基于PI迟滞模型的单压电变形镜开环控制

压电非线性迟滞导致压电变形镜的开环控制精度及闭环工作带宽降低,限制了其在自适应光学系统中的应用。为克服迟滞影响,提出采用PI迟滞模型描述单压电变形镜的迟滞非线性特性,实现单压电变形镜的高精度开环控制。首先建立PI迟滞数学模型,利用最小二乘法辨识PI迟滞模型的权值,计算出PI逆模型的权值和阈值,从而获得消除迟滞后的变形镜控制电压;接着搭建了基于哈特曼波前传感器的自适应光学测试平台,采用单压电变形镜的环形致动器进行离焦面形的开环控制实验。实验结果表明,经过迟滞消除后变形镜的电压-变形迟滞由9.3%降低到1.2%,离焦面形的开环重构精度提高70%以上,证明该迟滞模型可有效应用于单压电变形镜的开环控制。     

基于单压电变形镜的可控环形焦斑整形

为了实现可控环形焦斑的整形,提出了一套基于单压电变形镜的整形方法。首先结合波前衍射理论和随机并行梯度下降算法模拟迭代出环形焦斑整形所需的调制相位,进而利用波前传感器探测光束的波前信息,控制变形镜重构目标光斑对应的调制相位,实现聚焦光斑的整形。搭建了一套基于62单元单压电变形镜的光斑整形实验平台,采用焦平面上的CCD记录远场聚焦光斑。实验结果表明,该方法实现了对不同直径(0.32,0.4,0.6 mm)和宽度(0.05,0.08,0.1mm)环形焦斑的整形,可有效应用于激光束整形。     

内压作用下蒸汽发生器扇环形组合管板应力分析

针对核电工业中大直径蒸汽发生器管板开展研究,提出一种采用组合式管板替代现有整体管板的方法,并针对这种组合式管板进行应力分析。这种组合式管板由若干扇环形管板单元组成。针对组合式管板的管板单元建立有限元模型,采用数值分析方法研究了扇环形管板的应力分布状况,并与不开孔的扇环形板在简支和固支条件下的应力分布情况进行了对比。分析结果表明,扇环形管板的应力分布状况与承受纵向均布载荷的矩形板较为接近,最大应力值出现在扇环形板的中心部位,周边存在一定的边缘应力。在远离开孔的部位,扇环形管板的应力情况与简支和固支情况下不开孔扇环形板的应力情况相近,但在开孔周边,应力明显偏离简支和固支条件下的应力分布曲线。扇环形管板中开孔造成的应力集中情况与矩形板开孔造成应力集中情况存在较大的差别,因此,分析扇环形管板的应力分布情况,其关键在于对开孔周边的应力集中进行分析。     

137单元变形镜性能测试及校正能力实验

自制了一个137单元分立促动器的连续镜面式变形镜,用于自适应光学相关技术的研究。首先,利用Zygo激光干涉仪对变形镜的静态性能进行了测试,包括面形测试、单个促动器的响应测试和耦合测试;然后,针对变形镜的校正能力,分别进行了Zernike多项式拟合和展平测试,并利用自适应光学实验平台实验验证了变形镜的校正能力;最后,利用搭建的快速响应测量平台测试了变形镜及其驱动电路的动态响应性能。测试及实验表明,137单元变形镜静态展平后的面形RMS值优于λ/50,PV值优于0.18λ（λ=632.8 nm）;能够对前7阶Zernike多项式进行较好的拟合和校正;变形镜及其高压驱动器的动态响应优于1 kHz;该变形镜能使系统的Strehl ratio从小于0.1提高到优于0.9,明显改善了系统的成像能力。     

小形变变形镜的设计及其在低像差脉冲压缩光栅中的应用

考虑激光脉冲啁啾放大与压缩技术要求脉冲压缩光栅有较低的像差,设计并制作了一个小形变变形镜来补偿大口径光栅基板加工残余的亚微米级静态像差对光栅波像差的影响。该变形镜有效口径为80mm、厚度为5mm,包含19个分立式压电促动器。采用干涉仪测量得到各个促动器的响应函数,构建了变形镜的刚度矩阵;采用最小二乘法求解出获得目标面形时各个促动器上所需施加的控制电压;通过整体优化和局部优化的结合,使变形镜的目标面形得到了有效控制。应用该变形镜构建了主动式全息光学记录系统,并选用具有较大像差的基板开展了光栅像差补偿实验。实验显示,对残余像差为~0.93λ的基板,采用变形镜后制作出了残余波面PV可达0.14λ(@633nm)的脉冲压缩光栅,验证了小形变变形镜在光栅基底像差补偿上的有效性。     

几种分立式微变形镜的性能模拟与比较

采用形状函数法描述变形镜校正时的曲面,从适配误差、Streh l比两方面比较了四种不同单元排列方式的微变形镜。结果表明方形与砖形排列的微变形镜设计简单,但波前校正性能较差;圆形及蜂窝形微变形镜具有较高的波前校正性能,但设计加工复杂。     

