基于模式投影抑制的无波前传感器双变形镜自适应光学系统解耦控制

为实现无波前传感器自适应光学系统中双变形镜的解耦控制,本文提出了一种基于模式投影抑制的双变形镜解耦控制方法,其中：低空间分辨率大行程变形镜使用模式法进行控制,用于低阶像差校正;高空间分辨率变形镜用于校正高阶像差。同时,通过投影抑制法消除高空间分辨率变形镜中的低阶校正分量,进而实现两个变形镜的高效协同工作。理论分析与仿真结果表明,相比传统的无波前传感器自适应光学系统的解耦算法,本文所提解耦控制方法在稳定性、解耦计算的运算量上均有更优异表现,并可实现良好的耦合误差抑制与像差校正效果。所提算法的有效性得到了原理性实验的验证。     

MEMS微变形反射镜校正波前静态畸变实验

微变形反射镜(MEMS-DMs)是用于自适应光学中波前校正的重要元件.对微变形镜波前校正原理进行了分析,设计了基于自适应光学系统的测试系统,通过闭环控制技术成功地利用一种分离式MEMS-DMs校正了实验系统中位相板引入的波前畸变,实验结果显示离焦项Zernike系数相对最大,是造成整个波面畸变的最重要的原因.MEMS-DMs对低阶波前畸变校正较好,高阶波前畸变校正时残余误差比较大,增加控制电极数量可以更好地校正高阶模式的波前畸变.基于自适应光学系统的MEMS-DMs波前畸变校正实验系统,可以为今后全面优化设计微变形反射镜及其更适应自适应光学系统的需要提供实验数据与理论支持.     

基于泽尼克模式系数的自适应光学遗传算法

为了提高遗传算法(GA)控制的自适应光学(AO)系统的收敛性能,建立了一套新型的基于泽尼克(Zernike)模式系数的19单元自适应光学系统模型。在优化过程中,遗传算法不直接优化变形镜(DM)19个驱动器上的电压值,而是优化前10阶泽尼克模式系数。推导出19个电压值与前10阶泽尼克模式系数之间的关系矩阵,并进行了对比数值仿真。结果表明,该系统能够更好地校正固体激光器系统输出光束的波前像差。相对于直接优化变形镜电压值的无波前自适应光学系统,该自适应光学系统能够将遗传算法的收敛速度提高5倍以上。     

913单元变形镜性能测试与分析

为了满足自适应光学系统校正高阶像差和在低温环境下正常使用的要求,研制了一块913单元的分立式连续表面变形镜。利用?300mm口径Veeco干涉仪对变形镜的部分静态性能进行了面形影响函数测量、面形展平测试和Zernike像差拟合测试,并利用4-D动态干涉仪测量了变形镜从20℃~-10℃的面形。结果表明,913单元分立式连续表面变形镜各驱动点的最大变形量为±3.5μm,相邻驱动器之间的交连值为9.3%;展平后的镜面面形波峰波谷值为66.0nm,均方根值为5.0nm;913单元变形镜对Zernike多项式的拟合能力达到了设计要求;变形镜的低温镜面变形不影响系统的正常使用。该913单元变形镜能够满足自适应光学系统的实际使用要求。     

高度屈光不正人眼的视网膜自适应成像系统

为了更好的利用液晶自适应成像系统进行具有较大屈光不正人眼像差校正及视网膜的成像,建立了一套基于低阶像差自补偿的眼底自适应成像系统。该系统采用基于人眼调节特性的光学系统进行屈光补偿,用夏克哈特曼波前传感器进行实时的波面探测,将探测所得波前畸变进行波前重构,通过LCOS波前校正器进行高阶像差的波面校正提高系统成像质量。经过校正后系统波前误差得到有效控制。光学系统的分辨率接近70 lp/mm,已经到达该光学系统的衍射极限分辨。可以得出:液晶自适应视网膜成像系统可以满足高度屈光不正情况下的人眼视网膜成像要求。     

