曲率波前传感器探测高斯光束时的信号误差

曲率波前传感器已被用于天文自适应光学和光学度量等领域。在这些领域使用时都假设入射波前光强均匀,但这种假设与曲率传感技术的基本原理不一致。利用傅里叶光学理论,给出了光强不均匀情况下曲率波前传感器的曲率信号解析式,并利用光强均匀和不均匀情况下的信号表达式对探测高斯光束时的信号误差进行了数值分析。结果表明：曲率波前传感器探测高斯光束时存在一定误差,相位分布为4阶Zernike多项式时,误差最大,且阶数越高,误差越小;分区平均曲率信号误差较小,一般在10％以下。     

光强非均匀分布对波前曲率传感器的影响

为了将波前曲率传感器用于涉及激光波前的领域,理论分析了非均匀光强入射条件下的曲率传感器测量信号。用菲涅耳衍射公式,数值计算了相位分布为前10阶泽尼克多项式,光强为高斯分布和正态随机分布闪烁的曲率传感器信号,并和相同相位分布,光强均匀情况下的传感器信号比较。分析表明光强非均匀分布给波前曲率传感器测量信号带来了一定的误差。光强高斯分布对散焦相差的曲率信号影响较大,信号百分比误差达到25%,对其他相差的曲率信号影响很小;对于有正态随机分布闪烁的光强分布,信号百分比误差与正态随机分布的均方差成线性关系。在一定条件下,波前曲率传感器也能够用于光强非均匀分布的领域。     

自适应光学曲率波前传感器的衍射理论及其方案分析

曲率波前传感器是自适应光学中的一种很有前途的新型波前传感器。在对衍射理论和几何光学进行近似的基础上,研究了曲率波前传感器的理论分析方法,分析了曲率波前传感器的光学方案和信号获取方法。结果表明,从曲率传感器输出的信号经放大后可直接作为力或弯曲力矩施加到反射镜上,而不需要任何复杂的计算。变形镜可自动地向满足泊松方程的表面形状会聚。利用曲率传感器与双压电晶片反射镜的结合,有望获得一种低价、快速闭环控制的系统。     

偏置模式波前传感器光强信息提取及输出信号对比分析

 在小像差近似下,对偏置模式波前传感器进行了理论分析,明确了该传感器的适用条件,对比分析了3种信息提取方式和3种传感器信号输出方式的优劣。针对Zernike像差模式,数值模拟研究了传感器对单阶和多阶模式的响应特性。结果表明,畸变波前中与偏置模式相同或相关的模式之间有响应,但传感器对各阶Zernike模式的响应灵敏度不同,而且不相关模式的存在对传感器输出信号和灵敏度均有影响。     

基于衍射光栅曲率波前传感器的实时波前重构研究

自适应光学系统要求波前传感器能实现动态实时测量,曲率波前传感技术符合这一发展要求。一种新型的基于扭曲衍射光栅的曲率波前传感器在探测装置的实现方法方面具有较大优势,其波前重构已应用于光学度量。根据衍射光学理论,对其探测信号进行数值模拟,并利用Neumann边界条件的Green函数法对其波前重构进行数值模拟。结果表明：Green函数法归结为2矩阵相乘,计算速度快,达到实时重构要求; Green函数法对阶数不高的Zernike多项式重构效果较好;影响重构误差的主要因素是光强梯度的边界噪声。     

偏置模式波前传感器光强信息提取及输出信号对比分析

在小像差近似下,对偏置模式波前传感器进行了理论分析,明确了该传感器的适用条件,对比分析了3种信息提取方式和3种传感器信号输出方式的优劣。针对Zernike像差模式,数值模拟研究了传感器对单阶和多阶模式的响应特性。结果表明,畸变波前中与偏置模式相同或相关的模式之间有响应,但传感器对各阶Zernike模式的响应灵敏度不同,而且不相关模式的存在对传感器输出信号和灵敏度均有影响。     

夏克-哈特曼波前传感器的波前相位探测误差

对夏克－哈特曼（Ｓｈａｃｋ－Ｈａｒｔｍａｎｎ）波前传感器的相位探测误差进行了分析,并分析了它的政论相位探测极限,分析结果表明,夏克－哈特曼波前传感器的相位探测精度与探测器的噪声水平,探测目标的亮度有关,还与被探测对象的特性、孔径波前分割有关。给出了它们的关系表达式。     

