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。     

采用H-S波前传感器探测虚共焦非稳腔输出光束波前像差

在腔内失调理论分析基础上,实验研究了无源虚共焦非稳腔失调前、后输出光束波前像差特性。结果表明,用Hartmann-Shack波前传感器进行探测,并用模式法进行波前重构可以较好反映输出光束波前像差,虚共焦腔耦合输出调腔光的波前Zernike像差主要集中在前15阶,其中比较显著的像差有离焦Z3、低阶像散Z4和Z5、以及球差Z10。且腔内倾斜扰动对光束强度分布有显著的影响,可能引起某些Zernike高阶像差如离焦、慧差和像散的增加,但首先带来的是Zernike倾斜像差的增大。因此在作腔内像差补偿时,应首先考虑腔内倾斜像差的补偿。     

人眼波前像差及准分子激光手术矫正的研究

波前像差严重影响了人眼正常的视觉质量,引入Hartm ann-Shack波前传感器可有效地测量人眼的各阶像差,结合自适应光学中Zern ike多项式重建波前的理论。建立人眼波前像差和角膜切削量模型的关系模型,利用准分子激光发射的激光脉冲去除定量的角膜组织,从而改善人眼视觉质量。应用表明,人眼像差测量和由像差引导的准分子激光手术矫正具有明显的临床医学价值。     

基于H-S波前传感器的正支共焦腔准直技术研究

采用H-S波前传感器对非稳腔进行了实验调腔技术研究,指出了正支共焦腔调腔的原则,以输出光束近场强度和相位分布这一双重依据作为谐振腔是否调好的标准.进行非稳腔调腔时,首先应当保证整个光路共光轴使输出强度分布均匀,但此时光束中可能还包含离焦等高阶像差,因此在腔外用Hartmann-Shack波前传感器进行光束相位测量,得到了35阶像差Zemike系数、波面PV和RMS值,进一步计算得到环围能量曲线等,从而可以全面了解输出光束质量并能有针对性地对光腔进行调整,达到较理想的光腔共轴状态.     

应用于环形激光束的低阶哈特曼波前传感器设计

针对高能化学激光器出光过程中存在着大比例、大PV值低阶像差这一现象,设计了专用于前5项Zernike像差检测的低阶哈特曼波前传感器。该传感器的透镜部分采用呈环形分布的6单元微透镜阵列与凸透镜组合的方法,且均用CaF₂材料制作。该方法不仅可以同时用于可见光和红外光的低阶像差测量,还具有成本低、光路结构简单、探测范围大等优点,适用于环形激光束的大PV值低阶像差检测。之后还搭建了测试光路系统,测试结果表明,该低阶哈特曼波前传感器的波面测量PV值量程为±8λ （λ=3.39 μm）,测量精度优于λ/10 （λ=3.39 μm）。     

波前像差引导准分子激光角膜消融的研究及实现

波前像差引导的准分子激光角膜消融是屈光手术的新方法 ,本文研究目的用像差来引导屈光手术 ,使人眼的视力能够达到 2 0 / 10以上 ,并避免当前PRK、LASIK屈光手术前后像差增大而引起的对视觉质量的影响。分析人眼像差的概念和产生的原因 ,并用Zernike多项式表示 ,理论上定量地分析了Zernike多项式表示的波前像差与角膜切削深度的关系 ,研究了准分子激光切削角膜的机理 ,给出了准分子激光人眼像差矫正系统的原理框图 ,达到了矫正人眼像差的目的。     

人眼像差的数学表示及主观式波前像差测量仪的设计与应用

本文详细介绍了一种新型主观式波前像差仪的工作原理,具体地阐述了主观式波前像差仪的光路控制系统、瞳孔自动跟踪系统以及计算机软件控制系统,并给出了像差仪的结构原理图以及程序控制流程图。同时介绍了主观式波前像差仪中用于定量描述波前像差的两种方法:Zernike多项式和波前像差图。主观式波前像差仪能精确地测量出人眼的低阶和高阶像差,其应用前景广阔。     

人眼波前像差主观测量的原理及实现

研究了一种用于测量人眼波前像差的新型主观式波前像差仪,给出了工作原理和实现方案.采用先进的三光路设计方法实现光学系统的设计,采用多线程、视频捕捉、图像处理、单片机及步进电机的控制等关键技术,实现了瞳孔的三维实时自动跟踪.该像差仪能测量出人眼的全部七阶像差,采用Zernike多项式、两维和三维波前像差图对人眼像差进行了描述,给出了计算各项波前像差的均方根(RMS)的公式.通过对57人(110只眼)的进行三次临床测量,采用SPSS统计软件对测量得到的各阶波前像差的RMS逐级递减值进行两两比较,无差异性(P＞0.05),结果表明该像差仪测量的重复性好,准确性高.     