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。     

基于Zernike模式法的变形反射镜补偿面型求解方法

针对变形反射镜校正非垂直入射畸变波前时,补偿面型求解的复杂性,借助波前补偿原理,提出利用变形反射镜对系统Zernike波像差的响应矩阵求解变形镜补偿面型的方法。结合Zernike模式法复原波前,利用CODEV仿真分析变形镜补偿畸变波前过程。以某红外自适应光学系统为例,仿真验证补偿效果。此方法能够简化变形反射镜控制算法,加深对自适应光学原理的认识。     

人眼像差校正线性二次高斯优化控制研究

为获得清晰的高分辨率人眼眼底视网膜图像,自适应光学系统中变形镜必须能够实时跟踪并补偿人眼中随时间变化的像差信息。对波前像差特别是动态像差的校正能力不仅取决于变形镜等硬件的性能,还与自适应光学系统中的控制算法密切相关。在不加大硬件复杂度的基础上,介绍了一种基于Kalman滤波的线性二次高斯(LQG)人眼像差校正最优控制模型。首先分析了自适应光学系统的离散性,证明在离散模式下研究自适应光学系统的可行性;然后建立了基于Kalman滤波的LQG优化控制模型,并给出基于LQG优化控制的像差校正控制算法;最后通过仿真实验验证了基于LQG优化控制的像差校正算法对动态人眼波前像差校正的可行性和有效性。     

层向多层共轭自适应光学系统的模拟

单层校正自适应光学系统只能在较小视场范围内对大气湍流进行有效校正,多层共轭自适应光学技术可以突破这种限制。介绍了层向多层共轭自适应光学系统基本结构及工作原理,研究了层向多层共轭自适应光学系统的模拟,内容包括:如何产生动态大气湍流波前数据、基于四棱锥波前传感器的波前复原算法、基于模式法的变形镜闭环校正控制过程等。对单层和两层的层向共轭自适应光学系统进行了模拟仿真,仿真结果表明:层向多层共轭自适应光学系统采用了更多的导星来校正两层大气湍流,比单层校正自适应光学系统具有更大的校正视场和更好的校正效果。     

0-1故障模型在自适应光学系统中的应用

自适应光学系统有效通光口径的变化会引起部分哈特曼传感器子孔径缺光以及部分变形镜驱动器失效,造成系统子孔径排布和驱动器排布的匹配布局发生改变,从而引起变形镜控制电压输入与哈特曼传感器反馈输出之间的对应关系发生变化。针对自适应光学系统有效布局变化的情况,首先从理论上分析了系统不能稳定工作的原因,并且提出采用0-1故障模型的新方法对自适应光学系统部分单元失效的情况进行建模,然后针对经典比例-积分控制算法进行修正。最后通过实验证明,采用0-1故障模型建模,可以保证系统的稳定运行,但自适应光学系统的部分单元失效,会引起系统对波前像差的校正能力的下降。     

Decentralized Youla parameterized adaptive regulation with application to surface shape control for magnetic fluid deformable mirrors

The magnetic fluid deformable mirror (MFDM) is a new type of wavefront corrector which has advantages compared to conventional wavefront correctors, such as higher stroke and lower fabrication cost. In this paper, a Youla (Q) parameterized adaptive regulation approach is proposed for the MFDM to correct both random and deterministic dynamic aberrations based on the dynamic model of the MFDM. The parameter Q is tuned online by a recursive least squares (RLS) algorithm so that it converges to the desired value. An adaptive optical system with a prototype MFDM is setup to verify the effectiveness of the adaptive controller. The control performance is also compared with a H_∞ controller to show the improvement of the wavefront residue RMS error. The result illustrates that the proposed adaptive control method can effectively control the mirror surface for the unknown dynamic aberration correction, especially to the deterministic disturbances in adaptive optics systems.     

