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。     

基于归一化互相关因子的波前测量研究

为实现对光束近场强度分布不均匀或低信噪比场景中的高精度波前测量,分析了低信噪比情况下,在基于夏克-哈特曼波前传感器的自适应光学系统中,分别使用基于归一化互相关因子的相关算法与目前常用的自适应阈值灰度质心法时,信噪比对质心探测精度及后续波前复原精度的影响。通过数值仿真与实验对比,证明了基于归一化互相关因子的相关算法在不同光强条件下的波前测量结果一致性与准确性都高于自适应阈值的灰度质心法,其可为自适应光学系统在像差探测能力上提供更高的准确性与鲁棒性。针对基于归一化互相关因子的相关算法计算量较大,软件计算实时性较差,难以满足工程实用需要的问题,提出了一种基于算法实现优化与多级并行计算的加速方法,对448单元子孔径的夏克-哈特曼波前传感器可实现每秒上千赫兹的计算速度,可满足大部分自适应光学系统波前探测实时性的工程需要。     

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.     

哈特曼波前传感器的应用

夏克—哈特曼（S－H）波前传感器可以用很高的采样频率同时测量出光场的相位分布和强度分布。它不仅作为波前传感器广泛地应用于自适应光学系统之中，而且还用于光学元件和光学系统的检测、激光光束质量诊断和大气扰动测量之中。我们研制了一系列S－H波前传感器。本文总结了这些传感器在不同领域的测量结果。     

基于光场相机波前传感器的气动光学效应校正研究

受气动光学效应的影响,来自目标的光波波前会产生动态扰动,导致成像模糊化。常用的校正方法是在测得波前的前提下进行解卷积处理,达到还原图像的效果。传统的波前传感器只能有效测量中心视场,由于存在非等晕问题,导致所能还原的图像区域过小。光场相机波前传感器作为一种新型波前传感器,具有视场大、动态范围大的优点,可以同时探测模糊图像不同区域的点扩散函数,从而一次性还原整幅图像。文章利用Matlab模拟了光场相机的大视场波前探测特性,对气动光学效应引起的模糊图像进行清晰化处理,并与夏克-哈特曼传感器的模拟结果进行了比较。结果表明,光场相机波前传感器可以对气动光学效应造成的波前扰动进行有效的大视场波前探测,一次探测能够清晰化整个视场的图像,且视场范围是传统波前传感器的数倍以上。     

照明物镜数值孔径对微孔衍射波前质量影响分析

通过微孔衍射产生高质量的球面波是进行夏克-哈特曼波前传感器(SHWS)高精度标定的关键。采用时域有限差分(FDTD)法,进行了193 nm准分子激光照明下有限厚度有限电导率微孔的衍射仿真计算,分析了照明物镜数值孔径(NA)对微孔衍射波前质量的影响,确定了满足SHWS高精度标定所需微孔直径和照明物镜NA的大小。分析计算得出,采用直径为200 nm的微孔及NA为0.6~0.75的照明物镜时,衍射波前均方根(RMS)偏差为3.50×10-3λ,强度均匀性为0.10,微孔透射率约为0.15,满足SHWS进行纳米精度波像差检测对参考球面波质量的要求。     

自适应光学系统光学部分的计算机模拟

利用相位屏（PS）方法通过软件模拟大气湍流,进而研究了自适应光学（AO）系统中哈特曼一夏克（H—S）波前传感器的计算机模拟技术。使用基于Zernike多项式的模式法重构波前,验证了模拟方法的可行性,完成了AO系统光学部分的计算机模拟。     

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。     

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。     

CO2 激光辐照下光学薄膜的热畸变研究

采用夏克- 哈特曼波前传感器对不同基底材料、不同厚度单层光学薄膜以及不同膜系 的多层光学薄膜样品在10. 6μm激光辐照下的热畸变进行了实验研究。     

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。     

基于近红外CMOS的激光光斑质心检测系统设计

为实现在复杂背景光照条件下具有较高的光斑探测灵敏度,高精度的坐标计算,及大于1000 fps的结果输出速度,介绍了一种基于近红外CMOS图像传感器,实时计算光斑质心坐标并输出的系统.设计使用安森美半导体公司的Python1300系列近红外图像传感器NOIP1FN1300A对激光光斑成像.利用Cyclone4系列低功耗F...     

