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.     

光波波前畸变测量系统的设计

本文基于Shack-Hartmann传感技术设计了一种测量光波波前畸变的测量系统。首先,对Shack-Hartmann传感技术的测量原理进行了详细地介绍;其次,对测量系统的测量原理和系统方案等方面进行了研究;最后,将普通光源照射该系统,对其波前畸变进行测量。实验结果表明:该测量系统基本满足光波波前畸变测量稳定可靠、精度高、实时性强等要求。本文的研究对Shack-Hartmann传感技术在自适应光学系统中的应用具有很大的参考价值。     

盐水和沙子上方传输激光束波前畸变校正的对比研究

主要研究激光束在盐水和沙子两种下垫面上方传输时的波前特性,并采用自适应光学系统对波前畸变进行校正。建立了激光传输实验平台,基于自适应光学系统的输入输出数据建立了自适应光学系统模型,基于该模型设计了自适应光学系统闭环控制器,对比了激光束在两种下垫面上方传输时的波前畸变特性与自适应光学系统校正的差异。实验结果显示,在同样辐射加热的条件下,沙面上方的空气湍流对激光束波前影响更剧烈;经自适应光学系统校正后,波前传感器点位移方差在盐水情况下减少了28%,而在沙子情况下减少了10%。该研究为在海洋环境中利用闭环自适应光学系统进行光束波前畸变校正的可行性做出了初步探索。     

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。     

基于Zernike多项式的人眼波前像差拟合算法

采用改进的Gram-Schmidt正交化法对矛盾方程的广义增广矩阵进行正交三角化,导出求解基于Zernike多项式的人眼波前像差拟合系数的算法。通过拟合给定模式系数和一般数学波面的两种方式对算法进行了验证。验证结果表明,该算法与直接构造法方程组解法的计算精度相当。该算法避免了因构造法方程组而引入的计算误差,易于编程,是一种比较理想的求解Zernike多项式拟合系数的算法。     

空间光波前畸变校正中SPGD方法的自适应优化

为了提高传统随机并行梯度下降 (Stochastic Parallel Gradient Descent, SPGD) 算法校正波前畸变的性能,提出了一种基于AdaBelief优化器的新型SPGD优化算法。该算法将深度学习中AdaBelief优化器的一阶动量和二阶动量集成到SPGD算法中以提高算法的收敛速度,并使得算法能够自适应地调整增益系数。 此外,对实际增益系数进行自适应动态裁剪以避免因实际增益系数出现极端值而造成的震荡。仿真结果表明:在37单元变形镜 (Deformable Mirror, DM)下,新型SPGD优化算法能够对不同湍流强度下的波前畸变实现有效校正,不同波前畸变经过校正后的斯特列尔比(Strehl ratio, SR)分别提升至0.83、0.47和0.31。此外,该算法在不同湍流强度下的SR仅仅需要149、229和230次迭代达到阈值,与传统SPGD算法及其他优化算法相比有更快的收敛速度,且在稳定性和参数调节方面也具有一定的优越性。     

空间光波前畸变校正中的元启发式SPGD算法

为了改善传统随机并行梯度下降(Stochastic Parallel Gradient Descent, SPGD)算法收敛速度慢且容易陷入局部极值的问题,提出了一种元启发式随机并行梯度下降(Meta-Heuristic SPGD, MHSPGD)算法。该算法将SPGD算法和元启发式算法的开发与探索两步结合,首先利用SPGD算法的梯度下降搜索得到局部最优解,然后进行邻域搜索得到局部最优区域以外的可能最优解,通过所有解性能指标的比较来确定新的迭代起点。随着搜索范围的自适应扩展,该算法能够避免陷入局部极值并趋向收敛于全局最优。同时,为了避免重复搜索,建立了记忆表来记录迭代过程中产生的次最优解。搭建了无波前探测器自适应光学系统模型,运用所提算法对不同湍流强度下的波前畸变进行了仿真校正,并针对不同Zernike阶数的像差进行了仿真实验。在三种湍流强度下,MHSPGD算法所能达到的斯特列尔比(Strehl Ratio, SR)分别为0.7621、0.6554、0.3749,相比于SPGD算法分别提升了0.1%、2%和18.6%。此外,当畸变中含有较多高阶成分时,文中所提优化算法相比传统的SPGD算法,SR收敛到0.6所需的迭代次数减少了约47%,且SR收敛极限值也提升了约9.4%。结果表明:与三种主流优化算法相比,MHSPGD在保持较快收敛速度的同时,能够在各种湍流强度下达到更高的收敛极限,有效地解决了算法的局部收敛问题。     

基于自适应光学的大气光通信波前校正实验

为了缓解大气光通信中由于大气湍流的影响而产生的波前畸变、反射等严重影响通信质量的现象,文章采用了自适应光学技术,即对畸变波前进行重构后再利用反射变形镜进行修正的方法,从理论分析、实验研究方面开展了自适应光学修正传输波前的研究工作。研究结果表明：在相同实验条件下,在保持链路误码率定量为（1×10-6）时,使用自适应光学技术比不使用时系统发射功率减小了50%。在近地大气激光通信中,自适应光学技术在增加系统增益,减小系统误码率方面效果显著。     

直接斜率法畸变波前校正的研究

直接斜率法直接将波前传感器的测量量与变形镜的响应特性建立起对应关系,通过算法直接计算出控制电压信号。用64个子孔径的哈特曼波前传感器对畸变波前进行仿真探测,按照变形镜面形为影响函数加权叠加的假设,可以求解出加在各个驱动器上的电压值,进而可以对仿真的32单元变形镜进行控制,校正波前。仿真的结果显示,直接斜率法可以有效校正畸变波前。     

