激光波前相位测试与校准技术

Hartmann-Shack波前传感器通过一个微透镜阵列和CCD可同时探测一束激光的振幅和相位信息,通过波前重构算法,可以获得激光的波前相位信息。本文介绍了Hartmann-Shack法激光波前相位测试方法和测试原理,并对Hartmann-Shack波前传感器的校准方法及校准不确定度进行了探讨。     

光电工程(双月刊)2002年(第29卷)总目录

第1期（总第158期） 一种Hartmann-Shack波前传感器图像的自适应阈值选取方法…………………………… 任剑峰，饶长辉，李明全 (1) 自适应光学波前处理机D/A 电路的优化……………………………………………………… 王晓云，王春鸿，黄树辅 (6) 聚合物光纤几何参数测量系统………………………………… 王 沛，明 海，许兴胜， 金 西，马 辉，谢建平 (9) 基于端面镀膜的Fabry-Perot光纤传感器研究 ………………………………………………………………… 黄民双 (12) 有机改性硅酸盐材料微光学元件制备研究……………………………………     

扇形子孔径布局H-S传感器对圆域的探测性能研究

通过Zernike模式波前重构算法进行计算机仿真计算,对扇形子孔径布局的Hartmann-Shack波前传感器探测性能进行仿真研究,对比分析了方形子孔径布局Hartmann-Shack波前传感器的探测性能.结果表明,扇形子孔径布局是一种有效的Hartmann-Shack波前传感器的布局方式,在低子孔径密度且径数目差异不多的条件下,比方形孔径布局探测精度更高.     

抑制微光波前传感器随机噪声的方法研究

在自适应光学系统微光波前传感器中采用像增强器后，高帧频CCD输出的图像中会产生严重的随机噪声，影响光斑质心计算精度，从而使自适应光学系统波前探测精度降低。本文根据微光波前传感器中CCD输出图像的特点对中值滤波，均值滤波，自相关，延时相关等多种方法进行了仿真和实验比较，并提出了一系列评价方法。研究表明延时相关算法是最佳选择。     

提高Hartmann波前传感器质心探测精度的阈值方法

详细地讨论了Ｈａｒｔｍａｎｎ波前传感器质探测的误差来源。主要讨论了光量子起伏、ＣＣＤ的背影电子噪声引起的质心探测误差，并对采样阈值对Ｈａｒｔｍａｎｎ波前传感器质心探测精度的影响进行了分析。本文对Ｈａｒｔｍａｎｎ波前传器的经设计以及实际操作提供了一定的理论依据。     

人眼像差哈特曼测量仪的重复性测试

人眼像差哈特曼测量仪利用 Hartmann-Shack 波前传感器探测波前,并用 Zernike 多项式实现波前的重建。测试结果的重复性对该仪器来说是至关重要的。此仪器对模拟人眼静态像差和活体人眼动态像差分别进行单帧采集和连续采集,所得的模拟人眼静态像差 Zernike 系数的标准偏差的最大值,PV 与 RMS 依次为 0.016?,0.061?和 0.006?;活体人眼动态像差 Zernike 系数的标准偏差的最大值,PV 与 RMS 依次为 0.045?,0.167? 和 0.030?,这些指标都小于 ?/5,表明该仪器具有较高的重复性。     

输油管道应力波检测中的小波去噪方法研究

本文介绍了一种适用于油田输油管道应力波检测的小波去噪方法。在盗油实时监测时，利用冲击激励产生的应力波到达两个检测传感器的波达时刻的差对冲击激励点进行定位。由于小波变换具有多尺度分析的优点，根据有用信号和噪声奇异性的不同及其在小波变换不同尺度下的传递特性的不同，区分信号和噪声，进行小波系数的阈值选取后，利用剩余的小波系数重建信号，得到有用信号的波形。试验发现，该法可以很好地去除噪声，从而使应力波的波达时刻的计算的准确度提高。     

