一般各向异性介质中qS1和qS2波波前分离

地震波在各向异性介质中传播时存在横波分裂现象,可用于研究岩石中地震波传播特征和了解地下介质各向异性参数.一般各向异性介质中计算三种地震波(qP,qS1,qS2)相速度和群速度的研究日趋成熟,但分离qS1和qS2波的波前仍然是一项具有挑战性的工作.为此,本文基于新近给出的一般各向异性介质中三种波(qP,qS1,qS2)群速度的解析计算公式,依据相速度光滑连续的条件给出相邻方向上qS1和qS2波识别方法;为避免数值计算误差造成识别错误,构建了置信度函数,并借鉴快速行进法的思想逐点进行判别以分离qS1和qS2波的波前,最终得到三种波(qP,qS1,qS2)各自独立且完整的波前面.多个数值模拟试验结果表明,该算法适用于不同类型各向异性介质,且不受波前复杂程度的影响,具有较高的稳定性,可为一般各向异性介质中多次波射线追踪、多震相走时反演以及横波分裂研究等提供算法支持.

自适应光学视觉模拟器测量波前像差的重复性及与OPD-Scan Ⅲ的一致性研究

目的:评价自适应光学视觉模拟器(VAO)测量全眼高阶像差的重复性及与OPD-ScanⅢ测量全眼高阶像差的一致性。方法:采用横断面研究方法。纳入2023-08/09在成都东区爱尔眼科医院屈光科就诊的近视患者204例204眼(均取右眼数据)。由同一位操作熟练的检查者分别使用两种设备进行检查,使用VAO测量4.5 mm瞳孔直径下3-6阶的高阶像差,VAO和OPD-ScanⅢ测量3-6 mm瞳孔直径下全眼总高阶像差(tHOA)、球差(SA)、彗差(Coma)和三叶草像差(Trefoil),评估VAO测量全眼像差的重复性及两种设备的一致性。结果:VAO测量全眼的高阶像差均显示较高的重复性(0.767≤ICC≤0.941、Sw<0.01μm、TRT<0.1μm)。4-6 mm瞳孔直径下VAO与OPD-ScanⅢ的Coma测量值无差异(P>0.05),其余瞳孔直径下全眼总高阶像差的测量值均有差异(均P<0.05)。VAO与OPD-ScanⅢ的3 mm瞳孔直径下各阶像差以及4、5 mm瞳孔直径下的SA、4 mm瞳孔直径下的Coma测量值的95%LoA<0.1,显示一致性较好,其余瞳孔直径下的像差测量值的95%LoA>0.1,显示一致性较差,两种设备3 mm(r=0.218-0.317,P<0.01)、4 mm(r=0.406-0.672,P<0.01)、5 mm(r=0.538-0.839,P<0.01;r=0.030-0.109,P>0.01)以及6 mm(r=0.369-0.766,P<0.01)瞳孔直径下高阶像差测量值差异较大。结论:VAO测量3-6 mm瞳孔直径下全眼高阶像差结果时具有良好的重复性,但VAO与OPD-ScanⅢ的3-6 mm瞳孔直径下的全眼高阶像差测量值存在差异性,一致性较差,临床应用不可互换。

基于AMASPGD算法的FSOC系统波前畸变校正及性能分析

为了抑制相干自由空间光通信系统中大气湍流引起光信号波前失真的不利影响,提出了一种基于聚合动量(AM)和自适应矩边界(AdaMod)优化器的增强型随机并行梯度下降(SPGD)算法。仿真结果表明,该优化算法可以显著提高收敛速度和鲁棒性,并有效降低波前畸变的峰谷值和均方根,从而更有效地抑制大气湍流对相干自由空间光通信(FSOC)系统混频效率和误码率的负面影响。

