刍适应光学系统中的波前曲率传感技术

本文阐述了波前曲率传感技术的基本原理,分析了传统实现方案的优缺点;重点介绍了近年发展起来的的基于衍射光栅的波前曲率传感器及其工作原理;对比分析了波前曲率传感器的两种相位恢复算法;介绍了波前曲率传感器的最新应用情况以及国内对波前曲率传感器研究和应用的最新进展。     

波前曲率传感器的测量软件设计

波前曲率传感器是一类重要的波前测量装置。针对波前曲率传感器,在Visual Studio 2013平台下,基于OpenCV库函数和MFC库函数,利用C++语言开发了通用性较强的波前测量软件,实现了基于拉普拉斯算子本征模式法的波前在线测量和离线数据处理等功能。在此基础上,搭建了光栅型波前曲率传感器实验装置对该软件模块进行测试。通过与MATLAB波前复原结果进行对比,验证了该波前复原软件模块的准确性。模块化设计方法使得该软件模块具有良好的通用性和拓展性。     

基于子孔径波前振幅调制的斜率和曲率信号提取算法

斜率和曲率混合型波前传感技术将子孔径内波前的一阶和二阶导数信息全部利用起来,能够实现高阶像差的精密测量,是区域型波前传感技术的一个重要发展方向。在利用子孔径波前振幅调制的斜率和曲率混合型波前传感器的基础上,提出了一种基于质心探测的斜率和曲率信号提取算法,实现各个子孔径内待测波前斜率、拉普拉斯曲率以及扭转曲率的直接测量。仿真结果表明,在理想条件下,单一子孔径内斜率和曲率信号的检测精度均在0.02（=632.8 nm）以内;噪声水平小于10%时,斜率和曲率信号的检测精度均在0.08以内。该算法具有较高的检测精度及良好的抗噪性。     

哈特曼波前传感器的Matlab仿真

目前哈特曼(Hartmann)传感器被越来越广泛的应用.文中介绍了Hartmann波前传感器原理,利用Matlab仿真了单束、双束光入射Hartmann波前传感器时的CCD上光强度图样,结果依然遵循夫琅和费衍射.     

应用Hartmann-Shack原理测量人眼波前像差的系统研究

分析波动光学中人眼像差的产生机理和波前像差的表示方式,着重讨论了Hartmann-Shack波前传感器测量波前像差的原理,结合自适应光学中Zernike多项式重建波前的理论,提出了应用H-S波前传感器测量人眼波前像差的解决方案,使得由波前像差引导的人眼视觉矫正技术能达到一个新的水平。     

波前曲扭和幅度变化对阵列测向中相干源分辨的影响

首先给出了形式简洁的由直射信号和多径信号相干干涉而引起的波前曲扭和信号幅度变化的一组公式,并给出了计算机模拟结果。然后以此为依据分析了使用子空间拟合类的阵列测向方法时阵列孔径对波前曲扭的不同覆盖情况对相干源分辨的能力的限制,并用计算机模拟结果进行了验证。分析与模拟结果表明:①相干源的分辨能力比独立信源的分辨能力要差;②当阵列孔径覆盖波前曲扭一个周期以上时,可以得到很好的分辨结果;③当阵列孔径覆盖波前曲扭不足一个周期但有明显的曲率时,可以得到有偏的分辨结果;④当阵列孔径覆盖波前曲扭不足一个周期且无明显的曲率变化时,只能得到直射信号方位角的有偏估计。     

哈特曼-夏克波前传感器的最优模式复原

为了减少波前探测斜率噪声对于基于哈特曼-夏克波前传感器的Zernike复原模式的影响,采用对波前复原矩阵斜率噪声影响的相关分析和线性解耦变换的方法,得到一组基于哈特曼-夏克传感器斜率探测噪声的Zernike最优复原模式,通过合理剔除波前模式复原中易受噪声影响的模式组合,减少了波前测量噪声引起的波前模式复原误差;采用蒙特卡罗随机试验法,验证了——子孔径成方形排布的波前传感器对于波前斜率噪声的受影响程度,仿真结果显示,复原模式系数误差由0.0212λ下降为0.0048λ.结果表明,在剔除部分模式项后,最优复原模式统计优化对于滤除波前斜率探测噪声有一定的作用,提高了波前探测器的探测精度和复原能力.     

双光楔微扫描哈特曼-夏克波前探测技术

传统哈特曼-夏克传感器主要受微透镜尺寸与微透镜数量的限制,对待测波前采样不足,影响对波前的探测精度。通过对哈特曼-夏克传感器波前重构原理和双光楔微扫描原理进行分析讨论,提出了一种在哈特曼-夏克传感器之前加入双光楔微扫描结构的检测方法,弥补了传统哈特曼-夏克传感器对待测波前采样不足的缺点。利用Zemax和Lighttools软件模拟了加入双光楔微扫描结构哈特曼-夏克传感器的光斑分布情况。微扫描图像重建算法与波前重构算法结合给出原理性验证,对所模拟后大像差光学系统波前复原精度提高了53.53%,该方法可以有效提高哈特曼-夏克传感器对波前探测的精度。     

固体激光器波前畸变自适应校正技术及研究进展

自适应光学(AO)作为一种主动光学补偿技术,由于具有结构简单、校正效果好、可闭环运行等优势,被大量用于校正激光波前畸变,并于近年逐渐应用于高能激光器系统中。综述了AO系统工作的基本原理,系统论述了近年来国内外在AO系统校正固体激光畸变方面的研究进展。按照校正固体激光器波前畸变的AO系统中有无采用波前传感器,将其分为无波前探测和有波前探测的AO校正技术进行介绍,分析了各个研究工作的关键性技术。最后总结了目前存在的技术难题,并对AO技术在固体激光器中的应用前景进行了展望。     

哈特曼与CCD传感器信标光轴精密定位对比

捕获、对准和跟踪是大气激光通信系统的核心技术,信标光轴的精密对准可提高通信的稳定性和降低通信误码率.信标光轴的对准主要是对大气激光通信中光束到达角的计算,应用传统的CCD传感器的光斑质心算法,在强湍流的扰动下已经无法准确地测量光束的到达角;提出了应用哈特曼传感器对波前进行探测,采用Zernike多项式模式法重构波前实时...     