基于夏克-哈特曼传感器的星载望远镜波前测量技术研究

精确的测量和控制星载望远镜的波前像差是实现高效空间引力波探测的关键。本文提出了一种基于夏克-哈特曼波前传感器原理的星载望远镜波前像差测量方法,该方法采用经过频域阈值去噪处理后的频域上的互相关算法,使用子孔径数20×16、微透镜尺寸0.279 mm×0.279 mm、焦距34 mm的夏克-哈特曼波前传感器对算法的测量精确度进行验证。对实际点源图像生成已知RMS离焦值(0, 0.22, 0.44, 0.66 nm),从而产生具有偏移量的点源图像。使用模式法进行波前复原后,计算复原波面和残余波面的RMS值,用于比较频域上的互相关算法和传统质心算法的测量精度。结果显示,随着实际离焦值的增加,质心算法的测量误差呈现上升趋势,分别为0.0966 nm, 0.1378 nm,0.1284 nm和0.1463 nm。频域互相关算法可以使夏克-哈特曼波前像差均方根(RMS)误差分别减少13%, 7%, 18%和14%,为空间引力波星载望远镜地面波前像差的高精度测试提供了重要参考。     

基于波原子阈值算法的OCT图像降噪技术

为了消除或缓解光学相干断层成像方法中散斑等噪声对OCT图像像质退化的影响,提出了基于波原子阈值去噪算法。波原子变换是一种新型的二维多尺度变换,且满足曲线波的抛物比例尺度关系和各向异性征;波原子适用于模式的任意局部方向,能够对轴方向的各向异性模式稀疏展开。本文利用波原子阈值去噪算法,对人眼眼底组织和手指指尖皮肤的OCT图像进行降噪处理,并与传统的小波阈值算法和快速曲波算法对OCT样品图像去噪效果进行对比分析。结果表明,基于波原子阈值去噪方法能够有效地抑制OCT图像散斑噪声,并能保持图像边缘细节特征。     

基于绝对差分算法的相关HS波前处理机设计

在太阳自适应光学系统中,通常采用绝对差分或者互相关因子算法进行哈特曼波前探测.本文给出了一种基于绝对差分算法的相关HS(Hartmann-Shack)波前处理机的设计结果.针对子孔径阵列呈6×6方形排布,单个子孔径大小为32 pixels×32 pixels,参考模板大小为16 pixels×16 pixels的相关HS渡前传感器,采用绝对差分算法在单片FPGA内实现了对波前的实时处理.实验结果表明,该处理机峰值运算量超过230亿次/s,系统延时120μs,能够满足1 000 Hz的CCD采样要求.本设计在单片FPGA内实现,具有成本低、易维护、集成度高的特点.     

用Hartmann－Shack波前传感器测量大气湍流特征

建立了一个小型Ｈａｒｔｍａｎｎ－Ｓｈａｃｋ波前传感器来测量大气扰动特征。通过单子孔径的象移和许多间距不同的子孔径之间的象移差测得的到达角起伏的统计值来计算出Ｆｒｉｅｄ参数ｒ０。本文推导了采用不同孔径参数的实验结果，以及波前斜率的功率谱密度。     

有结构扩展目标整体倾斜信息提取有效性实验

根据互相关因子算法和绝对差分算法的基本原理,利用Matlab实现了倾斜信息提取。在此基础上,考察了两种算法的精确性问题,发现绝对差分算法的拟合精度高于互相关算法,其数量级可达到0.0001像素;结合哈特曼波前传感器的测量结果,采用比对的方法,对有结构扩展目标两种算法提取倾斜信息的有效性进行了验证,可以得到,不同倾斜范围时两种算法提取的信息高度吻合,且处理后与哈特曼波前传感器走势一致;经自适应校正后,得到了很好的长曝光像。实验结果表明,这两种算法均可有效地提取出自适应光学所需要的光束波前整体倾斜信息。     

Adaptive optics implementation with a Fourier reconstructor

Adaptive optics takes its servo feedback error cue from a wavefront sensor. The common Hartmann-Shack spot grid that represents the wavefront slopes is usually analyzed by finding the spot centroids. In a novel application, we used the Fourier decomposition of a spot pattern to find deviations from grid regularity. This decomposition was performed either in the Fourier domain or in the image domain, as a demodulation of the grid of spots. We analyzed the system, built a control loop for it, and tested it thoroughly. This allowed us to close the loop on wavefront errors caused by turbulence in the optical system.     