高功率激光束光束质量的数值评价方法

为估计１０＾１２Ｗ高功率激光器的光束质量，本文采用最小二乘法对已重构的波前曲面进行球面拟合，得到相对应的无波像差参考波前。利用无波像差参考波前的曲率半径计算出高功率激光光束的衍射角，由有畸变波前与无波像差参考波前的波像差估算出激光束的Ｓｔｒｅｒｈｌ比，从而给出了评价高功率激光系统光束质量的定量结果。     

腔内像差扰动对正支共焦腔模式的影响及腔内像差校正

腔内像差扰动对激光器输出模式有显著的影响,直接带来输出光束质量和能量的下降。采用数值迭代法分析了正支共焦腔腔内倾斜扰动对耦合输出相位模式的影响,并采用泽尼克像差对波前相位进行了拟合,得到前35阶泽尼克系数、点扩展函数(PSF)和环围能量曲线,从而全面反映光束质量。并采用哈特曼-夏克(Hartmann-Shack,H-S)波前传感器进行了实验定量测定,用模式法进行了波前复原计算。针对腔内低阶像差校正问题进行了原理性实验研究,建立了控制腔内凸镜的像差校正系统。结果表明,控制系统对腔内准静态像差扰动闭环效果较好,输出光束前10阶泽尼克像差、波前畸变的峰值(PV)和均方根(RMS)值均得到明显减小。     

基于Zernike多项式的人眼波前像差拟合算法

采用改进的Gram-Schmidt正交化法对矛盾方程的广义增广矩阵进行正交三角化,导出求解基于Zernike多项式的人眼波前像差拟合系数的算法。通过拟合给定模式系数和一般数学波面的两种方式对算法进行了验证。验证结果表明,该算法与直接构造法方程组解法的计算精度相当。该算法避免了因构造法方程组而引入的计算误差,易于编程,是一种比较理想的求解Zernike多项式拟合系数的算法。     

基于复用计算全息元件的多阶模式偏置波前传感器

提出利用复用计算全息元件实现多阶模式同步的偏置模式波前传感器。对基于复用计算全息元件的多阶模式偏置波前传感器进行了理论分析。为了实现复用计算全息元件,分别编码设计了包含4阶,10阶和20阶Zernike像差模式的复用计算全息图,讨论了复用计算全息图设计中几个关键问题。数值模拟研究了复用计算全息图对单阶和多阶像差模式的探测性能。结果表明,在一定探测范围内,传感器能够响应与全息图内预先记录像差模式相同的待测像差模式,且每一个模式的灵敏度都不同。全息图内记录模式数较少时,单阶模式探测的灵敏度较大;记录模式数越多,模式之间擦除效应越严重,单阶和多阶模式灵敏度都受到一定影响。     

远场光斑反演波前相位的深度学习方法

自适应光学系统中,波前传感器的准确性和鲁棒性极大地影响像差探测能力和闭环校正效果。在波前振幅分布不均匀或信标光能量不足的情况下,哈特曼波前传感器由于存在子孔径缺光现象会导致传感精度下降,而基于远场光斑反演波前相位的无波前传感自适应系统实时性难以满足实用需求。基于深度学习复原波前的方法是通过输入远场光强图像直接求取像差,可以作为自适应光学系统的有效补充。文中通过数值模拟,证明了深度残差神经网络能够通过远场光斑直接预测波前相位的Zernike系数。实验验证了输入与重构波前相位之间校正后残差RMS为0.08λ,GPU加速后的平均计算耗时小于2 ms。该方法能较准确地预测入射波前畸变的Zernike系数,具有一定像差校正能力,适合在传统自适应光学技术中,用于测量并校正波前畸变的主要成分,或为优化式自适应光学提供良好的初始波前估计。     

掩模测量人眼波前像差技术研究

对基于Hartmann-Shack(H-S)原理测量人眼波前像差的掩模技术进行了研究。利用光学系统将液晶显示器(LCD)制成的掩模对应成像在微透镜阵列面,对模拟眼进行测量。设计了针对不同采样密度的H-S系统的各类掩模,扩大子孔径内像差测量范围,最大可测像差分别提高到L2／f、2L^2／f和4L^2／f,解决了光斑溢出和粘连的问题,实现了对大像差人眼的准确测量。     