波前像差引导的LASIK与SMILE手术对屈光不正患者视觉质量及泪膜稳定的影响

目的 探究波前像差引导的准分子激光原位角膜磨镶术(WF-LASIK)与飞秒激光小切口角膜基质透镜取出术(SMILE)手术对屈光不正患者视觉质量及泪膜稳定的影响。方法 选取2020年1月-2023年1月我院诊治的屈光不正患者60例(120只眼)作为研究对象。根据手术方式不同分为WF-LASIK组(30例,60只眼)与SMILE组(30例,60只眼),比较2组裸眼视力、屈光度、视觉质量、泪膜稳定及并发症。结果 经重复测量方差分析:两组裸眼视力、球镜、柱镜、等效球镜的时间效应有统计学意义(P<0.05),且WF-LASIK组术后1、3mo裸眼视力高于SMILE组(P<0.05);两组球差、水平彗差、垂直彗差、总高阶像差、泪膜破裂时间、泪液分泌试验的时间效应、组间效应及交互效应均有统计学意义(P<0.05),且WF-LASIK组术后1、3mo球差大于SMILE组(P<0.05),水平彗差、垂直彗差、泪膜破裂时间、泪液分泌试验低于SMILE组(P<0.05)。两组并发症总发生率比较无统计学意义(P>0.05)。结论 屈光不正患者通过WF-LASIK与SMILE手术均能获得良好视力效果,其中WF-LASIK手术在视觉质量方面具有较明显优势,SMILE手术在泪膜稳定性方面具有明显优势。

基于投影光瞳分布的星地激光通信波前探测

为了解决星地自由空间光学通信系统中的提前角问题,采用了一种基于光强传输的新型波前探测技术——投影光瞳面分布(Projected Pupil Plane Pattern,PPPP),并通过实验室实验验证了该技术的可行性。PPPP基于TIE光强传输公式,根据不同传输距离下光强分布的变化反解出大气湍流引起的波前畸变。由于PPPP采用的是上行通信激光本身的后向瑞利散射,其测量的大气湍流方向与通信卫星方向一致,因此可以有效解决星地激光通信中的提前角问题。实验模拟了1 m口径的地基望远镜作为上行激光发射装置和后向散射光斑成像设备,通过等效高度分别为10 km和17 km的上行激光后向散射光斑图像来实现对10 km以下大气湍流的波前探测。实验采用的波前畸变模拟装置包括空间光调制器和透明塑料片,实验结果表明,对不同的波前畸变PPPP和通用的夏克-哈特曼波前探测器可以实现相似的波前重构,两者重构相位的残差约为初始相位的30%。

基于波前整形和自适应光学的水下可见光通信系统

为了解决水下可见光通信中复杂的水下湍流、散射环境对光束造成的畸变而导致信号传输失败的问题,使用随机相位屏方法模拟了水下湍流信道,在发射端对光束进行波前整形实现远距离聚焦,接收端使用自适应相位恢复算法对接收端光斑进行恢复。在1.2 m水下实验平台使用比特功率加载技术发射离散多音信号(discrete multi-tone, DMT)信号测量接收光功率与数据传输速率的对应关系,基于此,预测了100 m湍流环境下可见光信号的传输速率,与经过波前整形以及自适应相位恢复后的结果对比得到,所提出的方法可以使得水下可见光系统的传输速率得到极大提升。

基于间接波前整形的近红外二区荧光共聚焦成像研究

生物组织散射引起的光学像差限制了光学系统的成像性能。本文研究了基于间接波前整形的近红外二区荧光共聚焦成像技术。首先,制备了高效率近红外二区荧光探针,降低该波段生物组织的散射有助于实现高对比度的活体组织成像。其次,研究了基于间接波前测量的自适应光学方法,将间接波前整形技术应用于激光扫描共聚焦显微系统中,以实现对生物组织引起的光学像差的测量与补偿,获得生物组织的高信噪比成像。最后,对基于间接波前整形的近红外二区荧光共聚焦成像系统开展了相关实验。实验结果表明,本系统对空气平板、散射介质和小鼠颅骨等产生的像差具有良好的补偿效果,最终信号强度较初始值分别提升了1.47、1.95和2.85倍,显著提升了最终的成像质量。

