云南天文台1.2m望远镜61单元自适应光学系统

云南天文台1.2 m望远镜61单元自适应光学系统已经完成升级改造并投入使用.该自适应光学系统主要由倾斜跟踪控制回路、高阶校正回路以及高分辨力成像系统组成.为了提高系统的跟踪精度,倾斜跟踪控制回路由两级倾斜校正回路串联而成,用于校正望远镜的跟踪误差和大气湍流引起的倾斜跟踪误差.高阶校正回路主要由一套哈特曼波前传感器、一块61单元变形反射镜以及一套高速数字波前处理机组成.系统中哈特曼波前传感器的工作波段为400～700 nm,系统成像波段为700～900 nm.在介绍61单元自适应光学系统各组成部分的基础上,对该系统的性能进行了分析,并给出了实际天文恒星目标的高分辨力自适应光学成像观测结果.     

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。     

基于像差共轭组合模型的自适应光学系统控制方法

在单位圆的同心孔径圆域内,某些特定Zernike模式具有相关关系,其中具有较强负相关关系的模式组合在一定系数条件下叠加后,一定的同心孔径内的像差会相互抵消,波面变得更加平坦,这称为模式间的共轭性。文中设置了一组畸变波前,用自适应光学系统进行校正得到残差,然后用Zernike多项式对变形镜的校正残差进行了分解,通过分析首次发现在均方误差值较大的残差波前中,低阶、高阶两部分像差间存在着明显的负相关关系,两部分像差的系数会随着变形镜控制信号的调整体现出有规律的变化,并且在一定的系数组合方式下,这两部分像差呈现出共轭性。基于以上研究结果,提出一种控制方法,该方法通过优化变形镜控制电压来调整镜面面型,使得残差中的低阶、高阶两部分像差系数实现最佳匹配,从而降低光瞳同心孔径圆域内的像差均方根值 (RMS),最终实现该孔径范围内系统成像质量的提升。分别针对点目标成像和扩展目标成像进行了仿真,结果表明:该方法相比于传统闭环共轭式校正方法,在面对复杂像差时能够得到质量更好的光学成像,有效扩展传统自适应光学系统的适用范围。这种控制方法在变形镜有较大拟合残差的场合具有很好的应用前景。     

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.     

基于自适应光学技术的高速流场效应模拟方法

在高分辨率天文观测和空间测绘过程中,高速流场效应会造成目标光学波前畸变,影响探测器分辨率。从高速流场造成的光学效应对空间观测的影响入手,研究分析了自适应光学技术及其关键器件-光学变形镜的技术特点,提出了一种基于光波波面调制技术和光程差（OPD）数据的高速流场光学传输效应模拟方法,并完成了初步验证实验。其中,通过光线追迹法和物理光学方法计算高速流场光学传输效应而获得的体现目标光束波面畸变程度的光程差（OPD）数据,该数据用于光学变形镜的控制驱动。这种模拟方法可用于空间对地观测过程中流场环境造成的透射光斑抖动、偏移等光学波面畸变效应仿真,实现在实验室环境下对光学传感器性能和空间光学探测系统高速流场效应半实物仿真和高速流场扰动校正能力的测试评估。     

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。     

模型式无波前探测自适应光学系统抗噪能力分析

对于N单元变形镜,模型式无波前探测自适应光学系统只需N+1次远场光斑测量,收敛速度快。使用88单元变形镜、CCD成像器件等建立自适应光学系统仿真平台,分别从理论分析和仿真实验出发探讨模型式无波前探测自适应光学系统在噪声情况下的波前校正性能。结果表明:噪声条件下,基于模型的无波前探测自适应光学系统收敛速度保持不变;相同湍流条件时,不同噪声水平下的校正效果接近。与噪声水平50 dB时的结果相比,按照给定湍流条件从弱到强,噪声水平为30 dB时校正后平均RMS相对误差分别为4.75%、4.04%和2.58%。上述结果验证了基于模型的无波前探测自适应光学系统具有较强的抗噪能力。     

