用H-S波前传感器测量穿过超声速流场的激光像差特性

 用Hartmann-Shack(H-S)波前传感器可以准确测量穿过超声速流场的激光波面及其变化过程,进一步计算可以获得光束质心漂移、远场分布等数据。给出了H-S方法测量穿过超声速流场激光波面的原理,采用模式法进行了波前重构,计算了在几种流场条件下的激光波面像差特性PV值,RMS值和Zernike像差系数、Strehl比和环围能量曲线等。结果表明,H-S法可以很好地反映流场建立、稳定和结束过程中Zernike像差的变化。比较无流场和给定参数的超声速流场,激光穿越后产生的最明显的像差变化为离焦和低阶像散的增大。在相同流场参数下,无模型时光束质量好于有模型时光束质量。     

光学差拍方法测量波片的相位延迟

本文提出了用双频激光器测量波片的相位延迟方法:光学差拍方法,其测量精度为激光波长的1/6000,优于其他的波片测量方法的测量精度。     

基于双弹光级联差频调制的波片参数测量研究

为了实现对波片快轴方位角和延迟量参数快速、高精度测试,提出了一种基于双弹光级联差频调制的波片参数测量方案。选用两个工作频率不相同的弹光调制器级联,构成偏振分析测量装置。波片的两个参数被加载到偏振分析装置的调制信号中,采用数字锁相技术同时提取调制信号的基频项和差频项,然后完成波片全部参数求解。按照原理分析,搭建了实验系统,并完成了系统初始偏移值定标,完成了632.8 nm的1/4波片,532 nm的1/4波片和1/2波片实验测量。实验结果表明,本文方案的快轴方位角测量最大偏差为0.2°,角度测量标准偏差为0.02°;波片的相位延迟量标准偏差优于5.64×10^-4 rad,单点数据测量时间仅为200 ms。考虑到波片材料的双折射色散,根据检测激光波长下测量的相位延迟量,进一步计算出应用波长的波片延迟量。测量值与理论值最大偏差不超过1.17 nm,延迟精度优于λ/300。本文方案实现了高速、高精度和高灵敏的波片参数测量,可为波片加工测试和实验定标提供有效手段。     

液体透镜的透射波前特性研究

液体透镜是一种新型光学元件,通过改变表面曲率而调整光焦度.液体透镜的透射波前质量会影响成像质量,将液体透镜应用于精密光学系统需要探明其透射波前变化特性.通过理论和仿真分析液体透镜通光孔径内不同高度入射光线的光程差随曲率半径的变化,以及光程差对光焦度的敏感性,以此研究光瞳空间内光程差微变的一致性.分别测量液体透镜在零、正...     

一种基于Zernike多项式的波前探测和重构方法

运用Ｎｏｌｌ建议的Ｚｅｒｎｉｋｅ多项式形式表征大气扰动的波面，求出由两个离焦面上的光强分决定的Ｚｅｒｎｉｋｅ多项式的前ｎ项在特定的探测器上的响应矩阵Ｒ。由Ｒ和输入的随机波面在两个离焦面上的光强分布，可方便地求出其Ｚｅｒｎｉｋｅ多项式的系数，从而实现了波前的探测和重构。采用光线追迹的变方法，用计算机模拟验证了这种方法的原理和可行性。     

基于个性化人眼模型的大视场波像差特性的研究

大视场波前像差对人眼光学系统的影响不容忽视。运用Zemax光学设计软件分别为8只正常人眼构建了个性化的人眼模型,该人眼模型由实际测量的人眼波前像差数据、角膜地形数据及眼内各部分轴向间距数据优化得来,与个体人眼具有相同的光学特性。在此基础上,分析了人眼颞侧方向0°,10°,20°,30°,40°,50°视场的离轴像差随视场角的变化趋势,得出边缘视觉比中央视觉质量差主要来源在于像散与彗差。四阶以上的高阶像差随着视场角的改变,变化不大。将个性化人眼模型计算得到的大视场波前像差值与用哈特曼夏克(Hartmann-Shack)波前传感器实际测量得到的人眼像差值相比较,两者结果相吻合。     

自由曲面镜片波前像差扩束-缩束拼接技术

为解决波前传感器检测自由曲面镜片时测量口径不匹配,在拼接检测方法中测量过程及数据处理较为繁琐等问题,提出了一种测量自由曲面镜片的方法.该方法在扩大单次测量光束直径后对自由曲面镜片波前像差进行检测,再由波前传感器接收缩小后的带有扩束测量区域波前信息的光束.设计光路测量得到4个直径扩大10倍后的子孔径波前像差,完成扩束子孔径的波前重构及拼接.为验证实验的可靠性,对测得的扩束子孔径进行波前重构后与哈特曼传感器生成的子孔径像差峰谷值进行比较,并观察扩束子孔径拼接波面的平整性.实验结果表明:该方法能有效增大小口径波前传感器的测量范围,提高检测效率,可以用于大口径镜片的波前像差检测上.     

