用于拼接子镜相位误差检测的低相干光谱干涉系统分析

针对大口径望远镜拼接式主镜,提出一种基于迈克尔逊干涉原理的低相干光谱干涉检测系统.应用该系统对拼接子镜间相位失调误差进行实时检测,进而对失调子镜进行相应校正,以实现拼接子镜的共面排布.子镜间相位误差通过干涉图形间的不匹配性进行提取.给出了该低相干光谱干涉检测系统的具体结构,叙述了该干涉检测系统的检测原理.针对该系统的干涉条纹对比度V及系统的最低信噪比SNRdBmin进行了分析,论证了通过该低相干光谱干涉检测系统进行子镜间相位误差检测的可行性.     

基于宽光谱干涉系统的拼接主镜共相位检测技术

 针对拼接式大口径望远镜主镜,提出一种基于迈克尔逊干涉原理基础上的宽带光谱（白光）干涉检测方法,对拼接子镜间相位误差进行实时检测,进而对失调子镜进行相应校正,以实现拼接子镜的共面排布。子镜间相位误差通过干涉图形间的不匹配性进行提取。应用双中心波长组合白光源来提高白光中心条纹的可见度,通过理论仿真,对不同中心波长组合的白光中心条纹可见度进行比较,结果表明：该双中心波长组合白光源系统的应用,可以提高白光干涉中心条纹的信号分辨能力,借以提高检测精度,使得该白光干涉检测系统对拼接子镜间的相位失调误差进行高精度提取。     

基于宽光谱干涉系统的拼接主镜共相位检测技术

针对拼接式大口径望远镜主镜,提出一种基于迈克尔逊干涉原理基础上的宽带光谱（白光）干涉检测方法,对拼接子镜间相位误差进行实时检测,进而对失调子镜进行相应校正,以实现拼接子镜的共面排布。子镜间相位误差通过干涉图形间的不匹配性进行提取。应用双中心波长组合白光源来提高白光中心条纹的可见度,通过理论仿真,对不同中心波长组合的白光中心条纹可见度进行比较,结果表明：该双中心波长组合白光源系统的应用,可以提高白光干涉中心条纹的信号分辨能力,借以提高检测精度,使得该白光干涉检测系统对拼接子镜间的相位失调误差进行高精度提取。     

光源对相干层析系统特性的影响

在分析相干层析系统成像机理的基础上，从理论上研究了光源对系统成像特性的影响，在考虑干涉条纹的强度用概率函数处理的条件下，由分析得出相干层析成像系统相当于一个复振幅的线性空间不变系统，从而给出相干函数和光源的功率谱密度之间的关系。通过对使用不同光源的系统相干传递函数比较，得出了采用具有较大线宽的低相干光源，系统的空间分辨率更好，可使测量更精确的结论。本文的工作为光学相干层析成像系统的优化设计提供了理论依据。     

大口径连续相位板拼接检测误差分析

对大口径连续相位板（CPP）在子孔径拼接检测过程中存在的几种影响检测精度的主要因素, 包括定位误差、系统误差和拼接模式等进行了归纳并分析了其对检测精度的影响权重。通过对子孔径重叠区域分布的均匀性计算,分析了检测误差对拼接质量的影响。结果表明,定位误差是影响CPP拼接精度的主要原因,而对系统误差进行有效处理可以进一步减小重叠区非均匀性,拼接模式的选择对CPP的拼接结果的影响有限。通过CPP深度特性对重叠区域均匀性的统计分析表明,在像素级别的检测中,重叠区域均方根残差随着CPP深度的增加而线性增加,即拼接精度随CPP深度的增加而降低。     

大口径连续相位板面形检测与评价

基于全局最小二乘拼接算法和图像融合算法建立了连续相位板（CPP）子孔径拼接检测算法,并根据全局相关匹配原理提出采用面形残差来评价CPP的加工面形。采用高精度动态干涉仪等设备建立了相应的检测系统,并针对430 mm430 mm口径CPP开展了数值模拟和检测实验。理论计算结果表明：系统计算误差为0.005 nm。实验结果表明,整个检测系统软硬件RMS误差小于5 nm,基本满足CPP面形检测要求。从而验证了CPP检测和评价的正确性和可行性。     

正弦相位调制的频域光学相干层析成像

提出一种基于正弦相位调制的频域光学相干层析成像,利用正弦相位调制干涉术探测复频域干涉条纹的实部和虚部,重建复频域干涉条纹。对该复频域干涉条纹作逆傅里叶变换后,消除了频域光学相干层析成像中存在的复共轭镜像以及直流背景和自相干噪声。对玻璃片样品进行了层析成像实验。实验结果表明,采用正弦相位调制的频域光学相干层析成像,将可利用的成像深度范围扩大到原来的2倍,实现了全深度探测的频域光学相干层析成像。     

基于谱域相位分辨光学相干层析的纳米级表面形貌成像

提出了一种基于谱域相位分辨光学相干层析的纳米级表面形貌成像方法,由干涉光谱计算样品相邻两点的相位差,得到样品表面相位差分图,经过积分,重建样品表面形貌的定量分布.当相邻两点相位差的绝对值小于π,不产生相位包裹,避免了目前的干涉法相位解包裹存在的问题,将干涉法相邻两点相位差绝对值的限制条件由目前的π扩大到2π,提高了干涉法表面形貌成像的适用范围.参考面和样品置于同一平台之上,消除环境干扰及系统振动的影响,噪声幅度小于0.3 nm.通过对光学分辨率片及表面粗糙度标准样板的表面形貌成像,对本方法进行了验证,系统的轴向分辨率优于1 nm.     