Wavefront curvature sensor with phase defocus grating

The proposed optimum phase defocus grating for wavefront curvature sensing features an equidistantly quantized two-phase-step and a phase step height of π. The optimum phase defocus grating suppresses the influence of zero-order diffraction. The high diffractive efficiencies of the ±1 diffraction orders are verified experimentally, showing average values of 38.08% and 40.36% respectively. The phase plate introduces the wavefront deformation, which are measured by wavefront curvature sensing and reconstructed via the Green's Function algorithm. The reconstructed wavefront is compared with the measurement result of a Veeco interferometer. It is verified that the measurement of the self-designed curvature sensor is correct. The error percent of peak-valley value (PV) is 10%, and the error percent of root mean square (RMS) is 2%.     

提高哈特曼波前传感器质心探测精度的一种计算方法

分析了哈特曼(Hartmann)波前传感器传统阈值一阶矩质心算法的局限性,提出了一种改进算法,对质心探测窗口的大小先进行合理优化,再采用灰度积分图原理进行自动搜索,最后采用灰度平方加权质心算法进行质心计算。仿真分析验证了算法的可行性和优越性,有利于提高波前传感器质心探测精度。     

基于哈特曼原理的薄膜应力在线测量系统

介绍了一种基于哈特曼传感器的薄膜应力在线检测系统.哈特曼透镜阵列将待测量表面划分成若干小区域,通过测量每个小区域成像光斑的相对位置变化来获得整个测量表面的变形量,将测得的变形量代入到薄膜应力与基板表面变形的关系式中,求得薄膜应力.通过对影响光斑质心探测精度的各种因素进行分析,提出使用加阈值的一阶矩法,精确计算光斑质心,结合高灵敏度的CMOS探测器,使系统的面形测量精度达到15.7 nm,应力测量灵敏度优于3.3 MPa,实现了薄膜应力测量的高灵敏度与在线测量的统一.最后通过对TiO2,SiO2单层膜的在线测量,验证了系统的灵敏度与稳定性,能够完全满足薄膜应力分析的需要.     

反射型LCOS显示板用于人眼波前像差校正的研究

采用基于硅基板的反射型液晶显示器件(LCOS)进行人眼波前像差校正的研究.理论分析了LCOS显示器件的光学调制特性,在合适的参数条件下,LCOS可工作在偏相位调制状态下.LCOS作为波前校正器和哈特曼传感器结合构成一个自适应闭环校正系统,校正在成像光路中引入的具有人眼波前像差特点的静态波前畸变,实验结果标明LCOS可以有效地校正光学成像系统中的波前畸变,校正后像差的RMS值小于0.1 μm.LCOS器件作为相位校正元件在人眼波前像差校正和视网膜成像系统中具有良好的应用前景.     

对Zernike模式法重构19单元哈特曼测量波前的研究

通过对19单元哈特曼测量和模式法重构波前的过程进行数值模拟,研究了Zern ike模式法重构波前时耦合和混淆出现的原因、条件、程度和数学算法的表现。确定了在综合考虑最高可识别模式和计算稳定性同计算工具关系的情况下,选择最佳重构阶数的基本原则。同时对19单元哈特曼复原精度进行了评价,得出模式耦合是影响精度的主要因素,得到了模式法波前测量的适用条件,为利用哈特曼进行光束质量诊断提供了依据。     

基于泰伯-莫尔条纹的激光波前曲率半径测量

为了精确测量激光波前曲率半径,提出了基于泰伯-莫尔条纹技术的波前曲率半径测量方法,建立了激光波前曲率半径测量理论分析模型。对波前曲率半径与莫尔条纹倾角的关系、系统测量不确定度进行了分析,完成了激光波前曲率半径测量系统的设计,构建了测量系统,并对口径为200mm的激光发射系统的出射波前曲率半径进行了测量。结果表明,测量结果为498m时,测量重复性为0.2%,根据测量结果推算光束束腰位置与实际位置相对偏差为0.4%;并根据500m~3000m的测量结果对激光发射系统中出射波前曲率半径、物镜焦距、目镜位置等参量进行了校准,校准完成后与理论值的最大偏差为2%。该方法能够实现大口径激光发射系统出射波前曲率半径的高精度测量。     

基于曲率/斜率混合传感的镜面视宁度检测方法

随着光学元件的口径增加,无论是在加工检测还是在站址观测过程中,镜面视宁度的影响已经越来越难以忽略。在此情况下,研究可以定量测量镜面视宁度的方法与设备就显得十分重要。基于曲率/斜率混合传感策略,结合冷冻湍流假设实现镜面视宁度评价在时-空域上的转化,实现对镜面视宁度大动态范围的检测。首先,对曲率/斜率混合传感的基本方法进行了理论推导,并以标准化点源敏感性作为评价指标进一步分析了检测过程中的镜面视宁度变化。实验结果显示,在热扰动流场较为均匀时,镜面视宁度的影响较流场反复变化时小,由于湍流不稳定所引入点源敏感性（PSSn）为0.971 8。实验结果证明基于曲率/斜率混合传感的方法可以定量分析大口径光学元件镜面视宁度,对于后续开展的大口径系统设计优化与检测加工具有很好的指导意义。