基于掩模光刻的液晶波前校正器设计与制备

液晶波前校正器通常基于液晶显示器的工艺制备而成,因此其研制成本高、定制难度大。本文基于掩模光刻法制备液晶波前校正器,以实现液晶波前校正器的专用化、低成本研制。基于掩模光刻技术设计并制备了91像素的无源液晶驱动电极,并封装成液晶光学校正单元。设计并制备了驱动连接电路板,实现了液晶光学驱动单元和驱动电路板的匹配对接。对液晶波前校正器响应特性进行检测。结果显示,其相位调制量为5.5个波长,响应时间为224 ms。利用Zygo干涉仪进行球面波的产生和静态倾斜像差的校正。结果显示,其可以产生正负离焦波前,且对水平倾斜像差校正后,Zernike多项式中第一项的值从1.18降至0.16,校正幅度达86%,实现了像差的有效校正。本文的研究工作可为液晶波前校正器的研制提供新思路,进而拓宽其应用领域和场景。

自由曲面镜补偿大功率激光波前畸变技术研究

对于一台性能稳定的激光器,在出光阶段整个系统处于热交换的稳定状态,即激光波前分布可以保持稳定不变。基于此特点,提出制造自由曲面镜,以校正激光器的波前畸变,提高光束质量。本文首先介绍了自由曲面镜的波前补偿原理、设计及加工过程,然后通过数学建模,从理论上对其波前补偿能力进行了仿真计算,最后在板条固体激光器中进行了波前补偿实验:在激光器输出功率为12.5 kW时,自由曲面镜对激光光束相位及远场光束质量都有明显的改善和提高。自由曲面镜不像变形镜那样受到致动器间距的限制,因此对于高阶像差的校正也更为有效,且成本低廉,再者也不会增加系统的复杂度,与自适应光学系统相比各有所长。

深度学习在波前重构与波前预测中的研究进展

深度学习技术与自适应光学技术的结合,预期能够有效提升波前校正效果,并能更好地应对更复杂的环境条件。详细梳理了在波前重构技术和波前预测技术方向上应用深度学习的研究进展,包括研究者在这两个研究方向中所采用的具体研究方法以及相应的神经网络结构设计,同时分析了这些神经网络在不同实际应用场景下的性能表现,并对不同神经网络结构之间的差异进行了比较和讨论,探究了结构差异所带来的具体影响。最后,总结了深度学习在这两个方向上的已有方法,并就未来深度学习与自适应光学技术如何深度融合的发展趋势进行了展望。

飞行器乘波前体/Bump型面优化设计方法研究

飞行器前体和Bump型面是乘波体思想在飞行器部件设计中的两大经典案例,可有效提升飞行器总体气动性能,已经成为飞行器总体设计的核心技术。为寻求乘波前体和Bump型面的最优设计以提升飞行器设计效率,提出了一种可应用于乘波前体和Bump型面的优化设计方法。采用密切锥理论和圆锥绕流流场生成初始的乘波前体和Bump型面,并通过面元法快速预估气动性能;结合BP神经网络建立的代理模型和遗传算法NSGA-II对乘波前体和Bump型面快速优化;利用数据挖掘方法分析乘波前体和Bump型面的流动机理。优化后的乘波前体升阻比提升了25.6%,体积提升41.4%。Bump型面阻力系数减少10.9%,横向压力梯度增加12.1%。研究结果表明,提出的优化方法能够有效应用于乘波前体和Bump气动型面的设计优化,对飞行器整体气动性能的优化具有指导意义,在工程应用中具有重大潜力。

波前编码红外成像系统的温度梯度适应能力探究

利用波前编码技术为红外光学系统进行无热化设计可提高其在不同均匀工作温度下的适应能力,但针对温度突变、成像系统内温度分布不均情况,波前编码技术是否能正常进行成像及其适用的温度范围还有待进一步研究.为简化分析流程,采用温度梯度模型来仿真非稳态下的温度变化.利用温度梯度模型来定性分析光学系统在轴向、径向温度梯度为系统引入的附加像差.计算两个方向下的光程差变化来比较两种温度梯度环境下系统的成像性能差异.在此基础上,为非稳态温度环境下红外光学系统的设计建立了结合光/机/热分析的无热化设计流程,通过ZEMAX设计了一套最大轴向尺寸为85 mm、最大径向尺寸为25 mm的红外光学系统,通过SolidWorks加载轴向和径向的热形变,探究所设计的系统能够适用的温度梯度范围.结果表明,结合光/机/热分析的无热化设计流程可以有效表明系统在非稳态温度下的成像情况.对上述采用三次相位板进行无热化设计的红外光学系统,在非稳态温度下可以适应±10℃的轴向温差范围,但是仅可以适应±1℃的径向温差范围.因此在进行红外波前编码光学系统的无热化设计时,需要对径向方向进行重点优化.