分块式空间望远镜的波前校正方法

对于同时具有可变形分块式主镜和变形镜的空间望远镜光学系统,提出一种基于小波分解的并联波前校正法.该方法根据分块式主镜和变形镜的空间校正能力不同,利用小波分析的多分辨率分析的特点按不同尺度分解波前误差,将空间频率高于主镜空间带宽的各层波前误差合并为高频波前误差由变形镜校正,余下的低频误差由主镜校正;应用MATLAB小波工具箱对并联波前校正法进行数学仿真,并与依光路顺序的串联波前校正法进行比较,结果说明基于小波解耦的并联校正法波前校正精度高于串联校正法,适用于空间望远镜光学系统.     

面型误差和失调量对同轴三反系统像质的影响

应用于对地观测的高分辨同轴三反式系统对光学装调有着严格的要求,光学元件的失调量和由装配应力导致的面型误差都会严重影响系统成像质量。该方法通过镜面受力分析和光学系统仿真指导系统装调,以某商业遥感卫星搭载的同轴三反式镜头装调过程为例,分析失调量和面型误差的像差特性。通过分析光学元件失调量和面型误差与系统像散、彗差以及球差的关系,并利用系统波像差的均方根（RMS）作为系统像质的评价标准,得出各个光学元件失调量和面型误差对系统成像质量的影响权重。根据计算结果进行针对性调校,使系统各视场的平均RMS值收敛为0.06以下。经过多台同类镜头装调结果验证,证明该方法切实有效,可缩短装调周期,提升装调精度。     

High-resolution vehicle-based adaptive optical system with two-grade tip/tilt correction

The images obtained by a large optical detection system (>500 mm) are always blurred by atmospheric turbulence. To address this blurring, an adaptive optical system is urgently needed. Here, a 1.3 m vehicle-based adaptive optical system (VAOS), located on the Nasmyth focus, is investigated. A two-grade tip/tilt steering mirror is used to eliminate tracking jitter and atmospheric tipping error. Pupil matching and cooperation between the deformable mirror and the wavefront sensor are adopted to achieve high-order aberration measurement and correction via closed-loop correction and to allow the telescope to obtain high-quality imaging. For different seeing conditions and site locations, the VAOS achieves the sensing over the wavelength range from 0.5 μm to 0.7 μm using a Shack-Harmann wavefront sensor and the correction with a 97-unit deformable mirror for an imaging spectrum range from 0.7 μm to 0.9 μm. Moreover, the maximum detection capability of the system is greater than a visual magnitude of 5, and the angular imaging resolution is better than 0.3".     

离轴三反望远镜主镜和三镜面形误差补偿机理

为保证大口径离轴三反消像散(Three-Mirror Anastigmat,TMA)光学系统在轨成像质量,探明离轴TMA系统中次镜位姿与主镜及三镜面形误差补偿机理,以矢量像差理论为基础,用Zernike多项式表述离轴TMA系统镜面面形误差,并对系统镜面面形误差进行解析。通过分析发现,位于非光阑位置三阶彗差经光瞳坐标变换衍生出与视场线性相关像散;提出结合失调离轴系统矢量像差校正解析式,以系统出瞳波像差RMS值为评价标准,构建离轴TMA系统像差补偿模型,利用次镜位姿对主镜及三镜存在面形误差的离轴TMA系统进行补偿。仿真实验表明：系统主镜存在0.5λ像散与彗差时,所构建像差补偿模型可将系统出瞳波像差由0.18λ补偿至0.08λ;系统三镜存在0.05λ像散与彗差时,可将出瞳波像差由0.3λ补偿至0.1λ,且当三镜面形误差在(-0.03λ,0.03λ)范围内时,可将系统各视场RMS值补偿至系统设计值,使系统成像质量满足要求,为大口径反射式空间望远镜在轨主动装调提供进一步理论指导。     

