两种自适应光学系统中哈特曼波前传感器与变形镜的对准误差

利用直接波前斜率法和变形镜的电压一面形响应特性，研究了常规自适应光学系统和共光路／共模块(CP／CM)自适应光学系统中哈特曼波前传感器与变形镜的对准误差。常规自适应光学系统中，可以用重新测量变形镜的影响函数以减小对准误差的影响，虽并不能消除其影响，但系统都会有很大的调整容差；共光路／共模块自适应光学系统中采用不同的双哈特曼数据处理方法，哈特曼波前传感器与变形镜的对准精度对系统校正能力影响是不同的，采用加修正因子斜率融合法和电压融合法由于在数据融合时考虑了两台哈特曼传感器与变形镜对准的差异，所以对准误差的影响与在常规自适应光学中相同，系统都会有很大的调整容差，而采用直接斜率融合法的共光路／共模块系统由于是建立在两台哈特曼传感器完全一致的假设基础上，所以对对准精度的要求是很高的。分析过程中给出了相应的数值计算结果。     

自适应光学系统的最优斜率复原算法

分析了自适应光学系统的波前斜率校正效果，综合大气湍流扰动和测量噪声的统计特性，在最小二乘复原算法的基础上推导得出一种形式简洁、易于实际操作的最优斜率复原算法。在大气湍流波前扰动条件下，对这种最优斜率复原算法的补偿效果和工作稳定性进行了计算研究。     

用数字干涉仪测量变形镜影响函数的实验研究

分析了变形反射镜面形影响函数的意义，鉴于自适应光学系统中波前探测大都以测量波前斜率为基础的特点，提出应研究斜率影响函数，并在此基础上构成波前复原矩阵。还介绍了用数字干涉仪测量变形镜影响函数的方法和结果，并对测量结果进行了分析，得到了影响函数的各种参数，例如：交连值，高斯指数，特征宽度等。并将干涉法测量斜率影响函数的结果与实际的哈特探测器的测试结果进行了比较。     

一种自适应光学系统响应矩阵的直接计算方法

提出了一种自适应光学系统响应矩阵的直接计算方法.通过分析特征驱动器斜率影响向量的实测值与理论值的相关性估计波前校正器与波前探测器的对准误差,得到了更接近实际情况的响应矩阵.实验结果表明,考虑对准误差后计算出的响应矩阵能够有效地进行闭环校正.     

直接斜率法波前拟合和复原误差的仿真分析

报道了利用数值仿真方法对自适应光学系统补偿激光传输湍流效应中的波前拟合和复原误差的计算分析。计算结果表明，在利用波前斜率进行波前复原的实际自适应光学系统中，波前复原误差是利用波前最小方差法计算的波前拟合误差的１．２４倍。     

一种结合图像复原技术的自适应光学系统控制方法

在天文高分辨成像领域,自适应光学校正和事后图像复原都必不可少,但传统的自适应光学系统控制方法以提升光学成像质量为目的,并未考虑图像复原环节,因此,研究一种结合两者以获得高质量复原图像为目标的控制方法具有重要意义.本文对传统自适应光学技术结合事后图像解卷积的方法进行了分析,阐述了其存在的缺陷.首次提出了将自适应光学技术和图像复原技术相结合进行系统分析的思想,并提出了变形镜校正度(变形镜控制电压相对于传统方法控制电压的缩放比例)的概念,通过改变校正度可实现变形镜校正残差和波前传感器探测误差的调整,同时证明了复原图像质量在校正度下降的方向存在一个最优值,用最优校正度来修正变形镜控制电压,就得到了一种新的控制方法.针对点源目标成像,仿真表明该方法相比于传统方法,能够得到质量更好的复原图像.     