强大气湍流下扩展信标波前重建方法研究

针对强湍流环境下自适应光学系统无理想点信标波前探测的难题,本文提出利用光场传感器(Plenoptic sensor)对扩展信标进行光场信息探测。对扩展信标的光场成像原理、波前位相重建算法、误差影响规律进行研究,利用等效法将扩展信标看做数个离散点的集合,简化扩展信标在光场传感器上的成像过程,然后将光场图像按照特定方式重新进行排列组合。通过图像互相关法和Zernike模式法实现0°视场的波前重建。针对不同输入像差系数、单列微透镜单元数和噪声等误差影响因素进行仿真研究,结果表明:当输入像差在6.5λ以内时,波前重建精度约为0.08λ,对于图像分辨率为1080×1080、像元尺寸为5.5μm的图像探测器,单列微透镜单元数在40~50之间时波前重建精度最高,此外,系统噪声几乎不影响精度。最后,搭建了扩展信标波前探测系统,通过探测扩展信标对0°视场的4种像差波前进行重建,实验系统的波前重建精度约为0.04λ,基本满足自适应光学系统的波前检测要求。

基于波前编码的大像面荧光显微成像系统景深延拓研究

大像面荧光显微成像系统可以对大尺寸dPCR生物基因芯片进行一次性成像,但其景深(DOF)较小,限制了系统的物方检测深度。文章采用波前编码技术在不降低分辨率的前提下,有效扩展了大像面荧光显微成像系统的景深,为后续高通量多层堆叠式dPCR生物芯片实现一次性成像提供了技术支持。但考虑到显微成像系统正向设计仿真时不适合直接进行景深延拓分析,故对其倒置翻转后在像方(原物方)分析焦深延拓范围(即景深)。为确定最优的相位板参数值,编写遗传算法与ZEMAX的API接口链接,以动态交互的方式对相位板调制系数进行优化、筛选、定值。在大像面荧光显微成像系统孔径光阑前的平行光路处添加特定系数的相位板,对光学系统的波前相位进行调制,使得在焦点附近一段范围内产生成像一致的中间模糊像。采用维纳滤波对中间模糊像进行复原,由模拟的结果可见,在传统光学系统的±10倍景深内,编码复原图像具有较高的分辨率(达到6.5μm),能够实现系统的景深延拓。装配相位板的大像面荧光显微成像实际系统,其延拓倍数在±7倍景深范围内有较好的图像复原分辨率(6.5μm)。

集成波前转换与极化转换功能的低散射超表面设计

针对复杂电磁环境中的多功能微波复合材料设计问题,提出了一种兼具通带内波前转换与极化转换以及通带外雷达散射截面减缩功能的超表面设计。超表面在两个正交的横向方向上维持相同的透射相位梯度以及固定的π/2透射相位差异,以实现具有平面波前的圆极化电磁波与具有球面波前的线极化电磁波之间的互易转换。同时,通过级联频率选择有耗层构造了电路模拟吸波结构,以使超表面在透波窗口外的雷达散射截面得到有效减缩。进一步,由一副线极化渐变缝天线单元作为置于球面波相位中心处的初级辐射源,在透射后的主瓣方向上宽频范围内观察到了具有增强增益和圆极化特性的次级辐射,增益增强带宽为57.14%,主瓣方向3 dB轴比带宽为35.50%。在透波窗口外的低频端,不低于10 dB的雷达散射截面减缩带宽可达113.12%且该减缩效果具有良好的斜入射稳定性。实测结果和全波仿真结果的良好吻合验证了该设计的有效性。

