Shack-Hartmann波前传感器在光学检验中的应用

介绍用于光学检测的Shack-Hartmann(S-H)波前传感器,以及相应的检测实验结果。在实验室内,通过与Zygo干涉仪的测量结果对比,得出传感器的测量精度优于λ/50RMS(λ=632.8nm)。在外场利用星光作为光源,对口径1m、焦距11m的望远镜进行了系统波像差检验,测量结果为0.39λ～0.46λRMS之间,并随着俯仰角的增加而增大,主要像差形式为三阶像散。

基于Shack-Hartmann的子孔径拼接波前检验技术

针对传统的地基大口径望远镜自准直干涉检测受器材限制和环境影响而检测困难的问题,提出了基于Shack-Hartmann波前探测器的子孔径拼接波前检测方法。介绍了子孔径拼接检测理论和拼接算法,研究了Shack-Hartmann下实现子孔径上波前精确测量的方法,设计了具有透射孔的光阑实现自准直光路中子孔径毫米级的定位。实验使用32单元的Shack-Hartmann波前探测器和40mm的平面反射镜,实现了口径扩展比1.8的子孔径拼接检测;对比表明均化误差的处理方法优于两两拼接方法,其拼接检测结果与全口径检测结果之差的PV值为0.5波长。实验结果表明,这种技术在大口径望远镜波前自准直检测中有很好的应用前景。

Shack-Hartmann波前传感器非零位在轴检测离轴非球面反射镜

在离轴非球面反射镜研磨后期和粗抛光阶段,被测反射镜面形与理想面形存在着较大的偏差,表面反射率较低,采用干涉测量会因局部区域干涉条纹过密或条纹对比度过低,造成普通干涉仪无法进行全口径测量,而普通接触式轮廓仪测量精度此时已经不能满足加工要求。鉴于Shack-Hartmann波前传感器较大的动态范围和较高的测量精度,提出了采用Shack-Hartmann波前传感器非零位在轴检测离轴非球面面形,研究了该方法的检测原理并搭建了检测系统,分析了系统误差来源,并制作了用于在轴检测离轴非球面的参考波前,对两个不同加工精度的离轴非球面反射镜进行了测量,并与干涉仪的测量结果进行了对比。对比结果表明,Shack-Hartmann波前传感器的测量结果是正确可靠的,并且可以弥补轮廓仪测量和干涉仪测量的不足,从而证明了采用Shack-Hartmann波前传感器在轴检测离轴非球面的可行性和正确性。

多用途、模块化哈特曼波前传感器的研制

分析了哈特曼传感器的主要设计指标,介绍了设计研制的一种多用途、模块化哈特曼传感器,通过将传感器的主要部件,包括光源、准直镜、分光棱镜、缩束光路、微透镜阵列及相机等进行模块化设计,根据不同需求,对各模块增减或更换,实现了一套传感器多种用途的应用。并用该传感器进行了系统波像差及光学元件面形检测实验,通过与Zygo干涉仪的测量结果对比,得出该传感器测量精度λ/50 RMS。

湍流特征光学测试对比

在10℃～230℃温差下,对大气相干长度r0分别采用夏克-哈特曼的到达角起伏法、差分像运动法、波面法三种测量法和四象限探测器进行了测试和对比;对折射率结构常量Cn2及闪烁功率谱分别采用夏克-哈特曼和光电倍增管进行对比.实验结果表明:对于r0,在强湍流时四象限探测器比夏克-哈特曼的稳定性明显降低,且对夏克-哈特曼三种方法,差分像运动法可克服设备抖动等问题,但引入了方向上不一致的问题,波面法可有效避免该问题;对于Cn2,夏克-哈特曼比光电倍增管测量更稳定,拟合相关系数高达0.96;对于闪烁功率谱,由于噪音影响,在200℃时夏克-哈特曼比光电倍增管测得的最大频率高15Hz;最后,通过对夏克-哈特曼子孔径的闪烁功率谱分析得出,若同一子孔径入射光强不在CCD响应的线性区间时无法准确测量闪烁功率谱,否则可通过不同子孔径可完成湍流均匀性的测量.这将为湍流池提供最优的测试方法及理论依据.

大口径望远镜波像差的外场检验方法

为在外场环境下对大口径望远镜进行系统波像差的检验,研制了一套具有高探测能力的Shack-Hartmann波前传感器.利用恒星作为光源,对口径1m、焦距11m的大口径望远镜进行了波像差检验实验,测量结果为系统波像差在0.39λ～0.46λRMS之间,且随着俯仰角的增加而增大,主要像差形式为3阶0°像散,与星点检验的结果一致.