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。     

波前校正的变论域模糊控制方法

自适应光学校正技术中常用的PID控制依赖于变形镜的响应模型,响应模型易受扰动影响因此标定过程较为复杂。针对此问题提出一种不依赖变形镜响应模型的变论域模糊控制方法,将哈特曼重构波前中提取的波面评价指标的残差参数与残差差分参数作为变论域模糊控制器的输入,对输出的比例积分微分参数进行自整定,实现自适应控制。利用Matlab进行变论域模糊控制方法与传统模糊控制方法进行对比的相关仿真。波前校正实验结果表明,变论域方法校正后波面数据优于传统模糊控制方法,波前残差的均方根值也更小。控制器系统性能实验中,传统模糊控制器的超调量偏大,而变论域模糊控制器的超调量几乎为零,调节时间也更短。变论域模糊控制方法在保证系统的鲁棒性,提升系统的快速性的同时,利用参数自整定的特性克服了扰动因素对变形镜响应模型造成的不利影响,提高了校正效率,对于波前校正更具有实用性。     

自适应光学相干层析在视网膜高分辨成像中的应用

视网膜光学相干层析（OCT）技术利用外部低相干光源照射人眼眼底,并将人眼眼底散射信号进行干涉成像,获得人眼视网膜的断层图像信息,以实现人眼视网膜无创、实时、在体的光学活检。传统光学相干层析在视网膜成像时的轴向分辨率可达3 μm以上,但由于人眼个体差异和不可避免的像差限制了视网膜OCT的横向分辨率,只能达到约15~20 μm。而自适应光学作为一项波前校正的先进技术,可以校正OCT色差以及人眼有限视场和眼球运动导致的像差,将OCT横向分辨率提高到低于2 μm,以实现视网膜细胞及微细血管近衍射极限成像,及时发现患者眼底存在的早期病变。在介绍自适应光学和视网膜光学相干层析的技术特点基础上,对自适应光学在视网膜光学相干层析成像应用的国内外发展现状进行了论述,总结了自适应光学OCT视网膜高分辨成像在宽带光源色差校正、眼球运动伪影减少、自适应光学视场扩大和波前传感与校正系统简化的关键技术和未来发展趋势,以实现大视场、高效率、高灵敏度、高分辨率的高速人眼视网膜成像,为未来自适应光学OCT视网膜成像技术的研究和应用提供参考和借鉴。     

Magnetic fluid based deformable mirror for aberration correction of liquid telescope

A magnetic fluid based deformable mirror (MFDM) that could produce a large stroke more than 100 μm is designed and demonstrated experimentally with respect to the characteristics of the aberration of the liquid telescope. Its aberration correction performance is verified by the co-simulation using COMSOL and MATLAB. Furthermore, the stroke performance of the MFDM and the decentralized linear quadratic Gaussian (LQG) mirror surface control approach are experimentally evaluated with a prototype of MFDM in an adaptive optics system to show its potential application for the large aberration correction of liquid telescopes.     

Decentralized Youla parameterized adaptive regulation with application to surface shape control for magnetic fluid deformable mirrors

The magnetic fluid deformable mirror (MFDM) is a new type of wavefront corrector which has advantages compared to conventional wavefront correctors, such as higher stroke and lower fabrication cost. In this paper, a Youla (Q) parameterized adaptive regulation approach is proposed for the MFDM to correct both random and deterministic dynamic aberrations based on the dynamic model of the MFDM. The parameter Q is tuned online by a recursive least squares (RLS) algorithm so that it converges to the desired value. An adaptive optical system with a prototype MFDM is setup to verify the effectiveness of the adaptive controller. The control performance is also compared with a H_∞ controller to show the improvement of the wavefront residue RMS error. The result illustrates that the proposed adaptive control method can effectively control the mirror surface for the unknown dynamic aberration correction, especially to the deterministic disturbances in adaptive optics systems.     