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.     

基于拉盖尔-高斯光束的单光子捕获理论研究

基于TEM₁₀模拉盖尔-高斯光束,推导自由空间量子密钥分配中单光子捕获概率表达式。针对低轨卫星-地面站间激光链路进行单光子捕获分析。结果表明：采用可高度衰减激光脉冲的TEM₁₀模拉盖尔-高斯光束作为单光子源,单光子捕获采用前驱波参考脉冲设置时间窗口的方法,可使卫星上接收机以最大概率捕获光子。与基模高斯光束相比,采用TEM₁₀模拉盖尔-高斯光束的优点是,不会由于卫星运动而增加单光子捕获概率的损耗。     

拼接子镜系统计算机辅助装调研究

为了提高拼接子镜系统的装调精确度,研究了拼接子镜系统的计算机辅助装调技术,分析了拼接子镜系统的计算机辅助装调模型,采用反向优化法编写程序求解系统失调量.以37项泽尼克系数作为评价函数.当粗调误差在0.7°以内时,完全可以精确求解失调量.结果表明,求解结果准确度高,符合实际装调要求.     

结构光测量中的高精度相位误差补偿算法

在模拟分析投影仪伽马非线性对相位误差影响的基础上,提出一种直接分析投影光栅特征并建立相位误差查找表的算法.对相位误差进行补偿.该算法通过分析一组投射到标准白色平板上的光栅图像,确定光栅相位值与相位误差的对应关系,并量化存储在一个查找表中,测量过程中使用查找表对相位误差进行补偿.实验结果表明.该方法可大大降低由投影仪伽马非线性引起的相位误差,系统测量精度达到0.043 mm,比误差补偿前提高了5.6倍.     

基于反向旋转位相板的共形光学系统设计

在共形光学系统中,椭球形整流罩打破了球形整流罩的旋转对称性,引入了随目标视场变化而变化的动态像差。共形光学设计的主要任务就是消除或者减小椭球形整流罩引入的动态像差,使共形光学系统的成像质量满足使用要求。设计了基于反向旋转位相板的共形光学系统,利用一对反向旋转位相板的反向旋转对目标视场进行动态扫描,利用固定校正器、衍射元件和泽尼克位相板校正了椭球形整流罩引入的动态像差。成像系统采用二次成像的透射式结构,实现了冷光阑效率100%。结果表明:该方法不仅有别于传统扫描方式,而且有效地消除了大长径比的共形光学系统的动态像差。     

双光头多层数据存储系统同步聚焦误差检测

为实现共焦双光头多层数据存储系统,需要对双光头同步聚焦误差进行检测,以确定聚焦伺服跟踪精度,验证系统的可行性。首先利用几何光学的ABCD变换矩阵计算双光头输出能量与光头间距离的关系,确定其线性工作范围;其次通过输入不同频率的正弦信号驱动音圈电机,获得静止状态、下光头运动状态以及双光头同步运动状态下,四象限探测器的输出信号;最后对输出信号进行频域分析,可计算得到由于双光头参量失配而导致的同步聚焦误差在不同频率下的幅值。实验结果表明,在20 Hz、峰-峰值0.5 V正弦信号作用下,同步聚焦误差幅值在1μm以下,可以满足共焦双光头多层数据存储系统的聚焦伺服跟踪要求。     

Influence of Phase Drift on Optical Coherence Tomography Using a CCD Camera-Based Heterodyne Detection Technique

The performance of a two-dimensional heterodyne detection technique in optical coherence tomography (OCT) was studied. This technique, which is based on the frequency synchronous detection method, enables the use of an imager such as a charge coupled device (CCD) camera as a heterodyne sensor array, so that horizontal cross-sectional image can be acquired in real time without lateral scanning. OCT measurements of scattering media including a biological object were demonstrated. To evaluate the influence of phase fluctuations on the present technique, we measured and analyzed the statistical relative-standard-deviation of heterodyne signal intensity as a function of the random phase shifts between two consecutive CCD frames. Practical limitations in the signal stability and possible solutions are discussed.     

相干检测定向系统探测误差研究

分析了探测系统中存在的高斯白噪音和激光器相位噪音的统计特性,研究它们对探测系统性能的影响.计算结果表明只要维持足够低的激光器相位噪音就能实现高准确度的光束定向.