大剪切量干涉的二维波前重建

提出一种基于模式展开和最小二乘拟合的算法，可以从大剪切量差分波前快捷地重建原始的二维波前。在傅里叶模式展开理论的基础上，从横向剪切干涉获得的差分波前，通过最小二乘拟合，可以计算出待测波前的傅里叶变换系数，重建出原始波前。针对大剪切量带来的差分相位数据维数减小的问题，提出了数据预处理方法。这个算法解决了已有的傅里叶模式估计理论中要求剪切量等于采样间隔的限制，可以应用于大剪切量干涉条件下的二维波前重建。     

基于数字化二次曝光干涉的光学元件波前畸变测量

将傅立叶变换条纹分析方法与二次曝光全息干涉计量相结合，提出了数字化二次曝光干涉术，用于测量光学元件引入的波前畸变。文中给出了理论分析，模拟与光学实验结果证实提出的方法具有高精度、快速的波前测量特点，可应用于激光系统中光学元件的波前畸变在线检测。     

利用液晶电视的位相调制特性补偿畸变波前

分析了液晶电视(LCTV)的位相调制特性,采用将液晶电视和能产生台阶波前畸变的位相物体同时置于环路径向剪切干涉(CRSI)装置入射光路中的方法,在液晶电视屏上输入可产生畸变波前对应的互补波前的灰度图。实现了台阶结构畸变波前的补偿。     

用于高重复频率热容主振荡功率放大器激光系统的波前检测技术

高重复频率热容主振荡功率放大器(MOPA)激光系统的工作过程一般只持续几秒至几十秒,在此过程中系统输出光束的波前畸变是动态变化的。采用环路径向剪切干涉(CRWSI)技术对高重复频率热容MOPA系统波前畸变的变化过程进行检测,并对系统的总体结构进行了设计。搭建了一个简化的实验系统,采用平凹透镜来代替光放大器产生波前畸变,并由此对环路径向剪切干涉仪的测量精度进行了验证。结果表明,实验测量结果与理论计算值之间的峰值误差为7.8%(0.02λ)。     

利用光栅实现二维波前延拓剪切干涉的设计

提出一种新的二维波前延拓剪切干涉的实验装置,利用光栅滤波实现波前延拓剪切干涉,大大简化了光学装置,为波前延拓剪切干涉的实用化提供了新思路。     

液晶光栅相控阵偏转波前测量方法研究

为了测试相控阵激光雷达的关键器件液晶光栅相控阵的偏转光束波前,以监控和评价雷达扫描光束的质量,采用带有光束变向功能的径向剪切干涉测量方法,进行了理论分析和实验验证,取得了口径为10mm×10mm的偏转波前测试系统与商用WYKO干涉仪的比对测试数据。两种仪器对同一块平面样板测出的波前之差的峰谷值小于λ/20,均方根值小于λ/200,还取得了实测液晶光栅相控阵不同偏转光束的波前数据。结果表明,该方法可以对液晶光栅相控阵的偏转波前进行高精度测试。     

路径导引的四波横向剪切干涉波前重构方法

为了解决区域法在四波横向剪切干涉波前重构过程中噪声误差沿积分路径累积影响波前重构精度的问题，本文提出了一种路径导引的四波横向剪切干涉波前重构方法。首先分析了噪声环境下无积分路径导引的区域法波前重构存在噪声误差累积的缺陷，然后在此基础上建立了基于差分相位导数偏差的积分路径评价图模型，并给出了基于积分路径导引的波前重构算法流程。为了验证所提方法的有效性，本文进行了理论仿真研究，结果表明在不同信噪比噪声下所提方法能有效地阻止噪声误差的传播和累积。搭建了基于纯相位型液晶空间光调制器的实验验证装置，实验结果表明：所提方法重构波前与理论波前残差的RMS相比无积分路径导引区域法重构波前与理论波前残差的RMS降低了39.7%，且所提方法重构波前PV值与理论波前PV值的偏差相对无积分路径导引区域法重构波前PV值与理论波前PV值的偏差减小了1.6943λ。所提方法可为提高噪声环境下四波横向剪切干涉波前重构精度提供一种有效方法。     

光学元件面形的环路径向剪切干涉检测方法研究

提出了将环路径向剪切干涉(CRSI,Cyclic Radial Shearing Interferometry)术应用于光学元件面形检测的新方法.设计了基于环路径向剪切干涉检测光学元件面形的光路系统.根据环路径向剪切干涉法的波前重建算法,模拟计算了任意波前的重建情况,同时在基于开普勒望远系统的环路径向剪切干涉仪上实际测量了一个已知光学元件的面形.结果表明,文中提出的波前重建算法和采用的光路系统可用于实际光学元件面形的准确检测,系统的重复性也得到了研究.     