腔镜倾斜扰动对正支共焦腔输出光束模式的影响

针对激光器出光过程中腔内像差扰动带来的光束质量下降问题,分析了正支共焦腔腔镜倾斜扰动对调腔光模式的影响,采用等效透镜波导法计算了凹、凸腔镜倾斜失调状态下的调腔光模式分布、泽尼克(Zernike)像差系数。同时采用哈特曼-夏克(Hartmann-Shack)波前传感器方法对此进行了实验定量研究,用模式法进行了波前重构。得到了扰动量与泽尼克像差的定量关系。结果表明,凹镜倾斜扰动对腔模的影响大于凸镜,对于大菲涅耳数非稳腔,腔内倾斜扰动量与腔外泽尼克倾斜系数具有良好的线性关系,若对凹、凸腔镜分别施加等量倾斜扰动,带来的腔外泽尼克倾斜系数比率约为光腔放大倍率。且腔模倾斜像差增加的同时还将导致离焦、像散等高阶像差的增大,因此作腔内相位补偿或校正时,应使补偿或校正平面尽可能靠近凹面镜;最后对实际激光束与He-Ne调腔光束的异同作了简要比较。     

扰动对非稳腔模式的影响和腔内倾斜像差校正

采用哈特曼-夏克(Hartmann-Shack)波前传感器分析了腔内扰动对无源正支共焦腔调腔光模式的影响,用模式法进行了波前复原计算。引入等量扰动,腔内凹镜对于腔模的影响大于凸镜;且对于大菲涅耳数非稳腔,腔内倾斜扰动量与输出光束中查涅克(Zernike)倾斜像差系数具有较好线性关系。建立了基于哈特曼-夏克波前传感器进行腔外探测,控制腔内凹镜的低阶像差校正系统,比较了在不同腔内扰动状态下对倾斜像差的控制结果。实验表明,对于腔内扰动频率较低或者准静态的情况,控制系统对腔内倾斜像差的校正具有较好的效果。     

用方形区域内的标准正交多项式重构波前

提供了一种方形区域上归一化Zernike正交基的生成方法。它采用线性无关组Gram-Schimdt正交组构造方法,根据线性代数内积、欧氏空间及其正交性和范数的相关概念,对标准Zernike多项式进行正交处理,得到了一组新的正交多项式Z-square多项式。采用该正交基实现了方形区域内波前模式的拟合,它不仅可由Z-square模式的集合直接对波前进行表示,而且也可以通过线性反变换,将Z-square多项式表示成标准的Zernike模式的线性组合,使被分解的波前模式与像差之间有明确的对应关系。实验表明,它不仅可以对透镜设计中的波前像差函数进行有效的拟合,而且也能对Hartmann-Shack波前传感器测试得到的实际相位数据进行拟合。     

激光推进中的波前检测技术研究

文中从数学上分析了波前传感器测量的参数,针对激光推进应用中的波面检测技术,较全面地总结了现有各类波面检测方法及其特点,并给出了相应结构与应用实例,最后针对激光推进应用中光束波面检测的可行性进行了比较.     

波前像差对超短飞秒激光脉冲聚焦特性的影响

为了研究波前像差对超短飞秒激光脉冲聚焦特性的影响, 基于瑞利-索末菲标量衍射理论, 对比研究了在散焦、像散、慧差、三叶形像差以及球差等各类波前像差下, 均匀强度分布和高斯强度分布的超短飞秒激光脉冲的聚焦特性。结果表明, 波前像差对均匀强度分布的飞秒脉冲在焦平面处的光强分布具有明显的不利影响, 从而降低飞秒脉冲的聚焦峰值功率, 而对高斯强度分布的飞秒脉冲影响相对较小, 即在高斯强度分布下, 在焦平面处仍然有可能获得较好的、近衍射极限的聚焦光斑; 在非焦平面处, 即使初始脉冲具有高斯强度分布, 非焦平面处的光强分布受各类波前像差的影响也较为明显; 对于所研究的30fs(1/e2半宽度)超短脉冲, 波前像差对脉冲持续时间的影响几乎可以忽略。此研究结果对超短飞秒激光束的光束质量评估及聚焦特性分析具有实际的指导意义。     

非垂直入射HS传感器测量数据的修正

采用变形镜模拟激光镜面热畸变,使变形镜在不同的驱动电压下产生相应的形变,用Hartmann-Shack传感器作为测量仪器,分别以垂直入射法和非垂直入射法测量了变形镜在各驱动电压下的形变数据。对比两种方法测得的波前像差峰谷值(PV值)数据发现,非垂直入射法测得的数据小于垂直入射法测得的真实数据,两者之间的相对偏差随形变量的增大而增大,且与入射角密切有关,随着入射角的增大,相对偏差明显增大。若将非垂直入射法测得的数据除以入射角的余弦对数据进行修正,结果与真实数据吻合很好,波前像差PV值最大相对偏差不到2%。