349单元自适应光学波前处理器

为了满足大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统校正频率和成像质量的要求,本文设计了一套349单元自适应光学波前处理系统,该系统在349单元变形镜自适应光学系统上实现了1 500Hz的波前校正频率。设计了以控制计算机、FPGA波前斜率处理器、GPU矩阵乘法处理器以及模块化数模转换机箱等作为主要部件的实时波前处理器,报道了349单元变形镜自适应光学系统对动态像差的闭环校正结果,实验中对模拟大气相干长度r_0为6cm,格林伍德频率为160Hz的大气湍流实现有效校正,自适应光学系统闭环后,波前像差的1 000帧平均均方根值由1.07λ(中心波长600nm,后同)下降至0.11λ。本文设计的349单元变形镜自适应光学系统能够在1 500Hz的波前校正频率下有较高的成像质量,波前处理延时优于235μs。功率谱分析结果表明自适应光学系统对100Hz以下的波前畸变具有明显的校正效果。     

桌面97单元自适应光学系统性能测试

构建了一套桌面自适应光学系统性能测试系统,用以验证97单元自适应光学系统的校正能力。该测试系统主要由光源、快速控制反射镜、变形镜、Shack-Hartmann波前传感器、高速波前处理器、扰动相位屏等部件组成,分别利用干涉仪和Shack-Hartmann波前传感器的数据控制变形镜进行光路的展平校正,得到了系统的静态校正精度。然后,测试了精密跟踪系统的校正能力。最后,利用扰动相位屏模拟不同的大气扰动条件,以成像相机图像的斯特列尔比(SR)为指标,在不同目标亮度下测试了自适应光学系统的动态校正能力。测试结果显示:该97单元自适应光学系统的静态波像差校正精度的RMS接近λ/20;两种控制模式下精密跟踪系统的误差抑制带宽分别达到了15 Hz和39 Hz;系统在强湍流情况下,动态校正后的成像分辨率基本优于3倍衍射极限。由此表明,97单元自适应光学系统能够有效地校正像差,提高成像分辨率。     

961单元自适应光学系统波前处理器

针对大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统波前处理器在输出规模、处理速度和控制带宽方面的要求,研制了千单元级自适应光学系统.设计了一种由主控计算机、波前处理主板和可扩展的波前处理子板相结合,输出规模最大可达1200单元的自适应光学系统波前处理器.采用大规模逻辑器件作核心处理芯片,用多线并行流水算法缩短波前处理延时,提高系统控制带宽.对设计完成的波前处理器进行了基于961单元变形镜的开环展平实验以及基于137单元变形镜的闭环校正实验.实验结果显示:系统最高采样帧频为2000 frame/s时,波前运算延时为20.96μs,表明文中提出的硬件扩展和多路并行流水算法对于大规模自适应光学系统波前处理可行且有效.     

大气相干长度的瞬时测量

由于差分像运动监测法测量大气相干长度需要多帧统计,本文应用波前结构函数法,提出了一种大气相干长度的瞬时测量方法。该方法通过Shack-Hartmann波前探测器测量单帧短曝光畸变波前的Zernike系数;然后减去光学系统初始像差的Zernike系数,去除倾斜项,计算波前结构函数;最后,与满足Kolmogorov湍流理论的大气短曝光理论波前结构函数进行最小二乘拟合,得到瞬时大气相干长度。利用湍流相位板构造了相应的测试系统,并进行了外场实测对比。结果表明:提出的基于波前结构函数法的测量结果与差分像运动监测法的测量结果基本吻合;不同格林伍德频率下,标准差与均值之比小于4.1%,稳定性较好;外场比对累计16个夜晚,得到的平均偏差小于0.45cm。该方法可以实现空间目标大气相干长度的单帧瞬时测量,并可用于观测站点的视宁度、自适应光学系统内部大气湍流强度和地基大口径望远镜主镜视宁度的监测。     

1200mm望远镜开环液晶自适应光学系统设计

为验证液晶自适应光学成像技术校正大气湍流所引起的波前像差的有效性,提高光学系统的能量利用率,应用Ze-max软件设计出了与1200mm望远镜匹配的开环液晶自适应光学系统。针对开环自适应光学系统探测光路和校正光路自身的特殊要求,制定了具体的公差原则,并应用Zemax软件进行了公差分析。分析表明,设计的自适应光学系统具备较宽松的公差条件,容易加工和装调。评价了该光学系统的成像性能,结果表明,设计的自适应光学系统的MTF曲线接近衍射极限,光学传递函数的模在50lp/mm时可达到0.4,而成像CCD的极限分辨率为31lp/mm,充分地利用了CCD相机的分辨资源。该自适应光学系统与1200mm望远镜对接匹配后的组合焦距为19.9m,F数为16,PV值为0.0314λ。     