人眼波前像差主观测量的原理及实现

研究了一种用于测量人眼波前像差的新型主观式波前像差仪,给出了工作原理和实现方案.采用先进的三光路设计方法实现光学系统的设计,采用多线程、视频捕捉、图像处理、单片机及步进电机的控制等关键技术,实现了瞳孔的三维实时自动跟踪.该像差仪能测量出人眼的全部七阶像差,采用Zernike多项式、两维和三维波前像差图对人眼像差进行了描述,给出了计算各项波前像差的均方根(RMS)的公式.通过对57人(110只眼)的进行三次临床测量,采用SPSS统计软件对测量得到的各阶波前像差的RMS逐级递减值进行两两比较,无差异性(P＞0.05),结果表明该像差仪测量的重复性好,准确性高.     

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.     

A genetic algorithm used in a 61-element adaptive optical system

To correct the phase aberrations in a wave-front, a wavefront sensorless adaptive optical (AO) system is set up. A real-number encoding Gaussian mutation genetic algorithm (GA) that is adopted to control a 61-element deformable mirror (DM) is presented. This GA uses the light intensity behind a pinhole on the focal plane as the objective function to optimize, and therefore to omit the procedure of measuring the phase aberrations in the laser wavefront by a wavefront sensor. Phase aberrations generated by the DM are brought to an ideal incident wavefront. Several correction simulations have been accomplished. The simulation results show that the genetic algorithm is capable of finding the optimum DM shape to correct the phase aberrations. After the phase aberrations of the wavefront have been corrected by GA, the peak light intensity on the focal plane can be improved at most by a factor of 30, and the encircled energy Strehl ratio can be increased ultimately to 0.96 from 0.032. It is also found that the convergence and stability of the 61 voltages on the DM is quite well. The simulation results prove that the genetic algorithm can be used in AO systems effectively.     

Analyzing the dynamic wavefront aberrations in the human eye

The optics of the human eye are not static in steady viewing conditions and exhibit microfluctuations. Previous methods used for analyzing dynamic changes in the eye's optics include simple Fourier-transform-based methods, which have been used in studies of the eye's accommodation response. However, dedicated tools for the analysis of dynamic wavefront aberrations have not been reported. We propose a set of signal processing tools, the combination of which uncovers aspects of the dynamics of eye's optical aberrations which were hidden from conventional analysis techniques. The methodology includes extraction of artifacts from potentially significant eye movements, filtering, optimal parametric signal modeling, and frequency and time-frequency representations. The exposition of the techniques and their advantages over traditional techniques is illustrated for real dynamic eye wavefront aberration measurements.     

曲率探测的自适应光学Zernike模式的闭环校正

提出了一种更为简单的基于曲率探测的自适应光学闭环算法.首先,对算法的原理和闭环过程做了详细分析.然后,建立了一个自适应光学仿真模型,针对Kolmogorov特性的大气湍流相位畸变做了闭环校正.仿真结果表明,该闭环模型对大气湍流引起的波前畸变具有很高的校正精度.在此基础上,利用液晶空间光调制器作为波前校正器,搭建了相应的...     

腔内扰动对虚共焦腔模式的影响及Zernike像差拟合

为实现高功率或高能激光器输出良好的光束质量和能量,分析了腔内像差扰动对非稳腔模式的影响,采用数值迭代法理论计算了腔内倾斜扰动对无源虚共焦非稳腔输出模式强度和相位分布的影响,并采用Zernike模式法对光束相位进行了像差拟合分解,得到了前35阶像差系数,通过进一步计算得到点扩散函数和环围能量曲线等,从而全面了解输出光束质量.结果表明,对小菲涅耳数虚共焦型非稳腔,腔内倾斜扰动不仅带来输出光强分布的不均匀性,且对相位分布有明显的影响,使相位中的一些高阶Zernike像差如A3,A7和A10等增大.计算结果对研究高能激光器腔内像差校正有一定参考意义.     

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。     

基于坐标-动量中介表象的热平衡态谐振子密度矩阵

利用了相干态的方法,并且借助坐标-动量中介表象研究了处于热平衡状态下谐振子的密度矩阵。在此基础上,可以不必利用傅里叶变换关系,而是仅仅通过选择不同的参数值,就可以获得坐标和动量表象下处于热平衡状态下的谐振子密度矩阵的表示式。另外,本文也给出了直接求解密度矩阵的过程,发现此结果与厄米多项式密切相关,作为以上所求表示式的一个有效的应用,通过比较两种方法的结果,一个全新的厄密多项式的关系式被揭示出来。     

改进多项式迭代拟合红外光谱基线校正方法

基线校正是对傅里叶变换红外光谱仪光谱数据后续处理前重要的预处理步骤,多项式迭代拟合是基线校正的一种方法。为了进一步提高基线校正的速率,采用一种改进多项式迭代拟合算法,并以CO2光谱为例进行了理论分析和实验验证,取得了与多项式迭代拟合相同的校正效果。结果表明,该算法自动识别谱峰范围,仅对谱峰范围的光谱进行基线校正,减少了基线校正过程中的迭代次数,迭代次数从39次降到了11次,耗用时间从4.78s降至1.12s。这一结果对实现实时气体监测系统具有重要意义。