中心不重合径向剪切干涉迭代波前重构算法仿真分析

径向剪切干涉测量时经常会出现扩束与缩束光波中心不重合情况,传统波前重构算法会导致较大重构误差,其应用受到挑战。推导了中心不重合径向剪切干涉迭代波前重构算法,仿真分析了组合像差、单阶Zernike像差、中心偏移量大小及其计算误差对重构算法的影响。结果表明,在剪切光波中心不重合情况下,该文算法能够准确进行波前重构,重构效果显著优于传统算法;在论文仿真条件下,随着中心偏移量的增大,本文算法重构波面均方根误差(RMS)不高于0.05λ,而传统算法重构误差RMS值达1.6λ且与偏移量近似线性相关。

基于P-U-net的角锥波前探测器的波前校正方法

自适应光学技术被广泛应用于像差的校正,但在实际应用中,闭环校正需要较长的时间,并且由于变形镜的非线性响应,传统的开环校正方法的校正精度会受到影响。本文提出一种基于P-U-net网络的角锥波前探测器波前校正方法。P-U-net通过数据训练建立了整个自适应光学系统的模型,在角锥波前探测器的光瞳图像与变形镜的控制电压之间构建了直接的非线性映射关系。可以通过角锥波前探测器的光瞳图像直接计算变形镜的控制电压。通过使用仿真自适应系统理论验证了该方法的可行性,可以在50 ms内完成像差校正,校正精度达到0.1μm。与传统的闭环自适应校正算法相比,本文方法可以在更短的时间内完成像差校正,达到更高的精度,具有很好的应用前景。

偏振可调谐式剪切干涉的大畸变波前实时重构

为了实现对大畸变波前的实时测量,基于紧凑稳定的剪切干涉结构,提出一种偏振式单帧波前重构方法,有效克服传统横向剪切需要两幅或以上的图像梯度整合缺陷,实时重构大畸变待测样本波前的形貌。以无限共轭模型为理论基础进行仿真分析,对生成的大畸变波前样本进行计算重构,验证该优化算法的可行性。在此基础上,搭建双平面镜可调谐剪切干涉共轭结构,结合偏振器件,以分辨率目标靶作为待测对象,对所提算法进行实验验证,实现入射光场波前的实时条纹分离和波前重构。实验结果表明,所提单帧波前法重构样本波面的均方根误差为60 nm,算法运行时间有效提升至0.11 s。所提偏振剪切式光学设计以及单帧波前重构算法,作为一种自干涉剪切方法,无需多幅图像的重建程序,简化横向剪切干涉的实验结构,提高宏微观样本三维形貌的检测效率,在光学定量相干干涉测量领域具有一定的应用潜力。

基于深度学习的机载遥感通信系统自适应光学波前校正技术

自适应光学波前校正过程易受复杂背景、光照强度、噪声信号等问题的干扰,导致校正的效果降低。为了解决上述问题,提出基于深度学习的机载遥感通信系统自适应光学波前校正技术。通过相位差法实现自适应光学波前的探测,采用小波变换算法剔除其中的噪声,避免噪声对校正过程产生干扰。根据深度神经网络的预测与自学习能力构建动力学模型网络、策略网络与决策单元,通过与校正阈值的对比,完成机载遥感通信系统自适应光学波前的校正。实验结果表明,所提方法的斯特列尔比接近1,且校正时间短、校正效果好。

光学波前传感技术研究进展

光学波前是光波相位面的几何表示,光学波前传感技术通过检测光波传播路径中的相位变化来分析物体的性质。该技术广泛应用于大气湍流检测、光学元件缺陷分析、生物样品研究等领域,在天文学、自适应光学、显微成像、激光系统和生物医学等方面具有重要作用。然而,常见探测器仅对光强度敏感,为了探测光学波前,通常需要在探测前端使用一系列复杂的光学元件,这导致系统体积庞大、成本高昂且结构复杂。近年来,随着微纳光学和人工智能等领域的不断进展,涌现出一系列基于新原理、新器件和新算法的集成化、小型化和高性能的光学波前传感技术。该论文系统综述了近期光学波前传感技术的研究进展,并根据其原理将其分为干涉型和非干涉型两大类,具体包括剪切干涉型、光栅干涉型、近场干涉型、算法重构型和维度关联型等技术。最后,总结了当前领域尚存的挑战,并展望了未来可能的研究方向。