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。     

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。     

4mSiC轻量化主镜的主动支撑系统

针对4 m光电望远镜中SiC轻量化主镜比刚度大,面形精度要求高的特点,提出采用液压whiffletree被动支撑并联力促动器主动支撑的轴向液压主动支撑方案。液压被动支撑承担镜重,主动支撑仅输出校正主镜面形误差所需的主动校正力,从而减小主动支撑元件力促动器的作用力范围,提高主动校正力精度。借助于有限元法完成了轴向和侧向支撑系统的优化,确定了轴向54点和侧向24点等间距等力（β=0.5）支撑系统设计。当仅有被动支撑作用时,主镜水平和竖直状态下重力引起的镜面变形误差RMS值分别为37.8 nm和82.9 nm。采用主动校正后,主镜水平和竖直状态下的镜面变形误差RMS分别减小到12.0 nm和9.8 nm。不同俯仰角下主镜的镜面变形均能满足面形误差RMS不大于λ/30（λ=632.8 nm）的指标要求。     

拼接子镜力矩促动器布局的优化设计

为了降低较为昂贵的镜面抛光和光机装配费用,以及应对温度、重力及其他意外因素导致的镜面低阶像差,一种在被动浮动支撑结构上施加力矩以实现面形实时校正的力矩促动器在部分望远镜上已有成熟应用。本文旨在针对我国未来的大口径地基光学望远镜,对其拼接子镜力矩促动器的分布进行优化与设计。根据工程经验和参考文献初步确定力矩促动器所需的校正能力,通过三维建模软件对拼接子镜及镜室进行建模,最后通过有限元仿真和最小二乘法拟合对力矩促动器的布局进行优化设计。计算结果表明,采用18个力矩促动器的分布方案能够对离焦、像散、彗差和三叶像差进行良好的校正。对于具有数百面子镜的拼接望远镜来说,18个力矩促动器方案在满足光学设计需求的同时,有效节约了建设经费并降低了工艺的复杂性。     

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。     

200单元硅基单压电变形镜的设计与测试

针对天文望远镜对变形镜的需求,设计了200单元级硅基单压电变形镜并对其进行了性能测试。首先,通过有限元方法对单压电变形镜进行结构建模,分析比较了电极排列形式和边界支撑方式对变形镜性能的影响。然后,制备了3款200单元变形镜样机(环形简支,环形固支,六边形简支)。最后,利用干涉仪测量了变形镜的影响函数,并通过激光多普勒测振仪测量其频响特性。仿真与实验结果表明:致动器在50V电压下变形量可达1μm,固支条件下谐振频率在1kHz左右,对前100项Zernike像差具有良好的校正能力。该变形镜在低成本天文自适应光学系统中具有应用潜力。     

大口径长条形反射镜组件自重变形的仿真与试验

研究了空间光学遥感器的大口径长条形反射镜组件在自重载荷作用下的面形变化,实验验证和定量分析了Zernike多项式拟合法以及球面方程拟合法得到的仿真分析结果的精度。介绍了Zernike多项式拟合法以及球面方程拟合法的基本原理,分别用这两种算法对大口径长条形反射镜组件在自重载荷作用下的面形变化进行了仿真分析。根据误差合成原理,提出了依据翻转前后两个状态的面形检测结果计算镜面面形变化的方法;针对离轴反射镜在面形检测过程中存在离轴量与镜面像散互相补偿的现象,求解了离轴量变化量与镜面像散的关系。试验结果显示:Zernike多项式拟合法的计算精度为74.2%,而球面方程拟合法的计算精度为12.6%;对仿真分析结果的误差评价表明,采用有限元法得到的仿真分析结果的理论精度值为10%左右,与球面方程拟合方法的计算精度12.6%基本吻合。研究表明,由于Zernike多项式拟合法自身的局限性,不适合对长条形反射镜面形变化进行拟合,而球面方程拟合法的计算精度能够满足工程要求。     

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。     

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。     

抽样点对基于Zernike多项式曲面拟合精度的影响

在光学测量中,常以Zernike多项式作为基底函数对测量得到的离散数据进行拟合,把实际波面或面形表示为Zernike多项式各项的线性组合,用拟合得到的曲面方程去反应实际波面或面形的属性。现研究了用不同精度的测量设备得到的抽样数据进行基于Zernike多项式的曲面拟合,研究了测量设备精度和抽样点数目对拟合精度的影响,得出通过增加抽样点可以对由较低精度设备测得的抽样数据进行较高精度拟合的结论。     

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。     

Measurement of specimen-induced aberrations of biological samples using phase stepping interferometry

Confocal or multiphoton microscopes, which deliver optical sections and three‐dimensional (3D) images of thick specimens, are widely used in biology. These techniques, however, are sensitive to aberrations that may originate from the refractive index structure of the specimen itself. The aberrations cause reduced signal intensity and the 3D resolution of the instrument is compromised. It has been suggested to correct for aberrations in confocal microscopes using adaptive optics. In order to define the design specifications for such adaptive optics systems, one has to know the amount of aberrations present for typical applications such as with biological samples. We have built a phase stepping interferometer microscope that directly measures the aberration of the wavefront. The modal content of the wavefront is extracted by employing Zernike mode decomposition. Results for typical biological specimens are presented. It was found for all samples investigated that higher order Zernike modes give only a small contribution to the overall aberration. Therefore, these higher order modes can be neglected in future adaptive optics sensing and correction schemes implemented into confocal or multiphoton microscopes, leading to more efficient designs.     

