一种新型的自基准哈特曼波前传感器

根据波前径向斜率测量原理,提出一种利用五棱镜扫描方法实现了新型自基准哈特曼波前传感器,其突出优点和特点是毋需任何外部信标或标准大平面反射镜提供工作基准。理论分析和实验结果表明,该传感器波前传感灵敏度与干涉仪相当,而对工作环境和光源并无苛刻要求,可用于天基主动光学系统、地基天文望远镜和大口径平行光管等的装校检验。

自适应系统中哈特曼波前传感器光斑质心的最佳标定位置

自适应光学系统中采用CCD作为哈特曼波前传感器的光斑质心位置探测器时,由于光斑的高斯宽度较小会带来大采样误差。针对该问题,本文详细分析了采样误差形成的原因,建立了采样误差、位移敏感度和开环动态范围与光斑高斯宽度、光斑位置以及子孔径大小的数学模型,提出标定时光斑质心的最佳位置是子孔径中心四像素的中心。因为在该位置处,CCD的质心探测具有闭环时采样误差为0,位移敏感度最大,且开环时动态范围最大的特点,为哈特曼波前传感器的标定方法的研究提供了理论依据。

剪切干涉仪与哈特曼波前传感器的波前复原比较

对横向剪切干涉仪和哈特曼波前传感器的波前探测和复原进行了类比推导和仿真计算。结果表明 ,在相同输入波前、相同探测面元、相同拟合函数及阶数的情况下 ,横向剪切干涉仪的波前复原能力比哈特曼波前传感器强。主要原因是前者对波前的间接采样所包含的波前信息大于后者 ,并且前者比较容易增大对波前的采样。

应用于环形激光束的低阶哈特曼波前传感器设计

针对高能化学激光器出光过程中存在着大比例、大PV值低阶像差这一现象,设计了专用于前5项Zernike像差检测的低阶哈特曼波前传感器。该传感器的透镜部分采用呈环形分布的6单元微透镜阵列与凸透镜组合的方法,且均用CaF2材料制作。该方法不仅可以同时用于可见光和红外光的低阶像差测量,还具有成本低、光路结构简单、探测范围大等优点,适用于环形激光束的大PV值低阶像差检测。之后还搭建了测试光路系统,测试结果表明,该低阶哈特曼波前传感器的波面测量PV值量程为±8λ(λ=3.39μm),测量精度优于λ/10 (λ=3.39μm)。

基于片上质心计算的高速哈特曼波前传感器技术

针对强湍流像差校正、气动流场像差测量等高速波前探测场景,提出一种基于片上质心计算的高速哈特曼波前传感器设计,将光斑图像数据在输出之前做预处理,将预处理获取的光斑质心而非光斑图像作为光电探测器高速实时输出的数据,从而大幅压缩高速波前探测所需的实时传输数据量,可显著提升哈特曼波前传感器的实时探测速度。测试结果表明,提出的设计方案基于常规GigE Vision接口即可实现10 kHz以上的高速波前实时测量,有望为哈特曼波前传感器的自适应光学校正、气动光学效应测量等应用场景提供一种实时、高速波前测量新的技术手段。

多通道像素并行输出哈特曼波前传感器的实时质心运算流水线架构设计

基于可编程逻辑器件,设计了一种针对横向多通道像素并行输出特点的哈特曼波前传感器的实时质心运算流水线架构。该架构由乘法器单元、累加单元和除法单元组成,各个单元内运算器的数目可根据输出通道数和输出像素顺序自由配置。对于一帧图像的质心运算,经过该架构处理后延时仅为对最后输出的一个像素处理所需时间。仿真结果表明,对于以80MHz的时钟频率,横向8个像素并行输出的哈特曼波前传感器,其运算延时不超过0.5μs。

哈特曼波前传感器

该设备利用哈特曼·夏克波前传感器原理研制而成，加上专用软件，可用于激光通讯、激光加工、信息技术、光学加工、医疗及精密医疗器械等领域。已成功应用于我国多项大科学工程和重大实验的光束质量静／动态诊断、光学镜面面型和光学系统像差检测、以及光通过介质的动态波前误差测量等。

Zernike矩提高哈特曼波前传感器的鲁棒性

哈特曼波前传感器是自适应光学(AO)系统中常用的波前传感器件,噪声、器件装配误差常常影响其探测波前的能力和精度,进而影响整个系统对波前的实时校正。通过实验证明,引入数字图像处理中的矩技术,无需在硬件上对自适应光学系统进行修改,利用Zernike矩噪声不敏感、旋转不变等特性,对波前传感器CCD数据进行预处理,能够降低系统对噪声的敏感性,减小对器件装配精度的要求。

基于哈特曼波前传感器的非制冷红外成像光学读出系统

提出了一种新的基于哈特曼波前传感器(SHWS)的光学读出系统。该系统利用SHWS探测焦平面阵列(FPA)单元在受热前后反射波前斜率的变化量重构被探测物体的红外辐射图像。在理论上详细讨论其成像性能后,实验获得了单元尺寸为60μm×60μm,阵列大小为34 pixel×38 pixel的高温物体红外图像,其噪声等效温度差(NETD)约为3.8 K。优化系统参数设计,可以提高哈特曼波前传感器对到达角的测量精度进而获得更小的噪声等效温度差。