模拟退火-爬山混合算法用于无波前传感器快速像差校正

为了校正激光光束波前像差,建立了一种基于压电微变形镜的自适应光学系统。提出了用模拟退火-爬山混合算法来控制系统中37单元单压电片变形镜,补偿激光光束波前像差,实现对光斑的快速校正。提出的混合算法先使用模拟退火算法为爬山法提供一个较好的校正起点,再用爬山法对像差进行精确校正,仅需要少量的模拟退火迭代过程即可提供一个好的校正起点。由于精确校正阶段的爬山法速度快,因此获得相同校正效果需要的迭代次数比普通模拟退火算法减少了50%以上;同时由于爬山法校正起点较好,大大降低了进入局部最优值的可能。最后,实验验证了模拟退火-爬山法对激光光束波前具有更佳的校正效率。     

集成应变反馈层的横向压电驱动变形镜面形预测及闭环控制

作为校正光学像差的主要器件,横向压电驱动变形镜在自适应光学系统中应用十分广泛。哈特曼等波前传感器通过反射光得到镜面面形,然而并没有直接反映压电陶瓷的工作状态,并且这些波前探测器增加了系统的成本。以单层横向压电变形镜为对象,建立了压电陶瓷驱动器单电极的横向应变与镜面变形之间的映射关系。制备了集成应变层的单电极横向压电变形镜,进行静态面形预测实验。预测结果表明,添加应变反馈层能够预测单电极的影响函数,拟合误差在7.3%以内。模型的主要误差源是压电陶瓷的迟滞非线性,采用PID控制器对变形镜驱动陶瓷的应变输出进行了闭环控制,镜面位移迟滞率降低至1.74%。针对超连续谱光纤激光器像差进行了闭环校正分析,相比于开环和哈特曼的校正结果,校正精度提升至0.79,实现了横向压电变形镜无波前探测校正像差的一种新方式。     

变形镜面形影响函数的有限元仿真

在自适应光学系统仿真分析中,变形镜的面形影响函数通常采用高斯函数近似,由于实际变形镜受驱动器排布影响,其面形影响函数与高斯函数存在出入,以致用高斯函数拟合波面时带来高阶像差。文中利用有限元方法,仿真变形镜的面形影响函数,并与高斯函数进行了比较,证明所建立的变形镜有限元模型能更实际地反映变形镜的波面校正能力。     

微变形反射镜主要性能测试研究

微变形反射镜(MEMS-DM)是用于自适应光学中波前校正的重要元件。测试实验中对37单元微变形反射镜的光学影响函数矩阵进行了推导和全面测量,从而验证了其叠加性。由光学影响函数推导出了微变形反射镜的控制电压矩阵,利用电压矩阵校正了变形镜的初始面形。最后,对微变形镜校正波前畸变能力进行了测量和评估,得出关于优化微变形镜设计相关方面的一些结论。     

349单元自适应光学波前处理器

为了满足大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统校正频率和成像质量的要求,本文设计了一套349单元自适应光学波前处理系统,该系统在349单元变形镜自适应光学系统上实现了1 500Hz的波前校正频率。设计了以控制计算机、FPGA波前斜率处理器、GPU矩阵乘法处理器以及模块化数模转换机箱等作为主要部件的实时波前处理器,报道了349单元变形镜自适应光学系统对动态像差的闭环校正结果,实验中对模拟大气相干长度r_0为6cm,格林伍德频率为160Hz的大气湍流实现有效校正,自适应光学系统闭环后,波前像差的1 000帧平均均方根值由1.07λ(中心波长600nm,后同)下降至0.11λ。本文设计的349单元变形镜自适应光学系统能够在1 500Hz的波前校正频率下有较高的成像质量,波前处理延时优于235μs。功率谱分析结果表明自适应光学系统对100Hz以下的波前畸变具有明显的校正效果。     

液晶-变形镜自适应光学系统的数据采集与处理软件设计

为了提高自适应光学系统科研人员的工作效率,满足自适应光学系统向高低阶多波前校正器的发展需求,本文研究了一套自适应光学系统控制软件设计方法,以适应实验设备的不断更新换代,避免实验过程中软件不断更新修改所带来的问题。本文首先从功能和性能两方面分析了实验对软件系统的需求,提出基础层、功能层及表示层3层的软件架构体系,采用共享内存和临界区对象相结合的软件开发方法,确保自适应光学系统的实时性与准确性,避免资源冲突和浪费;采用Windows API事件实现多线程之间同步协调控制。基于上述思想开发了液晶-变形镜混合的高低阶自适应光学系统控制软件,可在0.6ms内完成波前采集、波前计算、控制信号计算和各设备间的同步协调控制。最后,使用该软件进行自适应光学校正:仅变形镜和倾斜镜校正后峰峰值由3.38μm降为0.95μm,均方根误差由0.66μm降为0.12μm;液晶校正器、变形镜和倾斜镜同时校正后峰峰值为0.44μm,均方根误差为0.02μm,计算总延迟为0.378ms。由实验结果可知,本文设计的软件可以实现自适应光学系统的实时校正,在保证校正精度的同时具有方便修改、功能齐全及模块化的优势,为后续自适应光学实验提供保障。     