人眼大视场波前像差特性研究

应用改进的Hartmann-Shack波前传感器人眼像差仪,测量了5只5.2 mm瞳孔的正常眼,向鼻侧和颞侧两个水平方向50°视场角Zernike第二级到第十级的波前像差. 视场角从鼻侧和颞侧两个水平方向从0°增大到50°时,Zernike第三级波前像差的rms值平均增大2倍;Zernike第四级波前像差的rms值平均增大1.8倍;Zernike第五级到第十级波前像差的rms值平均增大1.7~1.3倍.     

基于主观式测量人眼波前像差的眼模型研究

通过主观式光线追踪波前像差测量方法得到用Zernike系数描述的人眼波前像差;在Gullstrand-Le Grand眼模型的基础上,引入用医用角膜地形图仪测量并用高次非球面函数拟合的实际人眼角膜形状数据,又引入角膜、前房及玻璃体厚度等个体化的眼结构参数;在光学建模软件Zemax中用所测Zernike系数建立评价函数,并对用Zernike矢高面描绘的晶状体表面进行优化.由此建立了个体化眼模型,并由此模型中可以计算得到与实际测量的波前像差值完全相同的各项Zernike系数值,从而可用于描述实际人眼的光学特性.     

适用于波前处理器的自适应光学系统非共光路像差补偿方法

提出了一种适合硬件形式波前处理器的非共光路像差校正方法.讨论了非共光路像差的产生原因和运用相位差异技术检测非共光路像差的方法.根据波前处理器的工作流程,推导了将非共光路像差折算到波前探测器参考点偏移量的算法,编写了实现算法的主控计算机软件模块.在望远镜光路中以光源为目标开展实验,用本文算法校正后,目标能量集中度提高了17.6%,证明了该方法的可行性.     

直接液体冷却薄片激光器中抽运光均匀性对光束波前畸变的影响

近年来,直接液体冷却薄片激光器因其体积功率比小,热管理能力强等优势而成为研究热点.本文建立了一套直接液体冷却薄片激光器波前畸变的分析方法.应用该方法研究了直接液体冷却薄片激光器中抽运光均匀性对光束波前畸变的影响.计算分析了均匀性为92%, 80%和70%,且总的抽运功率不变时,激光器高阶像差分布情况.随着均匀性逐渐减弱,激光器中高阶像差逐渐增强,低阶像差量基本保持不变.实验中,设计加入波导和未加入波导结构,构建了均匀性为92%和70%的抽运光分布,分别测量了两种情况下的波前抖动情况以及波前畸变分布,抽运功率为5 k W时,测量获得了整个增益模块的光程差高阶分量(OPD_H),其畸变量均方根(RMS)值为0.66μm和0.79μm,实验结果和理论分析结果基本趋势一致.     

基于矢量波像差理论的两反光学系统装调研究

 为了实现对两反光学系统的精密装调,提出一种基于矢量波像差理论和波像差检测技术对失调量精确求解的装调方法。使用矢量波像差理论,将已设计的两反光学系统参数、失调量和失调光学系统的波像差之间建立方程;然后通过干涉测量法得到某一个视场的干涉图,利用条纹分析软件得到表征失调系统三阶彗差和三阶像散的泽尼克项系数,将泽尼克项系数代入方程从而求解出失调量。运用此方法对4 m口径RITCHEY-CHR-TIEN结构的天文望远镜进行模拟装调,最终求解的失调量与引入的失调量结果相互吻合,说明该装调方法正确。     

基于背景纹影波前传感技术的气动光学波前重构与校正

背景纹影波前传感(backgroud oriented schlieren based wavefront sensing, BOS-WS) 是利用背景纹影技术测量光学波前二维分布的新型实验手段, 可定量测量光线通过干扰场后产生的光学畸变并给出光程差. 为了利用BOS-WS技术获得光线因气动光学效应产生的畸变信息, 并通过已知畸变信息还原原始图像, 进而探索一种新型的超声速成像制导方法, 本文通过理论分析, 验证了利用背景纹影技术测量光学波前的方法, 探索了利用已知波前信息预测畸变位移场以及利用已知位移场进行波前重构的计算方法. 通过数值模拟比较了一阶梯形积分算法和Southwell方法在波前重构上的误差大小和结果合理性, 并通过误差分析证明了Southwell方法更加精确合理. 通过蜡烛火焰上方流场畸变实验和透镜对波前的扰动实验, 创造性地探索了利用已知光学光程差还原畸变位移场及用其校正畸变图像的方法, 并通过验证性实验证明了校正方法的有效性.     