超连续谱激光光束质量评价及提升方法

针对超连续谱的光束特性,分析了各种光束质量评价方法对超连续谱激光器输出光束质量评价的适用性,并综合各个评价方法的优缺点,找到一种最适合超连续谱光束质量的评价方法。要提高超连续谱激光光束质量,可以从两方面入手：一种是将光束的强度调整成为近高斯分布,另一种方法是补偿光束波前像差。对强度的补偿方法为增益导引效应,对波前像差的补偿方法有相位共轭镜、可变形镜等技术。利用球差校正板对球差进行补偿,也可以提高光束质量。     

自适应光学高分辨率共聚焦显微成像技术

生物样品折射率的空间变化导致了光学畸变的产生,这种畸变对于共聚焦显微镜观察厚的生物样品和活体体内组织成像是一种严重的限制。自适应光学(AO)技术是通过快速反应的变形镜使镜面发生形变来补偿像差,在共聚焦显微镜中应用自适应光学技术可以校正光学畸变,观察深层组织活动,进行活体成像和实时检测。详细分析了共聚焦显微镜中像差的来源及光学畸变的特点,讨论了目前在共聚焦显微镜中自适应光学校正的方案及研究现状,讨论了共聚焦显微镜中自适应光学的波前传感器、畸变测量和波前校正器,并探讨了目前超高分辨率显微成像技术的发展方向。     

On the theory of temporal aberrations for dynamic electron optics

A new theory for temporal aberrations of dynamic optics by applying the direct integral method is put forward in the present paper. A new definition of temporal aberration is given, in which a certain initial energy of electron emission emitted from a photocathode along the axial direction √εz1(0 ≤√εz1≤√ε0max) was taken as a criterion. New expressions of the temporary aberration coefficients in integral forms for the electron optical imaging systems have been deduced. An electrostatic concentric spherical system model is used to test and verify expressions of the coefficients given by the "direct integral method" and "τ variation method". The analytical solutions prove that both methods are correct and equivalent.Compared to the "τ variation method", the direct integral method only needs to carry out the integral calculation for the three geometrical temporal aberration coefficients of the second order, which is more convenient and suitable for computation in the practical design. Finally, results of the study for the theory of temporal aberrations of electron optical imaging systems, from the point of view of methodology, have been elaborated.     

基于干涉测量的Ф1.3 m非球面反射镜定心

Ф1.3 m凹椭球面反射镜是某遥感器光学系统的主镜,其定心精度要求苛刻。由于该反射镜口径大、顶点曲率半径长,利用定心仪法进行定心的实现难度大,精度低。通过分析非球面的两种偏心之间的补偿现象,可知激光跟踪仪接触测量定心的精度仅为0.15°。三坐标仪接触测量定心的精度能够达到0.005°,不过其量程受限,且在光学加工时的反复搬运会造成不便。利用Offner零位补偿检验光路进行干涉法定心,干涉法将反射镜偏心转换为检测系统波前的初级像差,同样可以达到0.005°的精度。该检测方法的误差来源主要是干涉仪焦点位置误差,是系统误差,可以通过旋转反射镜进行多次定心测量的方法予以消除。完成了该反射镜的定心,其结果与三坐标仪的测量结果对比,两种偏心的最大偏差仅为0.023 mm和0.002°。实现了大口径凹非球面反射镜的原位定心测量。     

无光焦度校正板的在主镜前牛顿光学系统的设计

详细描述了光阑在主反射镜前的无光焦度校正板 - 牛顿光学系统的设计方法.通过移动光阑位置,改变主镜偏心率,选择校正板光焦度,进行光学系统的光线计算,求解出光学系统的最佳选择,并给出各种设计曲线和设计结果,对光学系统进行合理的评价.并以通光口径φ=300,相对孔径A=1/2,视场角θ=±5°,校正板光焦度ψ<,11>=5的牛顿光学系统为例,分析得到系统优化后的像差系数S<,1>=0.000002λ,S<,2>=0.000025λ,0°视场时的波像差为0.3174λ,±5°视场时的波像差为90.9861λ.