Adaptive optics in spinning disk microscopy: improved contrast and brightness by a simple and fast method

Multiconfocal microscopy gives a good compromise between fast imaging and reasonable resolution. However, the low intensity of live fluorescent emitters is a major limitation to this technique. Aberrations induced by the optical setup, especially the mismatch of the refractive index and the biological sample itself, distort the point spread function and further reduce the amount of detected photons. Altogether, this leads to impaired image quality, preventing accurate analysis of molecular processes in biological samples and imaging deep in the sample. The amount of detected fluorescence can be improved with adaptive optics. Here, we used a compact adaptive optics module (adaptive optics box for sectioning optical microscopy), which was specifically designed for spinning disk confocal microscopy. The module overcomes undesired anomalies by correcting for most of the aberrations in confocal imaging. Existing aberration detection methods require prior illumination, which bleaches the sample. To avoid multiple exposures of the sample, we established an experimental model describing the depth dependence of major aberrations. This model allows us to correct for those aberrations when performing a z‐stack, gradually increasing the amplitude of the correction with depth. It does not require illumination of the sample for aberration detection, thus minimizing photobleaching and phototoxicity. With this model, we improved both signal‐to‐background ratio and image contrast. Here, we present comparative studies on a variety of biological samples.     

宽谱段、动态局部高分辨离轴主动反射变焦系统

为了实现无遮拦、宽谱段、动态的局部高分辨成像,设计了一种局部高分辨率的离轴主动反射变焦系统。该系统将离轴主动反射式变焦理论和局部动态高分辨率成像理论相结合,实现了宽谱段范围内不同焦距处的动态局部高分辨成像。采用曲率半径可变的变形镜实现变焦,避免了传统机械变焦中复杂的机械运动控制,减轻了系统体积和重量并有效地保证了系统的宽谱段和大视场;通过对变形镜面形的控制,在不同焦距处实现了全视场内任意感兴趣区域的局部高分辨成像,降低了数据传输量;而采用无色差的反射式系统则克服了传统透射式及折反射式系统只能实现单色局部高分辨成像的缺点。经过优化设计,系统在可见光范围内成像,焦距f′为75 mm(视场角FOV为x:0°~0.5°,y:3°~10°)~150mm(FOV为x:0°~0.5°,y:1.7°~5°),F/#为7~14。理论和仿真分析表明,系统在各焦距处感兴趣区域内的成像质量均可达到衍射极限,实现了全视场内任意区域动态局部高分辨的成像效果。     

桌面97单元自适应光学系统性能测试

构建了一套桌面自适应光学系统性能测试系统,用以验证97单元自适应光学系统的校正能力。该测试系统主要由光源、快速控制反射镜、变形镜、Shack-Hartmann波前传感器、高速波前处理器、扰动相位屏等部件组成,分别利用干涉仪和Shack-Hartmann波前传感器的数据控制变形镜进行光路的展平校正,得到了系统的静态校正精度。然后,测试了精密跟踪系统的校正能力。最后,利用扰动相位屏模拟不同的大气扰动条件,以成像相机图像的斯特列尔比(SR)为指标,在不同目标亮度下测试了自适应光学系统的动态校正能力。测试结果显示:该97单元自适应光学系统的静态波像差校正精度的RMS接近λ/20;两种控制模式下精密跟踪系统的误差抑制带宽分别达到了15 Hz和39 Hz;系统在强湍流情况下,动态校正后的成像分辨率基本优于3倍衍射极限。由此表明,97单元自适应光学系统能够有效地校正像差,提高成像分辨率。     

基于纳米磁性液体驱动的液态变形镜系统研究

波前校正器对自适应光学系统的性能起着关键性的作用。以纳米磁性液体为驱动载体,提出了一种新型液态波前校正器设计方法。与传统的固态变形镜相比,磁液变形镜具有镜面连续光滑、变形幅度大、制造成本低和驱动器易于扩展等优点。首先阐述了磁液变形镜系统的设计结构,提出了一种磁液表面银纳米薄膜自组装制备方法,用以提高磁液变形镜镜面反射率;然后结合建立的磁液变形镜镜面动力学模型,提出了一种镜面分布式PID控制方法;最后基于制作的磁液变形镜原型样机,搭建自适应光学实验平台对变形镜性能进行了实验验证,结果表明所设计的液态变形镜及其镜面控制方法能有效控制镜面变形,从而实现期望的光波校正性能。