable to extended scenes as well.     

基于液晶纯相位光调制器的4f系统去噪方法

分析了4f系统的噪声来源,提出使用液晶空间光调制器实时去除系统噪声.通过使用Zemike多项式拟合透镜等光学器件引入的像差,根据液晶纯相位光调制器利用位相共轭波进行静态波面校正的工作原理,提出了一种新的相位校正算法,模拟仿真美国BNS公司反射式256×256纯相位液晶空间光调制器,通过重构并逼近畸变波面,产生相位共轭波...