基于单幅干涉图的波前重构技术研究

条纹中心法是干涉测量技术中分析单幅干涉图的一种重要处理方法,该方法主要包括图像预处理、波前重构和样品表面形貌及参数的测量等三个部分。研究了条纹中心法的关键技术,特别是应用协方差矩阵法求解泽尼克多项式以进行波前重构的过程。提出了基于单幅干涉图自动波前重构的流程方法。最后应用该流程方法处理由泰曼-格林干涉系统采集的精密抛光铝制盘基片表面形成的一幅干涉图像。实验结果表明,该方法可以实现单幅干涉图的自动波前重构,干涉波前重构的拟合精度可达1．4686×10^-6nm,还可以自动获得精密抛光铝制盘基片表面的形貌及参数。     

基于泽尼克多项式的单压电变形镜PID控制

为了提高变形镜的控制精度及简化控制, 提出采用基于泽尼克(Zernike)多项式的PID控制算法, 实现对单压电变形镜的闭环反馈控制. 首先, 建立基于Zernike多项式的PID闭环控制模型. 其次, 搭建基于哈特曼波前传感器的自适应光学测试平台, 使用62单元单压电变形镜进行闭环控制实验. 最后, 通过相位片模拟扰动像差, 并对扰动像差进行实时PID闭环校正. 实验结果表明: 在相位片旋转速度和外界扰动像差相同的条件下, 采用基于Zernike多项式的PID控制算法对波前像差进行校正, 比采用直接反馈方法校正精度提高了50%左右. 证明采用基于Zernike多项式的PID控制算法能提高单压电变形镜动态像差的校正精度以及简化控制系统.     

腔内像散扰动对正支共焦腔模式影响的数值分析

 针对激光器出光过程中腔内像差扰动带来的输出光束质量和光束能量下降问题,分析了腔内像差扰动对非稳腔模式的影响,并采用数值迭代法计算了理想情形和腔内像散扰动对无源正支共焦腔输出模式强度和相位分布的影响,进一步采用Zernike模式法对光束相位进行了像差拟合,得到了前35阶Zernike像差系数、点扩散函数(PSF)分布和环围能量曲线,计算了腔内像散扰动量与远场Strehl比的关系。结果表明：对小菲涅耳数正支共焦腔,腔内像散扰动对输出光束强度和相位分布均有明显影响,相位分布中一些高阶Zernike像差也有所增大。因此在进行腔内像差校正时,应优先考虑此类像差的校正。     

基于光机集成仿真技术的摆镜特性分析

为考察相关跟踪系统摆镜在静力和动力载荷工况下面形参数是否满足工程需求,基于光机集成仿真技术对相关跟踪摆镜特性进行了分析,得到了在静力和时间历程载荷所对应的三种工况下的面形变化分布和面形表征参数,并对仿真结果的数据可靠性进行了数值角度验证。结果表明,光机集成仿真方法可以有效地消除由动力载荷产生的主动刚体位移,可得到摆镜面形参数和在动力载荷作用下不同时刻的摆镜面型变化,弥补了在实验条件下难以测得由动力载荷作用的面形参数和面形分布情况。当1g加速度载荷在摆镜光轴方向上时,静力载荷对面形的影响起主导作用;当1g加速度载荷不在摆镜光轴方向上时,动力载荷对面形的影响起主导作用。通过光机集成仿真结果对所设计的摆镜在相应工况下的面形进行有效评估,获得了有意义的设计指导数据。     

基于Zernike多项式进行波面拟合研究

基于Zernike多项式利用Householder变换法对不同空间频率径向误差和不同口径局部误差进行了拟合,得到了拟合误差的均方根(RMS)值,分析了Zernike多项式的局限性。结果表明,Zernike在拟合径向误差时,受到最大空间频率的限制;在拟合局部误差时要受到局部误差口径大小的限制,并且会引起额外的波动。     

基于固定校正元件的凝视型共形光学系统设计

为提高凝视型共形光学系统的成像质量,提出了采用共形整流罩内表面设计与Zernike Fringe Sag面固定校正板设计相结合的固定校正方法。根据建立的入射光线与出射光线方向的偏离角与整流罩参数的关系,设计整流罩内表面参数,减小共形整流罩引入的部分像差。在此基础上,利用Zernike Fringe多项式各项与像差的对应关系,构建Zernike Fringe Sag面固定校正板。基于该设计方法设计了一个凝视型共形光学系统,其F数为1,焦距f为30 mm,观察视场为±35°。分析了校正前后系统的像差特性。设计结果表明,该方法有效地减小了共形光学系统存在的主要像差,整个观察视场范围内调制传递函数(MTF)曲线在17 lp/mm处均达到0.748以上,成像质量良好。     

激光原位角膜磨镶手术后不良症状的光学分析

测量了准分子激光原位角膜磨镶(LASIK)手术后人眼的单色像差。并根据术后症状,将所有数据分类为视物星芒状组、单眼复视组、视物雾状组和参考组。视物星芒状组和视物雾状组的三阶和四阶泽尼克(Zernike)像差的均方根(RMS)值明显大于无症状的参考组。术后有不良症状各组的人眼的调制传递函数(MTF)明显低于参考组的调制传递函数。在明视觉条件下,四阶像差特别是对称性的泽尼克球差,对调制传递函数的影响大;而在暗视觉条件下,三阶像差特别是非对称性的泽尼克彗差对调制传递函数的影响大。四阶以上的高阶像差对各有症状组的调制传递函数曲线有影响,而这些高阶像差对参考组的调制传递函数已无明显影响。像差的均方根值和调制传递函数曲线是研究术后不良症状的较有效光学手段。     

直接斜率波前控制算法的模式校正效果分析

建立了采用直接斜率波前控制算法的自适应光学系统中各阶泽尼克模式间的动态关系,通过对比系统对大气湍流畸变波前各阶泽尼克模式的功率谱抑制函数,揭示了采用直接斜率波前控制算法的自适应光学系统中各阶模式校正效果间的差异,并初步分析了造成这种差异的原因。用在61单元自适应光学系统上取得的实验结果验证了理论分析结果。     

利用泽尼克系数求取衍射光栅的分辨本领

光栅分辨本领检测设备的焦距通常达几米甚至十几米,采用直接测量法难度大、成本高,利用衍射波前间接求取光栅分辨本领是解决该问题的有效途径之一。在光栅光谱成像傅里叶变换理论基础上,建立了利用泽尼克多项式拟合系数求解衍射光栅分辨本领的归一化模型,揭示了光栅衍射波前与分辨本领的求取关系,提出了依据泽尼克多项式拟合系数求取衍射光栅分辨本领的新方法。根据该方法实测了一块衍射光栅的分辨本领,并与直接测量法进行对比测试。结果表明该方法误差小于4.42%,降低了分辨本领的测试难度,是衍射光栅分辨本领求取的有效手段,应用于ZYGO干涉仪等仪器中,通过简单的波前测试即可得到定量的衍射光栅分辨本领指标。