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。     

液晶波前校正器校正水平方向上的大气湍流

利用液晶波前校正器和哈特曼波前传感器组成的自适应光学系统对水平方向500 m的大气湍流进行校正.首先测定了液晶波前校正器(LCWFC)的位相调制特性,测定结果表明其可以实现一个波长的调制量,同时利用Garoma校正实现了位相和灰度之间的线性调制关系.然后将该系统与孔径220 mm的望远镜进行对接.液晶自适应校正后,波面均方根误差降低到0.06λ,实现了0.68"的系统衍射极限分辨.实验结果表明:液晶波前校正器可以很好地校正水平方向500 m的大气湍流扰动.     

液晶波前校正器位相调制非线性及闭环校正研究

研究了液晶波前校正器位相调制曲线非线性的校正以及液晶自适应闭环对畸变波前的校正.利用液晶显示器领域通用的Gamma校正技术实现对液晶波前校正器非线性的校正.首先,通过施加线性的LUT曲线以获得512个LUT值对应的位相调制量.然后通过对一个波长位相调制量的线性化分割,找到能够获得线性位相调制的LUT函数曲线.最后将该优化曲线写入液晶波前校正器的驱动电路板中,再次驱动液晶波前校正器并利用ZY-GO干涉仪测量位相调制和灰度级的关系,得到了线性的位相调制.利用线性的液晶波前校正器结合哈特曼波前探测器和波前控制器进行了自适应闭环校正研究.校正前,PV和RMS的平均值分别为2.5牒.48耄痪栈纷允视πＵ琍V和RMS的平均值分别下降为和.分辨率板的一级像也由模糊变得清晰.实验结果说明,经过线性化的液晶波前校正器可以获得高校正精度.     

中科院长春光机所液晶光学研究团队

正中科院长春光机所液晶光学研究团队由1999年中科院"百人计划"引进的人才宣丽研究员组建。目前有固定人员13人,其中:研究员4人,副研究员5人,助理研究员1人,工程师1人,研究实习员2人,在读研究生25人。研究方向以基于液晶波前校正器的自适应光学(AO)成像为主,应用于大口径望远镜和人眼视网膜检查设备。"十一五"期间,先后完成国家自然基金重点项目"可见-近红外宽波段快速液晶自适应系统的研究"、863"十一五"规划重点项目液晶自适应波面校正系统,攻克了液晶波前校正器响应速度慢、偏振能     

中科院长春光机所液晶光学研究团队

正中科院长春光机所液晶光学研究团队由1999年中科院"百人计划"引进的人才宣丽研究员组建。目前有固定人员13人,其中:研究员4人,副研究员5人,助理研究员1人,工程师1人,研究实习员2人,在读研究生25人。研究方向以基于液晶波前校正器的自适应光学(AO)成像为主,应用于大口径望远镜和人眼视网膜检查设备。"十一五"期间,先后完成国家自然基金重点项目"可见-近红外宽波段快速液晶自适应系统的研究"、863"十一五"规划重点项目液晶自适应波面校正系统,攻克了液晶波前校正器响应速度慢、偏振能     

中科院长春光机所液晶光学研究团队

<正>中科院长春光机所液晶光学研究团队由1999年中科院"百人计划"引进的人才宣丽研究员组建。目前有固定人员13人,其中:研究员4人,副研究员5人,助理研究员1人,工程师1人,研究实习员2人,在读研究生25人。研究方向以基于液晶波前校正器的自适应光学(AO)成像为主,应用于大口径望远镜和人眼视网膜检查设备。"十一五"期间,先后完成国家自然基金重点项目"可见-近红外宽波段快速液晶自适应系统的研究"、863"十一五"规划重点项目液晶自适应波面校正系统,攻克了液晶波前校正器响应速度慢、偏振能     

中科院长春光机所液晶光学研究团队

<正>中科院长春光机所液晶光学研究团队由1999年中科院"百人计划"引进的人才宣丽研究员组建。目前有固定人员13人,其中:研究员4人,副研究员5人,助理研究员1人,工程师1人,研究实习员2人,在读研究生25人。研究方向以基于液晶波前校正器的自适应光学(AO)成像为主,应用于大口径望远镜和人眼视网膜检查设备。"十一五"期间,先后完成国家自然基金重点项目"可见-近红外宽波段快速液晶自适应系统的研究"、863"十一五"规划重点项目液晶自适应波面校正系统,攻克了液晶波前校正器响应速度慢、偏振能     

液晶自适应光学在天文学研究中的应用展望

液晶波前校正器作为一种高单元密度的新型波前校正器件,通过相息图的衍射可以轻松实现十微米的波前位相校正量。因此,基于液晶波前校正器的自适应光学(LCAO)系统是21世纪天文观测领域非常有希望普及的系统。但是液晶波前校正器存在响应速度慢(10ms)、能量利用率低的双重问题,国际上一直处于探索研究中。本课题组不但解决了能量问题,而且在速度方面不断取得进步,所研制的LCAO系统与1.23m口径望远镜连接,清晰观测到土星及其环绕的光环带,分辨出4.8和5.5视星等的α-Com双星,成像分辨率达到1.8倍衍射极限分辨率;目前系统延迟时间只有2ms,可以说已达到工程应用水平,在装备8~10m级大口径天文学望远镜方面极具应用潜力。     

