自适应光学系统中的波前曲率传感技术

本文阐述了波前曲率传感技术的基本原理,分析了传统实现方案的优缺点;重点介绍了近年发展起来的的基于衍射光栅的渡前曲率传感器及其工作原理;对比分析了波前曲率传感器的两种相位恢复算法;介绍了波前曲率传感器的最新应用情况以及国内对波前曲率传感器研究和应用的最新进展.     

波前曲率传感器的测量软件设计

波前曲率传感器是一类重要的波前测量装置。针对波前曲率传感器,在Visual Studio 2013平台下,基于OpenCV库函数和MFC库函数,利用C++语言开发了通用性较强的波前测量软件,实现了基于拉普拉斯算子本征模式法的波前在线测量和离线数据处理等功能。在此基础上,搭建了光栅型波前曲率传感器实验装置对该软件模块进行测试。通过与MATLAB波前复原结果进行对比,验证了该波前复原软件模块的准确性。模块化设计方法使得该软件模块具有良好的通用性和拓展性。     

基于子孔径波前振幅调制的斜率和曲率信号提取算法

斜率和曲率混合型波前传感技术将子孔径内波前的一阶和二阶导数信息全部利用起来,能够实现高阶像差的精密测量,是区域型波前传感技术的一个重要发展方向。在利用子孔径波前振幅调制的斜率和曲率混合型波前传感器的基础上,提出了一种基于质心探测的斜率和曲率信号提取算法,实现各个子孔径内待测波前斜率、拉普拉斯曲率以及扭转曲率的直接测量。仿真结果表明,在理想条件下,单一子孔径内斜率和曲率信号的检测精度均在0.02（=632.8 nm）以内;噪声水平小于10%时,斜率和曲率信号的检测精度均在0.08以内。该算法具有较高的检测精度及良好的抗噪性。     

哈特曼波前传感器的Matlab仿真

目前哈特曼(Hartmann)传感器被越来越广泛的应用.文中介绍了Hartmann波前传感器原理,利用Matlab仿真了单束、双束光入射Hartmann波前传感器时的CCD上光强度图样,结果依然遵循夫琅和费衍射.     

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。     

波前曲扭和幅度变化对阵列测向中相干源分辨的影响

首先给出了形式简洁的由直射信号和多径信号相干干涉而引起的波前曲扭和信号幅度变化的一组公式,并给出了计算机模拟结果。然后以此为依据分析了使用子空间拟合类的阵列测向方法时阵列孔径对波前曲扭的不同覆盖情况对相干源分辨的能力的限制,并用计算机模拟结果进行了验证。分析与模拟结果表明:①相干源的分辨能力比独立信源的分辨能力要差;②当阵列孔径覆盖波前曲扭一个周期以上时,可以得到很好的分辨结果;③当阵列孔径覆盖波前曲扭不足一个周期但有明显的曲率时,可以得到有偏的分辨结果;④当阵列孔径覆盖波前曲扭不足一个周期且无明显的曲率变化时,只能得到直射信号方位角的有偏估计。     

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.     

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...     

固体激光器波前畸变自适应校正技术及研究进展

自适应光学(AO)作为一种主动光学补偿技术,由于具有结构简单、校正效果好、可闭环运行等优势,被大量用于校正激光波前畸变,并于近年逐渐应用于高能激光器系统中。综述了AO系统工作的基本原理,系统论述了近年来国内外在AO系统校正固体激光畸变方面的研究进展。按照校正固体激光器波前畸变的AO系统中有无采用波前传感器,将其分为无波前探测和有波前探测的AO校正技术进行介绍,分析了各个研究工作的关键性技术。最后总结了目前存在的技术难题,并对AO技术在固体激光器中的应用前景进行了展望。     

哈特曼与CCD传感器信标光轴精密定位对比

捕获、对准和跟踪是大气激光通信系统的核心技术,信标光轴的精密对准可提高通信的稳定性和降低通信误码率.信标光轴的对准主要是对大气激光通信中光束到达角的计算,应用传统的CCD传感器的光斑质心算法,在强湍流的扰动下已经无法准确地测量光束的到达角;提出了应用哈特曼传感器对波前进行探测,采用Zernike多项式模式法重构波前实时...     