冻结大气湍流下自适应光学系统的预测校正性能

针对自适应光学系统的校正滞后问题,提出预测校正方法,并对预测校正的鲁棒性进行了分析。冻结湍流假设下,Shack-Hartmann波前传感器的探测斜率一定程度保留了湍流的时域演变模式。利用横向风信息对斜率进行傅里叶平移,能实现斜率的预测。采用直接斜率法计算变形镜面形,能实现预测校正。仿真结果表明,提出的波前预测方法在横向风已知时,几乎能完全克服延迟导致的性能损失;当横向风需要估计时,该方法在风向估计准确的条件下能容忍1倍于自身的风速估计误差,或者在风速估计准确的条件下60°的风向估计误差,均能实现校正性能的提升;在风速和风向误差同时存在时,在较大的误差范围内依然能够提升系统的校正能力。     

人眼波前像差客观测量的研究

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。运用Zernike多项式表示人眼波前像差函数,研究Zernike多项式与人眼波像差的对应关系以及一些高级像差对人眼成像质量的影响。通过对自适应光学中Zernike多项式重建波前理论的研究,重点分析了应用Hartmann-Shack波前传感器测量人眼客观像差并用变形反射镜矫正人眼像差的解决方案。对提高正常眼睛的视力和人眼屈光矫正手术具有重要的实验和临床价值。     

液晶空间光调制器对真实人眼畸变波前的校正研究

目的:本文对一个用于人眼畸变波前探测和校正的自适应光学系统的性能进行测试和研究。方法:沙克-哈特曼波前探测器,高分辨率的液晶空间光调制器分别被用来探测和校正人眼的畸变波前。结果:对近视500度的人眼进行自适应校正后校正精度达到波前残差的均方根误差为0.013个波长（=0.808 nm）。眼底原来模糊的细胞可以被清晰分辨。结论:液晶空间光调制器可以有效校正人眼畸变波前,达到提高成像质量的目的。     

Simulation of specimen-induced aberrations for objects with spherical and cylindrical symmetry

Wavefront aberrations caused by the refractive index structure of the specimen are known to compromise signal intensity and three‐dimensional resolution in confocal and multiphoton microscopy. However, adaptive optics can measure and correct specimen‐induced aberrations. For the design of an adaptive optics system, information on the type and amount of the aberration is required. We have previously described an interferometric set‐up capable of measuring specimen‐induced aberrations and a method for the extraction of the Zernike mode content. In this paper we have modelled specimen‐induced aberrations caused by spherical and cylindrical objects using a ray tracing method. The Zernike mode content of the wavefronts was then extracted from the simulated wavefronts and compared with experimental results. Aberrations for a simple model of an oocyte cell consisting of two spherical regions and for a model of a well‐characterized optical fibre are calculated. This simple model gave Zernike mode data that are in good agreement with experimental results.     

Performance evaluation of a sensorless adaptive optics multiphoton microscope

A wavefront sensorless adaptive optics technique was combined with a custom‐made multiphoton microscope to correct for specimen‐induced aberrations. A liquid‐crystal‐on‐silicon (LCoS) modulator was used to systematically generate Zernike modes during image recording. The performance of the instrument was evaluated in samples providing different nonlinear signals and the benefit of correcting higher order aberrations was always noticeable (in both contrast and resolution). The optimum aberration pattern was stable in time for the samples here involved. For a particular depth location within the sample, the wavefront to be precompensated was independent on the size of the imaged area (up to ～360 × 360 μm²). The mode combination optimizing the recorded image depended on the Zernike correction control sequence; however, the final images hardly differed. At deeper locations, a noticeable dominance of spherical aberration was found. The influence of other aberration terms was also compared to the effect of the spherical aberration.     

用校正法提高补偿器检测法的精度

研究了一种测量、分离补偿法检测补偿器非圆对称误差的技术,这种技术基于波面误差可用泽尼克圆多项式来表述。通过使补偿器或被测非球面绕系统光轴旋转到多个不同的角度,得到多个测量结果,根据这些测量结果,计算得到由补偿器误差带来的波面误差的非圆对称项泽尼克圆多项式系数,接着根据这些非圆对称项泽尼克圆多项式系数制作一个校正文件对非球面的测量结果进行校正,利用该技术可有效减轻对补偿器材料、加工及装校的苛刻要求,提高测量精度。实验结果表明:对某一被测非球面不用该技术时测量结果为0.105 λ(RMS),应用此技术后的测量结果为0.026 λ(RMS),且被测面在几个任意不同角度时的测量结果相差只有0.001 λ(RMS),效果很好。该技术已被应用到实际的双曲面凸面反射镜的测量中。