中科院长春光机所液晶光学研究团队

正中科院长春光机所液晶光学研究团队由1999年中科院"百人计划"引进的人才宣丽研究员组建。目前有固定人员13人,其中:研究员4人,副研究员5人,助理研究员1人,工程师1人,研究实习员2人,在读研究生25人。研究方向以基于液晶波前校正器的自适应光学(AO)成像为主,应用于大口径望远镜和人眼视网膜检查设备。"十一五"期间,先后完成国家自然基金重点项目"可见-近红外宽波段快速液晶自适应系统的研究"、863"十一五"规划重点项目液晶自适应波面校正系统,攻克了液晶波前校正器响应速度慢、偏振能     

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。     

开环双波段人眼视网膜成像液晶自适应光学系统设计

设计了一套基于开环双波段模式的人眼视网膜成像液晶自适应光学系统。该光学系统分别采用夏克-哈特曼波前传感器和液晶空间光调制器来探测和校正波前畸变。探测波段采用830nm近红外光,成像波段采用790nm近红外光。采用开环模式以提高光能利用率和系统的稳定性,采用双波段模式以增大视场。新加入了瞳孔监控子系统和响应矩阵测量子系统,使系统更加灵活方便。介绍了系统的关键参数,并通过ZEMAX软件对光学系统进行模拟分析,认为系统可以达到接近衍射极限的效果。传递函数MTF@50lp/mm达到0.25(对应视网膜上3μm),满足设计要求。     

基于随机并行梯度下降算法的望远镜静态像差校正

为校正大口径量子通信望远镜的静态像差,提高接收信号光的能量集中度,提出了基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的静态像差校正方法。该方法不同于经典的自适应光学校正方法,无需波前传感器,可有效降低系统的复杂性。对SPGD算法进行了分析,在此基础上利用64单元变形镜和CCD探测器搭建了校正平台,并将该校正平台应用到青海湖量子通信地面站望远镜系统,对700mm望远镜的静态像差进行了校正,远场光斑直径由校正前的58μm改善为30μm,验证了SPGD算法对望远镜波前畸变校正的可行性。     

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。     

基于光场相机结构的自适应光学系统仿真研究

在自适应光学系统中,采用传统的哈特曼波前传感器只能在较小视场范围内对大气湍流进行有效校正,而以光场相机作为波前探测器具有视场大、一次曝光可获得多视角方向湍流信息等特点,可以替代传统多层共轭自适应光学（MCAO）系统中的多个波前探测器,达到简化系统,节约成本的效果。文中采用自主研发的光学系统仿真软件Seelight中的光场相机模块,结合光场数字重聚焦技术、模式法大气层析技术,复原了大视场完整波前,并搭建了自适应光学仿真系统,模拟与89单元变形镜配合实现在闭环工作模式下对大视场的大气湍流引起波前畸变的有效校正。     

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FPGA的夏克-哈特曼探测器实时波前处理机

夏克-哈特曼波前传感器是目前自适应光学系统中应用最为广泛的实时波前探测器.本文针对具有高分辨、高帧速、大规模子孔径数的夏克-哈特曼传感器,根据其波前处理计算量和实时性的要求,提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA,field-programmable gate array)的实时波前处理机结构及波前斜率计算方法.该方...     

基于激光钠导星的星载自适应光学系统

用于对地观测的星载光学系统受空间环境及相机内环境的影响而存在波前畸变问题,从而导致成像质量变差。为获得分辨率达到近衍射极限水平的图像,需要利用自适应光学技术对波前畸变进行自适应光学校正。提出了一种基于星外信标的自适应光学系统实现畸变波前校正的方案,并给出仿真实验,从而为星载自适应光学的进一步研究提供了依据。     

无波前传感自适应光学神经网络控制方法

针对无波前探测自适应光学系统,研究了基于神经网络的波前控制方法。建立了无波前探测自适应光学仿真模型,分别采用卷积神经网络(Convolution Neural Network,CNN)和普通神经网络(General Neural Network,GNN)作为控制算法,远场光斑图像为神经网络的输入信号,一定阶数的泽尼克模式系数为神经网络的输出,分析了波前校正效果。仿真结果表明,经过充分训练后的神经网络可以快速、准确地从远场光斑图像中复原出入射波前的低阶泽尼克模式系数,CNN的效果优于GNN,二者的损失函数值分别为0.015 8和0.037 6。相比于传统的迭代式寻优控制方法,神经网络控制方法能够基于远场光斑图像快速得到控制信号,在实时性方面有明显优势。