新型混凝土空心砌块房屋抗震性能研究

本文介绍了一种集承重与保温于一体的新型混凝土砌块房屋的抗震性能的研究结果。文中采用具有负刚度的四折线恢复力模型,用Newmark数值积分法,选用代表Ⅰ～Ⅳ类场地的10地震记录,分别对两栋典型的新型砌块房屋进行了非线性地震反应分析,研究了在抗震设防“三水准”情况下房屋的抗震能力。计算结果表明:新型砌块房屋具有良好的抗震性能,在7、8度地震区分别建造7层和6层的这种房屋可满足抗震设防三水准要求。文中还介绍了一个足尺新型砌块房屋模型的模拟振动台试验,用本文给出的非线性地震反应分析方法对模型进行了计算,且将振动台试验结果与计算结果做了比较,验证了本文选取的计算模型是合理的、计算方法是可靠的。

纳米级针孔矢量衍射波前误差分析

应用哈特曼-夏克(H-S)波前检测仪检测大数值孔径(NA)透镜时,需要采用纳米级针孔产生参考球面波前对H-S传感器进行标定。为了制作出满足要求的高质量针孔,本文对影响参考波前质量的各种要素进行了仿真计算和分析,以获得最优针孔加工参数。基于矢量衍射理论,在会聚高斯光束照射下,计算了针孔厚度和直径大小对衍射波前误差的影响,衍射波前中的像差成份、能量透过率、强度均匀性、针孔加工误差及光束相对针孔中心发生平移、离焦、倾斜时衍射波前误差的变化。分析计算显示,在NA为0.6时,为了使相对于理想球面波的波峰波谷值(P-V)偏差不大于0.005λ(λ=193nm),在实际针孔的加工制作中,应选取材料铬,并取厚度200nm,直径180nm为适宜。

一种数学形态学的哈特曼-夏克传感器阈值选取方法

为了提高计算哈特曼-夏克波前传感器的质心探测精度,设计了基于数学形态学的滤波器。此滤波器基于四个有向结构元素形态滤波,设计的每个元素充分考虑了哈特曼-夏克波前传感器探测人眼波前像差时的光斑点大致形态。这个滤波器优化了阈值,经此滤波器处理后,可以保持传感器探测到每个光斑点的形态特征,保留了更多的光斑信息。通过在视网膜细胞显微镜项目的应用其速度和精度均能满足要求。

基于哈特曼传感器激光波面测试方法研究

激光通信中主要存在的问题为激光在传输过程中受大气环境影响严重,产生波面畸变,影响激光的传输质量,从而引起激光所携带的信息失真。以哈特曼传感器为核心研制一个操作简便、结构紧凑的波面测试系统,该系统可有效地检测激光传输后及传输过程中产生的波像差。通过对所要求的技术指标进行分析,合理地选择了满足要求的哈特曼波面传感器及微透镜阵列,根据微透镜阵列的口径对准直光学系统进行了设计,编制了测试软件界面,给出了波面测试实验结果,最终满足测试指标要求。

利用导流板降低流场对光传输影响的试验研究

在一座小型跨超声速风洞上采用夏克-哈特曼波前传感器进行了Ma=3试验段流场对光传输特性影响的试验研究。空风洞流场的测试结果表明,由于试验段壁面湍流边界层中气流脉动与流场密度变化的影响,光波前会发生畸变。为了降低湍流边界层流场对光传输的影响,在风洞试验段单侧壁板上安装导流板进行了试验。测试数据表明,光波前畸变量的PV均值和RMS均值分别由3.5λ和0.73λ降低到了1.09λ和0.22λ,而且光波前畸变量的波动幅度也大为降低。初步研究结果说明,采用加装导流板等措施可以显著降低风洞流场对光传输的影响,有利于提高风洞试验时流场显示与测量结果的可靠性和有效性。

哈特曼-夏克波前传感器的高精度质心探测方法

为提高哈特曼-夏克波前传感器(HS-WFS)的光斑质心探测精度以实现光学系统的高精度波前检测,提出了一种有效的质心探测方法。该方法利用非线性滤波和窗口法对整幅光斑图像进行全局处理后,结合中值滤波、三次样条插值和自适应Otsu阈值法对单个光斑进行局部处理。分析了三次样条灰度插值点个数不同,探测精度和计算时间的变化规律。采用该方法探测了含有噪声的光斑图像,其质心探测误差仅为0.0442pixel,比传统的非线性滤波、Otsu阈值法和探测窗口法探测精度分别提高了91.86%、87.97%和31.79%。对已知波像差的光学系统进行了仿真检测,得到的波前检测精度峰谷(P-V)值为0.0098λ,精度均方根(RMS)值达到0.0027λ。结果表明该方法能够提高质心探测精度,可用于高精度光学系统的检测。

增大夏克-哈特曼波前传感器动态范围的算法研究

为了保证夏克-哈特曼波前传感器具有高灵敏度的同时又具有较大的动态范围,提出了一种能够有效增大传感器动态范围的数据处理方法光斑归位法。该方法使不规则的光斑回归到各自原来的位置,形成一个规则的光斑阵列,找到光斑阵列中某个光斑与微透镜的匹配关系,进而找到所有的光斑与微透镜的匹配关系。该方法的优点在于光斑不需要被限制在子孔径内且在不增加硬件等其他辅助条件下能够有效地增大夏克-哈特曼波前传感器的动态范围。实验验证了光斑归位法的正确性和可行性,结果表明,光斑归位法是正确的且采用该方法的动态范围比传统算法的动态范围提高了25倍以上。