基于图像清晰度无波前传感器自适应光学系统的研究

自适应光学技术能够校正大气湍流造成的光束畸变,但常规自适应光学系统需要波前传感器测量波前信息。在本文中系统不使用波前传感器,而是以图像清晰度作为优化指标,使用无模型的随机并行梯度优化算法,对大气湍流引起的波前误差进行时实补偿,结果表明此系统算法经过多次迭代后达到很好的校正效果。

高分辨率空间光学遥感器波像差的无波前传感器自适应光学校正

高分辨率空间光学遥感器在轨工作时,由于受到各种因素的影响,无法清晰成像,目前多采用自适应光学方法与技术进行校正。传统自适应光学系统体积较大,结构复杂,难以应用于高分辨率空间光学系统的在轨校正。无波前传感器自适应光学系统去除了传统自适应光学中的波前传感器,大大简化了系统结构,具有体积小、易于实现等优势,特别适用于高分辨率空间光学遥感器的在轨校正。提出了一种利用无波前传感器自适应光学解决高分辨率空间光学遥感器大口径面形误差校正以及宽视场校正等问题的方法。通过对典型的三反射式空间光学遥感器进行仿真研究,验证了利用无波前传感器方法校正大口径主镜面形误差的有效性。搭建了宽视场校正原理性实验平台,通过实验验证了宽视场无波前传感器校正方法的有效性。

点目标下基于变形镜本征模式的无波前传感器自适应光学系统

针对点目标提出了基于变形镜(DM)本征模式的无波前传感器自适应光学校正方法并进行了仿真和实验研究。由DM的影响函数矩阵推导出一组符合导数正交关系的DM本征模式代替传统的Lukosz模式。基于远场光斑的均方半径建立评价函数,利用DM本征模式系数与评价函数之间的关系求解出各阶模式所需的校正量。通过仿真比较了上述两种模式的校正精度,分析了模式偏置系数对校正精度的影响,给出了算法对不同大小像差的闭环校正结果。基于37单元DM搭建了实验系统,实验结果表明算法可以有效校正低阶像差,且采用DM本征模式的校正精度优于Lukosz模式。

无波前传感器自适应光学在生物成像中的应用

获取生物体的高质量图像对生命科学的研究至关重要,但成像光学系统和生物体本身都含有像差,导致成像分辨率和对比度下降.由于不同生物体引入的像差不同且可能随时间变化,因此无法通过传统的光学设计手段进行补偿.发端于天文成像观测的自适应光学技术具有克服动态像差影响的能力,因此也可以用于生物成像中提高成像质量.传统自适应光学一般用波前传感器(如夏克-哈特曼传感器)测量波前误差,而近年来发展的无波前传感器自适应光学技术则省去了专用的波前传感器,不但简化了系统结构,降低了成本,还可以克服传统自适应光学的一些限制,具有良好的应用前景.本文在介绍无波前传感器自适应光学原理的基础上,重点讨论该技术在眼底成像和荧光显微成像方面的应用并对未来的发展提出展望.

无波前传感器的自适应光学校正

激光在大气湍流中传输时会发生波前畸变,从而降低无线光通信系统的性能。采用基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的无波前传感器自适应光学校正系统对远场的畸变波前进行校正。模拟结果表明,校正后系统的斯特列尔比由0.15提高到0.81,远场光斑能量更加会聚。以CCD相机探测到的远场畸变光斑光强值作为系统的目标函数,实验验证了SPGD算法对不同畸变像差光的校正情况。经校正,目标函数(中心900个像素点的灰度均值)由26.5,44.6,110.6分别上升到77.2,93.4,208.5,斯特列尔比由0.23,0.39,0.48分别上升到0.67,0.75,0.86,中心光强值增大且光斑能量会聚,该结果与理论结果相吻合。

基于变形镜本征模式的方形孔径激光光束净化

传统基于Zernike或Lukosz模式的无波前传感器自适应光学校正方法仅适用于圆形光瞳,并且校正精度会受模式拟合误差的影响。为避免上述问题,提出了1种基于变形镜本征模式的校正方法并将其用于方形孔径激光光束净化,通过仿真,分析了算法的可行性和校正效果;仿真建立了115单元方形变形镜模型并推导出2类变形镜本征模式,分别采用斯特列尔比和远场光斑均方根半径作为评价函数,对不同大小的像差进行了校正;利用第2类变形镜本征模式对不同强度的大气湍流引起的波前误差进行了仿真校正。仿真结果表明:采用第2类变形镜本征模式校正的动态范围优于第1类变形镜本征模式;在湍流强度D/r0分别为5、10、15时,经过3次迭代,校正后算法均可收敛,校正后系统的斯特列尔比高于0.8.

基于变形镜本征模式和远场测量的光束净化

利用波前传感器对光束进行净化的自适应光学系统是目前提高光束质量的常用技术,但在实际应用中,该技术需要波前传感器,系统复杂,体积庞大,同时需要较高性能信标源。为解决上述问题,提出了一种基于变形镜本征模式和远场光斑特征分析的无波前自适应光学系统,用于校正激光器输出的方形光束。将变形镜影响函数进行本征模式分解,并用远场光斑的均方半径作为评价函数,建立了畸变波前的模式系数与评价函数之间的关系,通过测量评价函数获得模式系数用于求解校正电压,实现波前共轭校正。仿真校正和实验验证结果表明,该方法可以有效实现静态像差校正,提高远场光斑的能量集中度。