帧频838Hz的高速实时波前处理机

波前处理机用于完成自适应光学系统中的波前处理运算，其延时直接影响系统的控制带宽。该处理机根据帧频835HZ的哈特曼波前传感器输出信号的特点，用5片TMS320C50和1片TMS320C31，采用流水和并行处理技术，峰值运算速度达3亿次／秒，运算延时仅0．7ms。     

High-Speed,SAD Based Wavefront Sensor Architecture Implementation on FPGA

Wavefront aberrations caused by turbulent or rapidly changing media can considerably degrade the performance of an imaging system. To dynamically compensate these wavefront distortions adaptive optics is applied. We developed an affordable adaptive optic system which combines CMOS sensor and Liquid Crystal on Silicon (LCOS) display technology with the Field Programmable Gate Arrays (FPGA) devices parallel computing capabilities. A high-speed, accurate wavefront sensor is an elemental part of an adaptive optic system. In the paper, an efficient FPGA implementation of the Sum of Absolute Differences (SAD) algorithm, which accomplishes the correlation-based wavefront sensing, is introduced. This architecture was implemented on a Spartan-3 FPGA which is capable of real-time (>500 fps) measuring the incoming wavefront.     

提高波前探测精度的高阶矩方法

夏克-哈特曼波前传感器测量畸变波前的探测精度主要取决于光斑质心的测量精度。提出了一种提高光斑质心探测精度的新方法,在优化的探测窗口内使用高阶矩方法计算光斑的质心。首先,在整个子孔径内,通过一阶矩方法获得光斑的近似中心,然后以这个近似中心为中心,包含整个光斑,建立一个矩形窗口,并在该窗口内通过高阶矩方法重新计算光斑的质心。通过该改进的方法,在优化的探测窗口外,噪声的影响基本被消除;在优化的探测窗口内,噪声的影响也因为光斑权值比重的增大而削弱。实验结果证明:与传统方法相比,新方法提高了光斑质心测量的精度、重复性和稳定性。     

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。     

一种基于Shack-Hartmann传感器的自适应波前重建算法

波前重建是自适应光学系统中的一个重要环节,对系统性能影响明显。研究了一种无参考输入光条件下,基于Shack-Hartmann波前传感器的自适应波前重建算法,能根据实际光斑图的特点,自动确定探测窗口、计算实际质心、参考质心、选择重建区域和获取入射波前的Zernike模式系数,讨论了参考质心选择对波前重建结果的影响。搭建自适应光学系统,通过测量和校正模拟大气像差对重建算法进行了验证。实验结果表明,基于该重建算法的自适应光学系统可以把大气扰动引起的波前像差校正到0.1 λ以下,获得接近衍射极限的成像质量,说明该重建算法具有可靠性与实用性。     

基于多GPU的液晶自适应光学波前处理器

为了满足4 m天文望远镜液晶自适应光学系统的波前处理要求,研究了基于多GPU的波前处理器。介绍了液晶自适应光学波前处理方法。分析了用于匹配4 m望远镜的哈特曼探测器数目、Zernike模式数和液晶校正器驱动单元数。详细论述了多GPU下波前处理方法,包括:单GPU下计算斜率;按列分块法拟合Zernike系数;Zernike对称性算法和按行分块法计算液晶校正器灰度图。最后,分析了匹配4 m望远镜的液晶自适应光学系统的残余误差传递函数,并由此模拟了残余误差传递函数的幅频响应。实验结果表明,斜率计算延迟18 μs,Zernike系数拟合延迟39 μs,校正器灰度图计算延迟114 μs。多GPU下总的波前处理延迟171 μs,小于哈特曼探测器采样时间500 μs,液晶自适应光学系统-3 dB残余误差抑制带宽可达53 Hz。满足4 m天文望远镜的应用要求。     

哈特曼原理子口径斜率扫描检测及误差研究

提出了一种基于哈特曼原理子口径斜率扫描再重构波面的检测方式,研究了一种解决大口径光学系统不同俯仰角下的像质评价的方法。该方法无需同等口径标准镜,通过扫描方式获取波面信息。采用光学软件与数学分析软件通过DDE接口连接进行计算机联合仿真的方式进行探究,仿真光学系统采用主镜720 mm,次镜100 mm的卡塞-格林系统来验证该方法的可行性,利用随机误差注入及多次扫描平均的方法进行了该检测方式中重构波面精度的研究;系统探究了光斑中心提取误差、子口径定位误差、子口径倾斜误差对于该检测方法重构波面精度的影响。给出了该方法仿真结果与光学软件仿真结果的对比,并获取了误差注入时各误差与重构波面精度的物理模型。     

Shack-Hartmann 波前传感器质心探测的优化方法

为提高Shack-Hartmann(S-H)波前传感器的光斑质心探测精度,在分析质心探测误差来源的基础上,提出基于模板匹配的探测窗口选取方法和基于单个光斑的自适应阈值选取方法,将这两种方法与加权质心算法相结合求取质心,提高了质心探测精度。与固定阈值和传统质心算法相比较,当SNR 大于3 时,质心探测精度平均提高了约40%。将文中的方法应用于可见光波段的商品S-H 波前传感器,实验表明:文中方法得到的质心偏离度由传统方法的0.83 pixel 的最大值减小至0.15 pixel。该工作有重要的应用价值。