利用相位差异法检测镜面面形

为了验证相位差异波前检测器演示系统利用自带光源独立完成波前检测任务的能力,搭建了基于相位差异法检测镜面面形的实验平台。测试时在焦面和离焦面上同时采集短曝光图像,在已知离焦量的前提下解算出波前相位分布并恢复出目标,从而实现对大镜面像差的估计。为了进一步验证相位差异测量方法的准确性,对相位差异法与高精度的ZYGO干涉仪得到的测量结果进行了比较分析。实验结果表明:两种方法获得的面形误差分布及误差的峰谷值(PV)和均方根值(RMS)一致性很好,而波前RMS的测量精度达到了2.83/1 000λ。得到的结果表明提出的相位差异法能有效地检测出镜面的像差,且准确性很好。     

模拟退火-爬山混合算法用于无波前传感器快速像差校正

为了校正激光光束波前像差,建立了一种基于压电微变形镜的自适应光学系统。提出了用模拟退火-爬山混合算法来控制系统中37单元单压电片变形镜,补偿激光光束波前像差,实现对光斑的快速校正。提出的混合算法先使用模拟退火算法为爬山法提供一个较好的校正起点,再用爬山法对像差进行精确校正,仅需要少量的模拟退火迭代过程即可提供一个好的校正起点。由于精确校正阶段的爬山法速度快,因此获得相同校正效果需要的迭代次数比普通模拟退火算法减少了50%以上;同时由于爬山法校正起点较好,大大降低了进入局部最优值的可能。最后,实验验证了模拟退火-爬山法对激光光束波前具有更佳的校正效率。     

基于FPGA的自适应光学系统波前处理机

针对大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统波前处理规模的需求,设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)的高速大单元自适应波前处理系统,给出了设计方案,实施过程和测试结果.提出的基于FPGA的自适应光学系统波前处理机,在软件上采用FPGA对整个系统进行数据配置和调控,实现多路D/A数据同时传输和转换.同时,采用FPGA...     

大型光学系统波前检测中气流扰动的抑制

气流扰动将引起干涉检测光路中空气折射率动态变化,从而引入未知波前测量误差,它对于大口径、长焦距光学系统波前检测精度的影响尤为严重。为抑制该影响,本文提出一种基于计算流体动力学的主动温度场控制方法。首先,分析了气流扰动引入波前检测误差的原因,并基于流体力学理论阐明了通过主动送风手段提高室内温度场均匀性、抑制气流扰动影响的可行性。其次,结合口径为500 mm、焦距为6 000 mm的离轴三反望远镜检测光路构成以及所处环境条件,通过Fluent软件仿真建模提出一种利用风扇阵列主动送风的室内温度场控制方法。最后,对温度场控制前后实际光学检测数据进行对比,结果表明,控制前后7组像差系数测量值(一段时间内多次测量平均值)之间的标准差由0.034λ减小到0.005λ(λ=632.8 nm)。本方法可有效抑制气流扰动对于光学检测精度的影响,对于提高非真空条件下大口径光学系统的波前检测精度具有一定的参考与借鉴意义。     

大视场液晶自适应视网膜成像系统

设计了大视场眼底自适应成像系统,用于扩大现有视网膜自适应成像系统的视场。对人眼等晕角视场下的自适应像差校正成像进行分析,确定了波前探测与成像校正两个过程对视场的不同要求。在共光源像差探测及成像光学系统中,采用切变视场光阑的方式先后在波前探测和自适应校正成像过程中进行小-大视场切换,避免了大视场中眼波像差探测失真问题,使成像区域由200 μm扩展到500 μm。利用人眼等晕角大视场使眼底液晶自适应成像系统在不降低成像质量的前提下将成像区域扩展了2.5倍,大幅提升了该自适应成像系统在临床上应用的可行性。     

Zernike多项式拟合人眼波前像差的一种新算法

提出一种用于计算人眼波前像差函数中Zernike多项式拟合系数的精确算法。介绍了人眼波前像差的概念以及用Zernike多项式表示的人眼波像差函数,采用Householder变换对矛盾方程的广义增广矩阵进行正交三角化,导出求解拟合系数的算法。给出了人眼大、小瞳孔的像差测量计算实例,并对比了直接构造法方程组的计算结果和精度。对比多只眼睛的计算结果表明,该算法与直接构造法方程组的计算精度相当,各项拟合系数的相对误差都在10%以内。该算法避免了构造法方程组引入的计算误差,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。     