激光推进应用中的波前重构仿真研究

分析了Hartmann传感器应用于激光推进中波前畸变测量的可行性,介绍了模式法波前重构原理。利用MATLAB7.0对小孔板进行了仿真。并根据几何光线追迹原理,对设定的畸变波前进行了重构。同时比较了选用不同Zernike模式数的波前重构结果以及选用不同采样率小孔板的波前重构结果。仿真结果表明:Hartmann传感器对推进应用中大口径光斑的波阵面测量是可行的。     

三路矩形光束相干合成波像差与光束质量

根据相干合成的原理,建立了三路矩形光束相干合成的数学仿真模型,根据数学模型编写了仿真程序;模拟计算了1～21阶泽尼克像差下,单路矩形光束和三路矩形拼接光束的波像差与光束质量因子关系的拟合系数;建立了波像差与因子关系的计算表达式。分析了影响拟合系数的因素,结果表明:拟合系数总体上随着泽尼克像差系数增大而增加。比较了单路矩形光束与三路矩形拼接光束拟合系数的相似点和不同点,并分析了造成拟合系数不同的原因。     

一种新型人眼波前像差测量补偿系统的研究

离焦是人眼中最主要的像差之一,离焦量过大会严重影响人眼波前像差的测量及矫正精度。为了消除离焦在此方面带来的影响,设计了带有补偿装置的人眼波前像差测量及矫正系统。重点分析了该系统的原理、结构和工作流程。运用Hartmann-Shack波前传感器测量了人眼波前像差,并使用变形反射镜对人眼波前像差进行矫正。对模拟人眼矫正离焦前后的光斑点阵图和波前三维重构图进行了对比分析。研究表明,通过离焦补偿系统对模拟人眼的离焦量进行矫正,使被测量人眼的离焦量由2.020D和-2.035D分别减小到0.011D和-0.007D;通过调焦系统,使显示器上显示出的人眼光斑点阵图由模糊变清晰,提高了信标光在人眼眼底的成像质量。     

Individual eye model based on wavefront aberration

Based on the widely used Gullstrand-Le Grand eye model, the individual human eye model has been established here, which has individual corneal data, anterior chamber depth and the eyeball depth. Furthermore, the foremost thing is that the wavefront aberration calculated from the individual eye model is equal to the eye's wavefront aberration measured with the Hartmann-shack wavefront sensor. There are four main steps to build the model. Firstly, the corneal topography instrument was used to measure the corneal surfaces and depth. And in order to input cornea into the optical model, high-order aspheric surface-Zernike Fringe Sag surface was chosen to fit the corneal surfaces. Secondly, the Hartmann-shack wavefront sensor, which can offer the Zernike polynomials to describe the wavefront aberration, was built to measure the wavefront aberration of the eye. Thirdly, the eye's axial lengths among every part were measured with A-ultrasonic technology. Then the data were input into the optical design software–ZEMAX and the crystalline lens's shapes were optimized with the aberration as the merit function. The individual eye model, which has the same wavefront aberrations with the real eye, is established.     

The study of wavelength-dependent wavefront aberrations based on individual eye model

Theoretical calculations of the wavelength dependence of the ocular wavefront aberrations are performed with individual eye model. Individual eye model, based on the traditional Gullstrand-Le Grand eye model, has been established with measured individual cornea data, eyeball depth and wavefront aberrations. We analyze the wavelength-dependent wavefront aberrations at 12 different visible wavelengths (between 400 and 750 nm) for eight eyes. The change of defocus with wavelength (longitudinal chromatic aberration, LCA) is noticeable, and in good agreement with the results from references. In most cases, the primary spherical aberration changes significantly with wavelength. In comparison with the primary spherical aberration, the other higher-order wavefront aberrations have a smaller change with wavelength. These results have potential applications in those situations where defocus or higher-order wavefront aberrations information in arbitrary wavelength is required.     

板条增益介质波前畸变诊断方法

对波前重构算法中的区域法进行了改进,使其能够应用于板条增益介质的波前畸变诊断。利用该方法对47块Nd: YAG板条增益介质沿厚度方向波前畸变进行测量,指出镀膜和加工等环节对增益介质的波前畸变可能造成的影响。按照波前畸变峰谷（PV）值对测量结果进行了统计,结果表明:增益介质造成的静态波前畸变参差不齐,测量样本中静态畸变PV值最多可达5 m以上,且仅有4.1%的增益介质静态畸变PV值小于1 m。通过选取某些增益介质使之级联,测量其组合波前畸变,发现在系统中使用两块波面互补的增益介质有助于减小系统的静态波前畸变。     

无调制两面锥波前传感器的衍射理论分析和数值仿真

两面锥波前传感器(two-sided pyramid wavefront Sensor,TSPWFS)是一种高空间采样率和高光能利用率的波前传感器.为了深入研究它的波前复原原理,采用波动光学理论详细推导了无调制TSPWFS的衍射理论,给出了无调制TSPWFS波前复原时线性重构矩阵的解析解,并且通过数值仿真确定出最佳的光瞳像中心间距,并对静态像差的波前复原及闭环校正进行数值仿真.分析结果表明,无调制TSPWFS具有波前复原时不需要现场测量响应矩阵,可以校正系统像差,闭环校正结果稳定等优点,可以在实际自适应光学系统中进行波前探测. 关键词： 自适应光学 两面锥波前传感器 波前复原