基于波前测量的图像复原技术综述

基于波前测量的图像复原技术成本低,性能优越,广泛应用于各种领域。介绍了这种方法的基本原理、关键技术和发展过程,与传统的自适应光学系统和线性复原技术比较,基于波前传感器测量的图像复原不仅降低了费用,而且图像恢复的性能较高。针对高速飞行器的图像恢复问题,分析了基于波前测量的图像复原技术的优缺点,并提出了改进方法。     

利用光纤曲率传感器测量轴向应变

为了实现对轴向线应变的测量,建立了光纤曲率传感器的轴向线应变测量系统。对系统中传感器的布置方式、敏感区的位置优化和测量系统的数学模型等进行了研究。根据光纤曲率传感器只对曲率变化敏感的特性,将传感器绕成圆弧形布置在被测物体的表面,并保持传感器敏感区表面与被测物体表面垂直;对传感器上的点在轴向力作用下的移动轨迹进行了分析,建立了轴向线应变与传感器曲率之间的数学模型;在上述数学模型的基础上,对传感器敏感区的位置进行了优化。最后,对聚氨脂橡胶块在电子万能实验机上进行压缩,使其产生轴向线应变,利用上述的测量系统对聚氨脂橡胶块的轴向线应变进行了测量实验。实验结果表明,本文系统的应变测量精度为0.002 8应变单位。     

柔性复合基体光纤布拉格光栅曲率传感器

面向生物医学智能装备和软体机器人等领域柔性机构以及高端装备和重大基础设施复杂结构的曲率测量需求,提出一种高适应性柔性曲率传感器。通过将光纤布拉格光栅封装在硅胶基体中,并将硅胶基体与聚氯乙烯薄片贴合,形成基于光纤布拉格光栅的柔性硅胶曲率传感器。采用光纤传感解调系统和标准曲率标定块,实验测得光纤光栅传感器反射谱特征及其随标定块曲率变化规律,分析了光栅波长位移与曲率变化的关系以及传感器灵敏度与嵌入硅胶基体深度的关系。实验结果表明:硅胶-聚氯乙烯基体的曲率传感器可以实现曲率变化实时测量,最高灵敏度可达0.329 2 nm/m-1。随着光纤光栅嵌入深度的增加,传感器灵敏度在0.2~0.35 nm/m-1范围内逐渐增大。在多次重复测量中传感器具有较好的一致性,可用于柔性机构和复杂结构的曲率测量。     

利用剪切干涉仪测量激光大气传输相位畸变

文中就利用剪切干涉仪测量激光大气传输相位畸变的问题进行了探讨.对横向剪切干涉仪(LSI)及Hartmann波前传感器的波前探测和复原进行了类比仿真分析,结果表明在同等条件下,前者的波前复原能力优于后者.利用我们研制的二维剪切干涉仪,对激光大气传输湍流效应引起的波前畸变进行了测量,对实验结果进行了初步的研究分析,并首次得到了激光大气传输相位不连续性的直接测量结果,验证了LSI应用于测量激光大气传输相位畸变的可行性和优越性.     

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。     

阵列透镜测量仪的设计与应用分析

为了解决500mm以上大口径光束波前的实时测量问题,设计了一种波前测量系统,即透镜阵列测量仪,其最大优点是避免了现有的H-S波前传感器所面临的大口径缩束器的加工难题。介绍了该测量系统的组成结构及其测量原理,分析了测量系统在设计中的参数选择,并根据具体的系统参数讨论了测量系统的检测性能。在此基础上,利用数值模拟对1200mm口径光束进行了波前测量的仿真实验研究,分析了测量过程中系统标定对透镜阵列测量仪的作用。仿真实验表明,透镜阵列测量仪能够实现大口径光束的波前探测。     

Hartmann—Shack传感器在光束质量测量中的应用

Hartmann-Shack探测器是广泛应用在适应光学技术、光学加工检测及激光光束质量检测等方面的一种新型波前探测技术。本文在介绍了Hartmann-Shack传感器原理的基础上,着重讨论了它在激光光束质量测量方面的应用.     

利用相位恢复波前传感技术检测球面镜面形

为了验证相位恢复波前传感器系统波前检测的能力,搭建了基于相位恢复测量方法的波前传感器检测球面镜面形的实验平台。该平台结构简单,抗震动,可以在对光路不进行任何改变的前提下,利用成像系统上已有的相机对整个光学系统进行在位检测。为了验证相位恢复波前传感器测量方法的准确性,将相位恢复波前传感器测量结果与ZYGO干涉仪测量结果进行比较,实验结果表明在面形误差分布及误差的峰谷值(PV)和方均根值(RMS)上,两者具有极大的相似性,所以利用相位恢复波前传感器技术能有效地检测出球面镜的面形误差。     

应用于折射率检测的光纤表面等离子体波传感器的研究

光纤表面等离子体波传感器具有结构简单、灵敏度高等特点,在机敏结构中具有非常重要的应用前景。运用光纤表面等离子体波来测量折射率是一种简便、灵敏的方法,我们可以利用这一特性制作出通过检测折射率对复合材料进行固化检测的光纤表面等离子体波传感器。本文介绍了光纤表面等离子体波传感器的基本原理及利用这种光纤传感器来测量折射率的初步研究。