光栅成像光谱仪同心光学系统研究

详细讨论了光栅同心光谱仪的波像差表达式。当入射光束与出射光束平行时,单色同心光学系统空间任一点成几何理想像。揭示了光栅同心光谱仪满足远心条件时,光瞳像差仅有三级球差和场曲及高级剩余像差,系统需要校正场曲和球差。光栅必须放在前后光学部分的焦平面上,满足远心条件。最佳光栅刻线是等间隔平行线。介绍了两种典型同心光学系统的结构和特性。     

一种快速检测非球面面形的新方法

目前非球面面形的检测方法大部分复杂且费时。介绍了在干涉测量法的基础上利用ZYGO干涉仪的波面相减功能,用波面相减的方法对非球面面形进行测量。利用Matlab软件进行程序设计解决该方法中对理想非球面的Zernike系数计算的关键技术,并验证了程序的正确性。这种方法达到直接检测的目的,缩短检测时间和成本。     

像差测量中瞳孔中心的处理与跟踪研究

人眼像差仪的诞生和应用,对眼科和视光学的发展起到极大的推动和促进作用。主要研究了主观式人眼像差仪的测量,着重于测量过程中图像处理部分的研究,以达到对瞳孔中心的实时跟踪,确保对人眼波前像差测量的准确性和精确性。     

大型望远系统波前检测中的波前误差修正

在大型望远系统的波前检测中,固定着五角棱镜的运动平台沿并非严格平面的导轨平台移动时,五角棱镜会发生微偏转产生扫描激光束转向的波前误差。用渥拉斯顿棱镜型双频激光干涉仪实时测量五角棱镜的运动误差,计算扫描激光束入射望远系统子孔径时的波前误差,修正此波前误差得到子孔径范围内望远系统自身的波前。     

Adaptive correction of depth-induced aberrations in multiphoton scanning microscopy using a deformable mirror

We demonstrate adaptive aberration correction for depth‐induced spherical aberration in a multiphoton scanning microscope with a micromachined deformable mirror. Correction was made using a genetic learning algorithm with two‐photon fluorescence intensity feedback to determine the desired shape for an adaptive mirror. For a 40×/0.6 NA long working distance objective, the axial scanning range was increased from 150 mm to 600 mm.     

共轴TMA反射镜面形不规则影响研究

共轴TMA（三反射镜消像散系统）是轻型高分辨空间相机常用的光学系统形式。共轴TMA反射镜一般采用非球面,其面形的不规则主要由环境变化和加工精度造成。面形的环境耐受与具体的结构设计有关,加工的精度又牵涉到周期和成本,因此,在共轴TMA设计中,需要对各种因素综合分析以保证实现光学系统的设计分辨能力,同时不造成浪费。以某遮拦比为22.3％的共轴三反系统的Φ600mm主镜为例,分析了主镜、次镜和三镜面形不规则对高斯焦点波前差的影响,并拟合了数学表达式。使用环域修正Zernike多项式作为光机接口,分析了环境对反射镜面形的影响以及传递函数下降的情况,并将分析结果做为参考对主镜支撑进行了改进。根据像差容限和系统的环境耐受力,分解出主镜加工所需的精度应优于λ/36.5.     

基于液晶的波前校正器

波前校正是自适应光学的核心内容。基于液晶的波前校正器以其高分辨率,低功耗而引起越来越广泛的重视。本文主要介绍了液晶波前校正器的结构、基本原理、光学调制特性及其应用。     

大面积复杂掩模图形的快速光刻仿真研究

大面积复杂掩模图形的光刻仿真,要同时满足高精度和高效率两个要求。为克服现有方法积分区域大,计算效率低等问题,提出了一种基于最有效影响区域的简化计算方法。该方法首先利用波前分割的方法确定影响光刻胶目标场点光强的最有效影响区域,以此局部区域替代原来的整体积分区域作光强的计算,将积分区域由整个掩模图形缩小为图形的一小部分。试验结果表明,该算法与现有方法比较,精度上非常接近,但速度显著加快,且稳定可靠。该方法能够快速准确地对大面积复杂掩模图形进行光刻仿真,具有重要的应用价值。     

一种增大夏克-哈特曼波前传感器动态测量范围的方法

夏克-哈特曼波前传感器(HS)所能测量的最大波前起伏称为HS的动态测量范围,它受限于微透镜的f数, f数越大,HS的灵敏度越高,而动态测量范围越小,反之亦然。本文介绍了一种软件处理办法,这里称之为外推法,通过这种方法,在不改变HS灵敏度的同时,又可以获得大的动态范围,并且不需对夏克-哈特曼波前传感器做任何结构上的改动。文中给出了外推法的工作原理,并通过实验验证了该方法的可行性和实用性。