自适应光学高分辨率共聚焦显微成像技术

生物样品折射率的空间变化导致了光学畸变的产生,这种畸变对于共聚焦显微镜观察厚的生物样品和活体体内组织成像是一种严重的限制。自适应光学(AO)技术是通过快速反应的变形镜使镜面发生形变来补偿像差,在共聚焦显微镜中应用自适应光学技术可以校正光学畸变,观察深层组织活动,进行活体成像和实时检测。详细分析了共聚焦显微镜中像差的来源及光学畸变的特点,讨论了目前在共聚焦显微镜中自适应光学校正的方案及研究现状,讨论了共聚焦显微镜中自适应光学的波前传感器、畸变测量和波前校正器,并探讨了目前超高分辨率显微成像技术的发展方向。     

微变形反射镜技术应用及发展

变形反射镜是用于自适应光学中波前校正的重要元件,它能产生可控的波面校正量对波面相位加以校正。但随着自适应光学技术的发展,传统变形反射镜已不能满足微型化、集成化的发展需求,而基于微机电加工技术的新型变形反射镜的出现解决了传统变形反射镜存在的问题。介绍了微变形反射镜的工作原理,国内外微变形反射镜技术的发展情况及其在自适应光学中的应用,并对分立式与连续表面微变形反射镜的校正能力进行了比较分析,最后阐述了微变形反射镜器件技术展望。     

小型化人眼像差校正仪光学系统设计

为了实现活体人眼视网膜的高分辨率成像,需要实时校正人眼的动态变化像差,尤其是高 阶像差.设计了一套基于液晶空间光调制器的小型化人眼像差实时校正光学系统.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.探测光采用790nm近红外光,成像光采用570nm可见光.系统设计尽量少采用透镜,减小了系统的体积、光能损失和系统自身可能引入的像差.使用开环模式可以提高光能利用率和系统的稳定性,而双波长模式可以增大视场,实现不同波长的成像,而且可以实现瞬间强曝光成像.用ZEMAX软件对光学系统进行模拟分析,表明该系统可以达到衍射极限的水平,MTF=0.5@31 cycles/mm(对应视网膜上4μm),MTF=0.3@48 cycles/mm(对应视网膜上2.6μm).实验结果证明:该系统光能利用率高,杂光干扰小,方便灵活.     

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.     

基于电荷驱动的多通道压电变形镜电源设计

压电变形镜具有频率响应高,变形量大,稳定性好等优点,已广泛应用于自适应光学领域,但因在电压驱动方式下压电材料迟滞特性较大,使压电变形镜的精确控制难。为降低压电变形镜的迟滞影响,设计了一种基于电荷驱动的多通道压电变形镜驱动电源,介绍了驱动电源的构成及原理,并搭建了一套基于夏克哈特曼波前传感器的自适应光学测试平台来验证驱动电源的性能。实验结果表明,该驱动电源可有效降低压电变形镜的迟滞效应,整体迟滞约1%,镜面变形的分辨率均方根误差(RMS)值约1.1 nm,能够满足在自适应光学领域对多通道压电变形镜精确控制的要求。     

913单元变形镜性能测试与分析

为了满足自适应光学系统校正高阶像差和在低温环境下正常使用的要求,研制了一块913单元的分立式连续表面变形镜。利用?300mm口径Veeco干涉仪对变形镜的部分静态性能进行了面形影响函数测量、面形展平测试和Zernike像差拟合测试,并利用4-D动态干涉仪测量了变形镜从20℃~-10℃的面形。结果表明,913单元分立式连续表面变形镜各驱动点的最大变形量为±3.5μm,相邻驱动器之间的交连值为9.3%;展平后的镜面面形波峰波谷值为66.0nm,均方根值为5.0nm;913单元变形镜对Zernike多项式的拟合能力达到了设计要求;变形镜的低温镜面变形不影响系统的正常使用。该913单元变形镜能够满足自适应光学系统的实际使用要求。     

湍流强度对大气传输光束的相位特性及其相位校正物理极限的影响

运用相位屏近似法计算模拟了激光束通过大气湍流的光场分布。从高频相位比例和相位不连续点数目等角度对畸变光束的相位特性进行了分析,进而利用考虑到变形镜驱动器间交联耦合的高通滤波方法模拟自适应系统对畸变波前的校正作用,建立了畸变光束的相位校正物理极限的预估模型,定量分析了湍流强度和传输距离对校正极限的影响。研究结果表明:在一定范围内,随着湍流强度的增强及传输距离的增大,畸变波前中高频相位比例明显增加,相位不连续点数目也逐渐增多;激光束通过大气湍流后,其相位校正的效果主要受畸变光束连续相位中的高频相位比例以及相位不连续点数目的共同影响,畸变波前中高频相位比例越大,相位不连续点的数目越多,相位校正效果也越差。     

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。