径向剪切干涉波前重建算法和不同倍数下重建精度的研究

提出一种新的基于循环式径向剪切干涉术的波前重建算法 ,以此模拟计算了不同放大倍数下波前的还原结果与还原精度 ,得出不同放大倍数下采用本算法都能还原出原始波前且还原精度相差不大的结论。同时在基于伽利略望远系统的循环式径向剪切干涉仪上测量了激光系统输出中存在台阶结构的畸变波前 ,得出了与此基本一致的结论。     

平行平板横向剪切干涉仪波前重建精度的研究

在基于平行平板双光路横向剪切干涉仪中,如果 两个方向的平行平板之间存在角度误差,将会使得 两个方向的剪切干涉图的剪切方向不正交,最终影响波前测量的准确度。本文通过仿真实验 研究了两个方 向平行平板之间不同大小的角度误差对波前重建精度的影响,分析了不同条件下Zernike多 项式系数拟合 精度、重建波前均方根(RMS)及均方根误差(RMSE)与角度误差之间的关系以 及角度误差一定时,重建波前 RMS及RMSE与剪切量之间的关系。研究结果表明,为了提高波前重建精度,要尽量降低两 个平行平板之 间的角度误差,使用更多项Zernike多项式来拟合波前,并且保证剪切量与波 面尺寸比值大于10%。本文的 结论对于平行平板横向剪切干涉仪的装调将会起到一定的指导作用。     

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。     

高能激光器自由旋涡气动窗口激光波前畸变的初步研究

分析了用哈特曼 夏克波前传感器研究高能激光器自由旋涡气动窗口对输出激光波前畸变的原理 ,并利用37单元哈特曼波前传感器实验研究自由旋涡气动窗口对输出激光波前的影响。结果表明 ,自由旋涡气动窗口对输出激光波前的影响主要是光束偏转和离焦 ,而其他低阶及高阶像差都比较小。由于透射激光束的偏转是稳定的 ,很容易由倾斜镜进行校正 ,因此稳定工作状态下的自由旋涡气动窗口能够满足实验需求。     

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。     

基于线性双向脉动阵列的自适应光学波前复原

针对自适应光学系统,提出了一种基于线性双向流水脉动阵列的快速波前复原方法。该方法结合直接斜率波前复原算法和线性双向脉动阵列工作特点,通过对复原矩阵进行PCT数据变换和引入资源共享,提高了阵列的单元利用率,减少了资源占用且保证了计算的实时性,同时具有阵列结构简单规整、模块性强、可扩展性好等优点。最后在FPGA上实现了61单元48子孔径自适应光学系统的波前复原,验证了方法的可行性。     

GPU计算液晶自适应光学波前重构的并行性研究

研究了图形处理器(GPU)计算液晶自适应波前重构的并行性。介绍了液晶自适应光学的Zernike模式波前重构算法,论述了GPU的通用架构和GPU实现波前重构的方法。在此基础上提出了利用GPU拥有的RGBA4个颜色通道进行并行计算,进一步加快计算速度,最后给出了实验结果。结果表明:在GPU计算波前重构时,利用RGBA颜色通道的并行计算,将计算速度提高了3倍多。     

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。该方法利用核心处理模块重复利用的方式完成子孔径内光斑质心的计算,并通过USB3.0将处理后的质心数据实时传输给PC机。处理机以一片XILINX公司Kintex7-XC7K325T的FPGA作为处理芯片进行了设计,结果表明:该算法可对560帧/s的1020×1020图像（580 MB/s数据量）,56×56子孔径哈特曼传感器,进行低延时实时光斑质心计算,提高了系统的波前处理速度和整个自适应光学系统的控制速度。     

基于波前相位单纯形样条函数建模的空间目标波前解卷积方法

针对空间目标地基自适应光学望远镜成像过程中同时记录目标图像及波前传感器数据的情形,提出了一种利用波前测量数据的空间目标自适应光学图像复原方法。该方法将大气降质波前表示为望远镜孔径内的二元单纯形样条函数,而非传统的Zernike模式的线性组合,基于该区域表示,为哈特曼-夏克波前传感器建立了平均斜率测量模型,进而非适定的波前重构问题转化为良态等式约束最小二乘问题,最终的目标图像即可通过非盲解卷积方法获得。仿真实验验证了提出的方法在不同的湍流强度下均能表现出良好的复原效果,对测量噪声亦不敏感。     

基于离焦光栅的单帧深度学习相位反演算法

针对目前相位差法收敛速度慢以及需要CCD在焦面以及离焦面多次测量的问题,提出了基于离焦光栅的单帧深度学习相位反演算法。该算法用离焦光栅对入射波前进行调制,可同时在透镜焦平面上获得正负离焦以及焦面远场光强分布;此外算法引入卷积神经网络替代原有的多次扰动寻优过程,波前复原算法耗时大大降低。仿真结果表明:算法可根据单帧透镜焦面远场光强分布实现高精度快速波前复原,残差波前的均方根为入射波前均方根的6.7%,算法进行一次波前复原所需时间可小于0.6 ms。     

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.     

Automatic wavefront reconstruction on single interferogram with spatial carrier frequency using Fourier transform

Optical interferometry can be applied to obtain the wavefront phase and reconstruct the three-dimensional wavefront by analyzing interference fringes. Single interferogram analysis based on two-dimensional Fourier transform is proposed. This method just needs to acquire and analyze single interferogram to solve the wavefront phase. Compared with phase-shift method, Single interferogram analysis can reduce experiment cost and the limitation of measuring e nvironment like vibration, airflow and noise, and meet the requirement of real-time and dynamic interferometry. Because the wavefront phase information is included in the carrier frequency components of single interferogram, an image edge detection method is used to automatically extract the center and boundary of the first-order carrier component of the spatial spectrum of the interferogram in the frequency domain.