H-S波前传感器在测量光束质量因子M 2中的应用

仿真研究了H－S测量M^2因子等光束质量指标的全过程和可行性。结果表明，由H－S测量的圆形光束的M^2因子值与原始光束的M^2因子值基本相当，有很好的一致性。由此认为，H-2S除了可以评价远场测量系统探测得到的光斑的各种量，比如PSF，OTF，衍射极限，环围能量等远场特性，而且还可以从M^2因子来说明光束质量的特性。     

对Hartmann-Shack波前传感器平移误差的研究

Hartmann—Shack传感器的探测精度对于评价自适应光学系统的校正能力和光学检测精度都是十分重要的。通过对传感器的平移误差的理论分析和数据仿真来对传感器的系统精度进行研究，确定平移误差的最佳范围为残余像差与理论像差的均方根比值不大于0．5％。这为Hartmann—Shack传感器的装配提供了理论依据和技术指标。     

用Hartmann－Shack传感器测量激光束的波前相位

Ｈａｒｔｍａｎｎ－Ｓｈａｃｋ传感器已经用于自适应光学系统。它可以同时探测出一束光的振幅和相位信息。通过一个位置传感器，比如ＣＣＤ，它就可以成为一种对光学系统和光束的静态和动态质量诊断的有力工具。从Ｈ－Ｓ波前传感器的输出（波前斜率和近场强度分布），就可以推算出远场特点，如ＰＳＦ和ＯＴＦ。本文将介绍波前重构的理论分析和远场特征评估。同时也给出了光束质量的静态和动态的测量结果。     

测量视觉系统MTF的一种客观方法

视觉系统的光学调制传递函数( MTF ),通常采用以大脑知觉为基准,对客观物理刺激进行主观评价的心理物理方法来测量。利用哈特曼-夏克波前传感器测量视觉系统的波像差,再由波像差和瞳函数的自相关,即可得出视觉系统的MTF。与心理物理方法相比,该方法不受被测试者情绪和心理状态的影响,并克服了测量过程繁琐的缺陷,具有客观、简便、快捷的特点,测量的全过程仅需3分钟。     

Comparison of Hartmann analysis methods

Analysis of Hartmann-Shack wavefront sensors for the eye is traditionally performed by locating and centroiding the sensor spots. These centroids provide the gradient, which is integrated to yield the ocular aberration. Fourier methods can replace the centroid stage, and Fourier integration can replace the direct integration. The two--demodulation and integration--can be combined to directly retrieve the wavefront, all in the Fourier domain. Now we applied this full Fourier analysis to circular apertures and real images. We performed a comparison between it and previous methods of convolution, interpolation, and Fourier demodulation. We also compared it with a centroid method, which yields the Zernike coefficients of the wavefront. The best performance was achieved for ocular pupils with a small boundary slope or far from the boundary and acceptable results for images missing part of the pupil. The other Fourier analysis methods had much higher tolerance to noncentrosymmetric apertures.     

High-resolution retinal imaging with micro adaptive optics system

Based on the dynamic characteristics of human eye aberration, a microadaptive optics retina imaging system set is established for real-time wavefront measurement and correction. This paper analyzes the working principles of a 127-unit Hartmann-Shack wavefront sensor and a 37-channel micromachine membrane deformable mirror adopted in the system. The proposed system achieves wavefront reconstruction through the adaptive centroid detection method and the mode reconstruction algorithm of Zernike polynomials, so that human eye aberration can be measured accurately. Meanwhile, according to the adaptive optics aberration correction control model, a closed-loop iterative aberration correction algorithm based on Smith control is presented to realize efficient and real-time correction of human eye aberration with different characteristics, and characteristics of the time domain of the system are also optimized. According to the experiment results tested on a USAF 1951 standard resolution target and a living human retina (subject ZHY), the resolution of the system can reach 3.6?LP/mm, and the human eye wavefront aberration of 0.728λ (λ=785?nm) can be corrected to 0.081λ in root mean square (RMS) so as to achieve the diffraction limit (Strehl ratio is 0.866), then high-resolution retina images are obtained.