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。

哈特曼波前传感器中采样点数的分析

随着哈特曼传感器测量口径的增大,采样点数对被测波前的空间分辨率、测量精度及动态范围的影响也随之增大,因此通过计算机仿真波前径向斜率拟合过程,分析出采样点数和斜率探测误差对测量精度和测量范围的影响。计算机仿真的波前斜率拟合所用泽尼克多项式达到121项,测量口径2m,测量精度要求λ/50,径向(半径)和切向最少采样点数分别为10点和21点。当径向和切向采样点数分别为40点和250点,斜率测量误差为0.045″时,所测波前的P-V值范围是0-4λ。

高功率固体激光装置哈特曼传感器参考波前标定方法

在高功率固体激光驱动器中,参考波前标定是自适应光学系统应用过程中的关键技术之一。基于国内某大型激光原型装置光路特点,对比研究了两种不同的参考波前标定方法,详细分析了两种方法的标定过程和影响标定结果准确性的主要因素,选取了较为准确的参考波前标定结果。基于该参考波前,对AO系统闭环和开环条件下的远场进行了对比测试,实验证明了标定结果的有效性。该研究结果成功应用于该激光原型装置的AO系统波前补偿实验。

哈特曼传感器对湍流畸变波前的泽尼克模式复原误差

分析了应用哈特曼传感器测量大气湍流畸变波前时 ,哈特曼传感器的泽尼克模式复原误差与子孔径划分形式、泽尼克模式复原阶数等的关系 ,给出了科尔莫哥洛夫湍流下计算哈特曼传感器模式复原误差的公式。对比分析了 8× 8子孔径划分和 32×

高分辨力哈特曼传感器的快速波面重构和拼接

建立哈特曼传感器的模型,证明在高空间分辨力下,可以采用Hudgin模型进行波面重构,避免了采用Fried模型带来的复杂性。对哈特曼子孔径缺失破坏连续性的问题进行了分析,介绍了相应的边缘处理算法。完成了基于离散傅里叶变换的波面重构算法数值模拟,实现了波面的无损重构。针对实际应用中输入波面在被遮挡处不连续的问题,提出了基于最小二乘解的拼接方案,实现了非连续波面拼接。分析了影响波面重构速度的主要因素,提出了提高波面重构性能的方法。

方形区域上哈特曼波前重构算法比较研究

方形区域上的哈特曼波前传感器的波前模式重构算法中可用Zernike多项式、方域上正交的Zernike多项式以及Legendre多项式来重构波前相位。本文研究了三种多项式在方域上的波前重构算法,并分别通过模拟波前和实验验证了三种算法的正确性,同时对其重构精度进行了比较研究。结果表明:对于方形区域上的波前重构,上述三种多项式都能正确地重构出待测波前,它们的重构精度差别不大,相比之下,方域上正交的Zernike多项式的对待测波前的重构精度更高。

基于哈特曼波前探测的流场层析重建系统仿真

基于哈特曼波前探测的流场层析重建技术结合了光学波前探测技术和计算机层析技术。重建系统由哈特曼传感器探测平行光束穿过流场后的投影波前,采用计算机层析技术重建流场物理量的空间分布。在介绍哈特曼流场层析重建原理的基础上,对流场重建的整个过程进行了计算机仿真,重建的RMS误差为0.0726。结果表明,该技术可以很好地实现流场的层析重建,在材料、流场研究等工程实际测量中具有良好的应用前景。

基于傅里叶变换的哈特曼波前重构算法比较

为了快速准确的对含有噪声和倾斜误差的斜率数据进行重建,采用理论分析、仿真模拟及实验验证相结合的方法,对哈特曼波前重构中基于傅里叶变换的三种常用重建算法——傅里叶级数展开法(FFT)、反对称偏导积分法(ASDI)、离散余弦级数展开法(DCT)的正确性和适用性作了对比研究。结果表明:FFT算法运行速度最快,DCT算法次之,ASDI算法速度最慢;其中ASDI算法效果相对较好,但该种算法会受倾斜误差影响,导致重建精度降低甚至重建失败; FFT算法抗噪性最强,但重建时要求边界符合周期性延拓条件,当不满足条件时边缘误差较大; DCT算法不适合处理小型数据集。

光束质量对哈特曼波前探测精度影响的仿真分析

哈特曼波前探测器通过探测子孔径光斑质心误差来复原重构被测光束的波前,所以它的测量误差不仅受其自身的结构参数影响,也受被测量光束的光学特征影响。仿真分析表明:当被测光束的波前具有比较多的高阶成分或者哈特曼的微透镜阵列装调不精确时,被测光束强度分布不均匀将会严重影响哈特曼的波前探测误差。

变形镜与波前传感器空间失配对拟合精度的影响分析

基于自适应光学系统中变形镜与哈特曼波前传感器的位置关系,分析了导致两者空间失配的主要影响因素,并以45单元自适应光学系统为例,进行了空间匹配仿真分析,结果表明:若以拟合精度相对偏差10％作为判据,则要求变形镜与传感器相对旋转不大于4°,x和y方向的相对错位不大于2 mm.

哈特曼测量大气相干长度研究

研究了利用哈特曼波前传感器测量大气相干长度的两种方法:一种是测量两个子孔径恒星光波到达角起伏方差的差分像运动法;另一种是测量恒星波前分布,通过波前分布的剩余方差推算得到大气相干长度。试验测量结果表明,两种方法得到的测量结果基本一致,得到了大气相干长度的可靠数据,两种方法得到了相互验证,实现了在应用哈特曼波前传感器测量大气波前分布时,同时得到当前的大气信息,对分析哈特曼波前传感器的测量结果有参考意义。