无调制两面锥波前传感器的衍射理论分析和数值仿真

两面锥波前传感器(two-sided pyramid wavefront Sensor,TSPWFS)是一种高空间采样率和高光能利用率的波前传感器.为了深入研究它的波前复原原理,采用波动光学理论详细推导了无调制TSPWFS的衍射理论,给出了无调制TSPWFS波前复原时线性重构矩阵的解析解,并且通过数值仿真确定出最佳的光瞳像中心间距,并对静态像差的波前复原及闭环校正进行数值仿真.分析结果表明,无调制TSPWFS具有波前复原时不需要现场测量响应矩阵,可以校正系统像差,闭环校正结果稳定等优点,可以在实际自适应光学系统中进行波前探测. 关键词： 自适应光学 两面锥波前传感器 波前复原     

自适应光学波前计算的并行性研究

在自适应光学系统中,波前计算是指出由波前斜率计算,波前复原运算以及波前控制算法等组成的一类处理任务本文研究了从波前计算算法表达层到结构层的优化映射的实现方法,根据现有的并行计算理论提出了适用于波前计算的两种基于单指令流多数据流（ＳＩＭＤ）结构的并行算法,倍增算法和分组算法。在此基础上,以乘－累加（ＭＡＣ）时间和输入／输出（Ｉ／Ｏ）时间作为衡量算法性能的两个指标,在通用数字信号处理ＤＳＰ芯片构筑的单     

光波相位不连续点的探测

提出了同时利用哈特曼波前传感器测量的子孔径波前斜率和光强数据进行信标光相位复原的改进算法,并在此基础上对实测的斜率数据进行分析,结果表明在强湍流效应情况下,信标光相位中存在不连续点。     

Hartmann－Shack传感器结构参量的自基准标定

提出一种标定Hartmann Shack波前传感器结构参量的新方法,通过基于Zernike多项式的模式复原算法推导出公式,结合实验手段获得相应数据,处理后得到微透镜阵列到CCD之间的距离.该方法有效改善了以微透镜焦距代替实际参量计算斜率引入较大误差的状况,在降低传感器装配准确度要求的同时,提高了Hartmann Shack波前传感器的探测准确度.经实验验证该方法在一般实验条件下即可获得满意效果.     

Pointing error due to retroreflector array in compact common path/common mode adaptive optical system

Pointing errors due to retroreflector arrays in compact common path/common mode adaptive optical systems are studied theoretically and experimentally. A mathematical expression for calculating the maximum pointing error is derived. The maximum pointing error is determined using the following factors: the number of subapertures of the retroreflector array, the RMS value of the slope of the retroreflector aberration, and the RMS and mean values of the transmitted beam intensity distribution. The principle behind the effect of the retroreflector array on the pointing error of the CP/CM system is discussed in this paper. Experimental results show that (i) the intensity nonuniformity significantly affects the pointing error, with the exception of the retroreflector aberration when the retroreflector array for the CP/CM system was designed, (ii) the pointing error can be controlled to sub-microradian levels.     

交连值对斜率响应矩阵和迭代矩阵稀疏度的影响

基于529单元自适应光学(AO)系统,分析了变形镜到哈特曼波前传感器的斜率响应矩阵的稀疏特性、波前复原中迭代矩阵的稀疏特性.在变形镜驱动器间距不变的条件下,研究了驱动器交连值对斜率响应矩阵稀疏度、迭代矩阵稀疏度以及AO系统校正能力的影响.研究表明,斜率响应矩阵和迭代矩阵的稀疏度随交连值的增大而减小;交连值过大或者过小都会影响AO系统的稳定性和校正能力.最后,综合斜率响应矩阵和迭代矩阵的稀疏度、系统稳定性和校正能力,给出了交连值的合理取值范围.     

Wavefront response matrix for closed-loop adaptive optics system based on non-modulation pyramid wavefront sensor

Pyramid wavefront sensor (PWFS) is a kind of wavefront sensor with high spatial resolution and high energy utilization. In this paper an adaptive optics system with PWFS as wavefront sensor and liquid-crystal spatial light modulator (LC-SLM) as wavefront corrector is built in the laboratory. The wavefront response matrix is a key element in the close-loop operation. It can be obtained by measuring the real response to given aberrations, which is easily contaminated by noise and influenced by the inherent aberration in the optical system. A kind of analytic solution of response matrix is proposed, with which numerical simulation and experiment are also implemented to verify the performance of closed-loop correction of static aberration based on linear reconstruction theory. Results show that this AO system with the proposed matrix can work steadily in closed-loop operation.     

