液晶空间光调制器对真实人眼畸变波前的校正研究

目的:本文对一个用于人眼畸变波前探测和校正的自适应光学系统的性能进行测试和研究。方法:沙克-哈特曼波前探测器,高分辨率的液晶空间光调制器分别被用来探测和校正人眼的畸变波前。结果:对近视500度的人眼进行自适应校正后校正精度达到波前残差的均方根误差为0.013个波长（=0.808 nm）。眼底原来模糊的细胞可以被清晰分辨。结论:液晶空间光调制器可以有效校正人眼畸变波前,达到提高成像质量的目的。     

自适应光学系统中倾斜镜的自适应逆控制

为了克服自适应光学系统中倾斜镜的迟滞响应,提高响应的线性度,改善倾斜镜的控制精度,研究了倾斜镜的迟滞非线性效应。提出了一个基于频率相关的Mutified-Prandtl-Ishlinskii(MPI)模型的补偿方法来在线自适应逆补偿倾斜镜的迟滞非线性。结合反馈PID控制构成了自适应逆前馈复合控制方案,其中自适应逆前馈克服了由于频率等因素引起的迟滞曲线变化,反馈PID则改善了整体的控制性能。建立了倾斜镜二阶系统模型来估计倾斜镜系统的输出,解决了MPI模型参考信号的问题,避免了增加额外前馈传感器,保证了光能量的利用率。实验结果表明,倾斜镜系统15 Hz非线性迟滞率由原来的24.28%降为1.17%,线性度提高了约95%,控制精度较传统PID方法提高了约60%。该方法能够有效补偿倾斜镜的迟滞非线性,提高了自适应光学系统中倾斜镜的校正精度。     

液晶-变形镜自适应光学系统的数据采集与处理软件设计

为了提高自适应光学系统科研人员的工作效率,满足自适应光学系统向高低阶多波前校正器的发展需求,本文研究了一套自适应光学系统控制软件设计方法,以适应实验设备的不断更新换代,避免实验过程中软件不断更新修改所带来的问题。本文首先从功能和性能两方面分析了实验对软件系统的需求,提出基础层、功能层及表示层3层的软件架构体系,采用共享内存和临界区对象相结合的软件开发方法,确保自适应光学系统的实时性与准确性,避免资源冲突和浪费;采用Windows API事件实现多线程之间同步协调控制。基于上述思想开发了液晶-变形镜混合的高低阶自适应光学系统控制软件,可在0.6ms内完成波前采集、波前计算、控制信号计算和各设备间的同步协调控制。最后,使用该软件进行自适应光学校正:仅变形镜和倾斜镜校正后峰峰值由3.38μm降为0.95μm,均方根误差由0.66μm降为0.12μm;液晶校正器、变形镜和倾斜镜同时校正后峰峰值为0.44μm,均方根误差为0.02μm,计算总延迟为0.378ms。由实验结果可知,本文设计的软件可以实现自适应光学系统的实时校正,在保证校正精度的同时具有方便修改、功能齐全及模块化的优势,为后续自适应光学实验提供保障。     

液晶空间光调制器对真实人眼畸变波前的校正

基于液晶空间光调制器波前调制量大,像素密度高,驱动电压低等优点,用液晶空间光调制器作为校正眼像差的关键元件,研制了用于人眼畸变波前探测和校正的自适应光学系统.介绍了液晶空间光调制器的波前调制原理,利用ZYGO干涉仪测定了位相调制和灰度级的关系曲线.分别用Hartman-Shack波前探测器和高分辨率液晶空间光调制器探测和校正人眼的波前畸变,对近视5 m~(-1) (500度)的人眼进行了自适应校正实验.校正后,系统的波前误差为0.086λ PV和0.013λ RMS, 达到了系统的衍射极限,并可清晰地分辨眼底原来模糊的细胞.实验结果表明,液晶空间光调制器可以有效校正畸变波前,达到提高成像质量的目的.     

相位检测法定镜自适应校正技术

为保持傅里叶变换光谱仪在动镜运动和外界震动等恶劣条件下动镜和定镜间的准直性,采用了相位检测法检测准直性误差的定镜自适应校正技术。介绍了相位检测法的基本原理和实现自适应校正的途径以及自适应校正系统的基本结构。采用高速压电倾斜镜作为驱动补偿元件,分析了相位检测精度对校正精度的影响。实验结果表明,采用自适应校正后系统干涉效率明显提高。     

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。     

激光为光源的液晶自适应眼底成像系统

摘要：本文介绍了基于液晶波前校正器的模拟人眼眼底自适应成像系统,该系统采用Shark-Hartman波前探测器进行波面探测,将探测所得波前畸变经过计算处理转化为灰度图通过电脑施加到LCOS上进行波面校正,通过校正人眼像差的方式来提高系统成像质量。经过校正后系统波前误差从1.92m降低到0.048m系统分辨率接近70lp/mm已经到达该光学系统衍射极限分辨。     

集成应变反馈层的横向压电驱动变形镜面形预测及闭环控制

作为校正光学像差的主要器件,横向压电驱动变形镜在自适应光学系统中应用十分广泛。哈特曼等波前传感器通过反射光得到镜面面形,然而并没有直接反映压电陶瓷的工作状态,并且这些波前探测器增加了系统的成本。以单层横向压电变形镜为对象,建立了压电陶瓷驱动器单电极的横向应变与镜面变形之间的映射关系。制备了集成应变层的单电极横向压电变形镜,进行静态面形预测实验。预测结果表明,添加应变反馈层能够预测单电极的影响函数,拟合误差在7.3%以内。模型的主要误差源是压电陶瓷的迟滞非线性,采用PID控制器对变形镜驱动陶瓷的应变输出进行了闭环控制,镜面位移迟滞率降低至1.74%。针对超连续谱光纤激光器像差进行了闭环校正分析,相比于开环和哈特曼的校正结果,校正精度提升至0.79,实现了横向压电变形镜无波前探测校正像差的一种新方式。     

多温区电加热炉温度控制算法的研究与应用

针对多温区电加热炉大时滞、时变性强、强耦合和对象模型难以确定等特点,提出一种基于继电辨识模型的PID自整定算法,该法将Smith预估算法、继电辨识和模糊控制相结合,用继电反馈法在线辨识出Smith预估所需要的对象模型,并整定出控制器PID的初始值,在此基础上,对系统进行Smith预估补偿的同时利用模糊控制在线修正PID参数.经实验证明将该算法运用于多温区电加热炉的温度控制中是合适的,可获得很好的控制精度和鲁棒性.     