相位光栅型波前曲率传感器

研制了一套相位光栅型波前曲率传感器。实验结果表明,相位型散焦光栅能消除零级衍射光的干扰,正负一级衍射光的衍射效率达到49%。用相差板引进波前畸变,进行了波前测量实验。用格林函数算法进行了波前恢复,并和Veeco检测结果进行了比较。制备的光栅型波前曲率传感器测量结果正确,峰谷值存在10%的误差,均方根值存在2%的误差。     

相位光栅型曲率传感器的波前校正算法

针对相位光栅曲率传感器能够测量波前曲率在光瞳面上分布的特点,提出了一种采用整个空间分布的曲率信号来实现波前校正的算法。用曲率型变形镜影响函数的曲率信号在光瞳面上的分布来拟合待校正波前的曲率信号,采用最小二乘方法得到变形镜的控制电压,实现波前校正过程。数值模拟了一种41单元曲率型自适应光学系统采用该算法的波前校正过程。结果表明,对4至28阶Zernike像差体现了校正效果,对曲率为0的Zernike像差校正效果略好于曲率不为0的Zernike像差。与传统分区法的校正效果相比,整体法对Zernike像差的校正效果基本相当。整体法无需对光瞳面上的曲率信号进行与电极分布相同的分区,降低了对系统校准的要求。     

环形光斑的波前传感器与波前校正器优化布局

针对自适应光学系统常遇到的环形光斑，仿真研究了波前传感器子孔径的六种环形布局，得出了环形布局的指导原则，并将环形布局与传统的方形布局进行了比较，认为环形布局更适合于环形光斑．     

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.     

ICCD型与CCD型弱光哈特曼-夏克波前传感器的性能分析与对比

哈特曼－夏克（Ｈａｒｔｍａｎｎ－Ｓｈａｃｋ）波前传感器由于其光能利用率高、结构简单、通道容量大等突出优点,是目前自适应光学系统波前传感器的主流形式。本文深入分析和比较了目前普遍采用的ＩＣＣＤ型和ＣＣＤ型这两种主要类型的弱光哈特曼－夏克波前传感器的特点和波前相位探测精度,导出了定量分析数学模型,给出了实验结果。此研究结果对弱光哈特曼－夏克波前传感器的技术方案选定和工程设计有指导意义。     

模式正交性对哈特曼-夏克传感器波前测量等的影响

分析了哈特曼-夏克波前传感器采用模式法重构波前相位算法的数学模型，仿真实验了重构模式之间不正交对重构精度的影响，指出模式之问的不正交不影响算法的实现。在哈特曼一夏克传感器应用模式法进行波前测量和波前校正的过程中，模式之间的正交性并不是算法实现的必要条件，正交化处理算法对波前重构、波前校正精度的提高没有影响。     

全息模式波前传感器的像差探测

利用标量衍射理论对全息模式波前传感器进行了深入分析,给出了传感器输出面的衍射场光强表达式,从而与模式偏置波前传感器理论统一起来。为了便于对全息模式波前传感器进行模拟,利用两共轭倾斜平面波代替倾斜聚焦球面波作为全息记录时的参考波,并在紧贴全息元件后放置聚焦透镜,从而建立全息模式波前传感器的等效模型。然后利用数值模拟方法对全息模式波前传感器的工作原理进行验证,结果表明全息模式波前传感器的灵敏度高、速度快。     

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.     

哈特曼-夏克波前传感器子孔径合并的理论研究

在大气湍流条件较好而被探测信标光信号极弱的工作条件下,自适应光学系统在实际的应用中需要采用子孔径合并的部分校正方式。本文针对云南天文台1.2m高分辨率自适应光学系统中的哈特曼－夏克（Hartmann-Shack ）波前传感器结构,从光子起伏噪声和CCD像素读出噪声对子孔径内哈特曼光斑质心探测精度的影响的角度,对子也径软件合并和硬件合并两种方案进行了理论分析和计算,导出了有实际应用意义的结论。