Measurement of Wavefront Aberration of Human Eye Using Talbot Image of Two-Dimensional Grating

The measurement of human ocular aberration is now frequently performed because of the increase in refractive surgery on the human cornea. The Hartmann-Shack (H-S) wavefront sensor is considered to be the most useful wavefront sensor, and a calculation method for wavefront aberration has been established. New methods of measuring wavefront aberrations of human eyes, using the Talbot image of a two-dimensional grating as a wavefront sensor and local shift of the Talbot image to calculate tilt of the wavefront are shown. The shift of the Talbot image was determined by comparing the phases of fundamental spatial frequency between the grating and the local patch of the Talbot image by Fourier transformation. The actual experiment was performed using a modified commercially available wavefront analyzer. Using these methods, Talbot images were obtained from model eyes and a human eye, and wavefront shapes were successfully reconstructed. Wavefront aberrations can be measured even when the obtained image is degraded by defocusing or scattering.     

基于线性相位反演技术的自适应光学闭环实验研究

利用成像光学系统、变形镜、装有图像采集卡和D/A卡的PC机等建立了一套基于线性相位反演技术的自适应光学闭环实验系统.在Windows操作系统下用VC完成图像处理和控制算法.利用一台高测量精度的哈特曼传感器测量波前信息并评价自适应光学系统的校正效果.在不同像差大小状态下研究了这种基于线性相位反演技术的自适应光学系统的像差校正能力.收敛速度,稳定性等.实验结果表明,基于线性相位反演技术的自适应光学系统对静态小像差有较好的校正效果.     

脉冲压缩光栅光路调节新方法研究

介绍了一种简单而实用的大口径脉冲压缩光栅光路调节方法,有效解决了普通光路调节方法中轴向调节精度不高的问题。首先由全息透镜(光栅)成像公式出发,推导出了该光路调节的基本原理。并从光栅记录系统与光栅衍射波像差的关系,结合初级像差理论推导得出叠栅条纹像差为0.4786λ,大约是光栅衍射波像差(0.25λ)的两倍,利用此关系也可对光栅衍射波像差进行实时监测。从数值模拟结果可知,利用叠栅条纹法调节光路可将光栅波像差减至0.06λ,相应的轴向误差量为0.007 mm,可有效提高了轴向调节精度。     

纯相位液晶空间光调制器拟合泽尼克像差性能分析

纯相位液晶空间光调制器作为波前校正器构成的高分辨率、低能耗、价格低廉、易于控制的自适应光学系统受到越来越多的关注.作为一种新型波前校正器件,它对波前像差的校正能力是反映其在自适应光学系统中应用的一个重要的指标,因此有必要仔细地研究它对各种像差的校正能力,以确定其可能的应用范围.波前校正器对各阶泽尼克像差的拟合效果有效地反映了该器件对不同像差的校正能力.利用256×256像素的纯相位液晶空间光调制器(LC-SLM)产生不同系数的前36项泽尼克像差分析LC-SLM对不同像差的校正能力.讨论了填充因子、离散像素 关键词： 液晶空间光调制器 相位调制 自适应光学 泽尼克多项式     

直接液体冷却薄片激光器中抽运光均匀性对光束波前畸变的影响

近年来,直接液体冷却薄片激光器因其体积功率比小,热管理能力强等优势而成为研究热点.本文建立了一套直接液体冷却薄片激光器波前畸变的分析方法.应用该方法研究了直接液体冷却薄片激光器中抽运光均匀性对光束波前畸变的影响.计算分析了均匀性为92%, 80%和70%,且总的抽运功率不变时,激光器高阶像差分布情况.随着均匀性逐渐减弱,激光器中高阶像差逐渐增强,低阶像差量基本保持不变.实验中,设计加入波导和未加入波导结构,构建了均匀性为92%和70%的抽运光分布,分别测量了两种情况下的波前抖动情况以及波前畸变分布,抽运功率为5 k W时,测量获得了整个增益模块的光程差高阶分量(OPD_H),其畸变量均方根(RMS)值为0.66μm和0.79μm,实验结果和理论分析结果基本趋势一致.     

遗传算法在自适应光学系统中的应用

为了校正激光光束的波前像差,建立了一套无需直接探测波前信息的自适应光学(AO)系统模型,提出了一种基于实数编码的高斯变异的遗传算法(GA)用来控制61单元压电变形镜补偿波前像差,并仿真利用此算法控制61单元变形镜校正由变形镜本身产生的像差。结果表明,这种算法能够找到补偿各种像差所需的变形镜的最优面型。像差校正后,焦平面的峰值光强最多能够提高30倍。环围斯特尔比值(Strehl ratio)最多能够从校正前的0.032提高到0.96,变形镜61个驱动器后的电压值收敛性能良好。