液晶自适应光学系统中控制矩阵的精度分析和优化

为了提高自适应光学系统的校正精度,提出了一种新的通过改变测量响应矩阵时的调制波长来准确计算控制矩阵的方法。首先,测量去除平移项的前35项Zernike模式在不同调制波长下的实际光波位相调制曲线。然后,对每个调制波长,依次计算相对于原点的位相调制曲线,最终将找到一个与实际光波位相调制曲线斜率相差最小的位相调制曲线。其所对应的调制波长,就是测量响应矩阵时,在相应的Zernike模式下应该施加在液晶波前校正器上的调制波长。这样,对于35个Zernike模式,便可以找到35个调制波长。最后,对于每个Zernike模式即响应矩阵的每一列对相应的调制波长进行归一化,最终得到准确的控制矩阵。实验表明,用此方法后,液晶自适应光学系统的校正精度由73%提高到了95%以上。校正误差为常规方法的1/5,且此比例系数与系统的最大畸变补偿位相的大小无关。此方法极大地提高了液晶自适应光学系统的校正精度。     

CUDA架构下的液晶自适应波面数值解析

在GPU通用计算架构下,首次提出了CUDA架构下的液晶自适应光学波面数值解析方法。针对高分辨率液晶自适应光学系统,介绍了液晶自适应光学的波面数值解析算法,论述了CUDA的通用架构;然后,建立了CUDA实现波面数值解析的编程模型,在此模型中引入了并行线程的有效利用,全局存储器的高效访问和数据直接回写3种优化方案;最后,给出了GPU与CPU的实验对比结果。结果表明:CUDA计算分辨率为512×512,对35项Zernike多项式的波面数值解析需时不到1ms,计算速度是传统CPU波面数值解析的几十倍。提出的方法减小了系统延时,提高了校正速度,建立波面数值解析CUDA编程模型采用的优化手段可为其它数学计算模型提供参考。     

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。     

电子封装模具恒温控制系统的设计与实现

针对温度控制系统的纯滞后的特点,根据电子封装模具温度精确控制的需要,提出了基于Smith预估器和模糊自适应PID控制器的温度控制系统的设计方法。首先,根据阶跃响应建立被控对象的数学模型,然后在被控对象的数学模型的基础上设计出Smith预估器;其次,建立Mamdani模糊模型,实时对增量PID控制器的3个参数进行修正;最后,实现电子封装温度控制的硬件系统和软件系统的设计。该设计解决了纯滞后对控制系统稳定性的不良影响,大大提高了温度控制的精度,并且基于此种方法的硬件系统和软件系统也易于实现,可靠性高,鲁棒性好。     

一种新的控制方法在主汽温控制中的应用研究

针对电厂中主汽温控制系统具有大滞后，非线性的特点,提出了一种基于Smith预估器的单神经元PSD自适应控制算法．即由Smith预估器和单神经元PSD自适应控制器组合的复合控制。仿真结果表明,这种控制方式具有较好的自适应性和鲁棒性。     

离轴反射式人眼视网膜成像自适应光学系统设计

为了实现活体人眼视网膜的高分辨率成像,设计了一套视网膜成像液晶自适应光学系统来校正人眼的动态变化像差。基于开环双波段模式,分别采用夏克-哈特曼波前传感器(SHWS)和基于硅基板上的液晶空间光调制器(LCOS-SLM)来探测和校正人眼以及系统的波前像差;且分别采用近红外波段(790nm)的超发光二极管和可见光波段(570nm)的激光器作为波前探测和校正成像光源。系统采用离轴反射式结构来提高光能利用率,减小色差。用ZEMAX对系统性能进行了分析,证明设计的系统能够达到衍射极限,MTF@30lp/mm为0.4(对应视网膜上4μm),MTF@50lp/mm为0.16(对应视网膜上2.5μm)。和闭环折射式系统相比,能量利用率提高1倍以上,且杂光和色差干扰小,成像对比度好。     

基于结构改进Smith预估单神经元PSD的长时延NCS研究

针对长时延网络控制系统（NCS）中存在时延和被控对象等问题,提出了一种新型结构改进Smith预估单神经元PSD控制器.新型控制器由结构改进Smith预估器和单神经元PSD控制器组成,结构改进Smith预估器通过对传统Smith预估器模型结构上的改进,避免了建立网络时延的预估模型,无需对网络时延进行在线测量、估计或辨识,补偿了网络时延对系统的性能带来的影响;单神经元PSD控制器解决了结构改进Smith预估器的模型失配问题,通过Matlab环境下的TrueTime工具箱对NCS进行仿真实验,并对传统PID控制方法、结构改进Smith预估PID控制方法和结构改进Smith预估单神经元PSD控制方法进行了仿真比较.研究结果表明,该新型控制器有效地补偿了网络时延对NCS的性能带来的影响,在模型失配情况下具有良好的鲁棒性和适应性,是对长时延NCS-种可行且有效的控制方法.     

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。