基于焦面哈特曼波前传感器的大视场高精度波前测量技术论证

气动光学效应容易对导引头目标成像跟踪系统产生不良影响,然而传统哈特曼波前传感器由于探测视场小,无法作用于导引头的目标成像跟踪系统。介绍了一种能够大视场测量的焦面哈特曼波前传感器,同时针对传统模式法无法在焦面哈特曼中进行高精度测量的问题,提出了一种能够高精度测量的优化波前复原算法——基于Gerchberg-Saxton迭代的波前复原算法。然后,根据满足大视场测量的结构设计,搭建了仿真平台,利用优化的波前复原算法对仿真输入像差进行复原。最后,利用多个激光器搭建了大视场波前复原实验平台,并验证了焦面哈特曼波前传感器具有能够实现高精度大视场波前测量的能力。

增大夏克-哈特曼波前传感器动态测量范围的方法

为了使夏克-哈特曼波前传感器(HS)在具有高灵敏的同时又能获得大的动态测量范围,介绍了一种能够增大HS动态测试范围的软件处理方法-外推法。在运用外推法时,首先需要找出任意子孔径(A)对应的焦斑位置作为起始点,然后利用外推法得到与A相邻的子孔径(B)内的焦斑位置,再以B内的焦斑位置作为起始点外推得到与B相邻的其它子孔径内的焦斑位置,依次类推,直至把所有子孔径内的焦斑全部找到。文中利用实验对外推法的可行性和实用性进行了验证,结果表明,在超出HS动态测量范围2倍的情况下,利用外推法可以完美地复原波面,基本解决了HS的动态测量范围和灵敏度相互矛盾的问题。

湍流大气中哈特曼传感器的模式波前复原误差II

分别采用 Zernike和 Karhunen-Loeve两种模式波前复原法 ,分析了在子孔径斜率测量噪声影响下 ,哈特曼传感器对大气湍流畸变波前的模式复原误差与模式复原阶数等的关系。发现最优模式复原阶数主要与哈特曼传感器的子孔径斜率探测信噪比有关。分析了一个哈特曼传感器对实际大气湍流畸变波前的测量结果 ,给出了确定传感器测量噪声的方法。

利用标记分水岭法实现夏克-哈特曼波前传感器质心探测

由于光斑质心探测精度直接影响夏克-哈特曼波前传感器的波前探测精度,本文提出基于标记分水岭法来确定阵列光斑质心探测窗口。首先,对采集到的夏克-哈特曼阵列光斑图像进行平滑并求出其梯度图像;然后,利用大津(OTSU)阈值法在求出的梯度图像上进行目标标记,最后在标记过的梯度图像上进行分水岭分割,确定出每个光斑的探测窗口。由于该方法确定的质心探测窗口是对光斑实际大小进行匹配,故有效地抑制了噪声对质心探测的影响。实验结果表明:利用该方法确定光斑探测窗口所计算的质心精确度和稳定性均比传统的在子透镜窗口中计算光斑质心的方法要高。统计多幅图像计算得到的窗口质心标准差的平均值为0.010 9,比传统法计算出的平均值0.073 4提高了6倍,满足哈特曼波前传感器对光斑质心计算稳定性和精确度的要求。

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。

湍流大气中哈特曼传感器的模式波前复原误差

分别采用 Zernike和 Karhunen-loeve两种模式波前复原法 ,分析了子孔径斜率测量不受噪声影响的理想情况下 ,哈特曼传感器对大气湍流畸变波前的模式复原误差与大气湍流相干长度、传感器的结构尺寸、模式复原阶数等的关系。结果表明 Karhunen-loeve模式法比 Zernike模式法的波前复原误差更小些。

基于斜入射自准法哈特曼-夏克波前传感器测量数据分析

为了验证哈特曼-夏克波前传感器在光线斜入射到被测物体表面时所测数据的可靠性,本文采用变形镜模拟激光镜面热畸变,使变形镜在不同的驱动电压下产生相应的形变,用哈特曼-夏克波前传感器作为测量仪器,分别以垂直入射法和斜入射法测量了变形镜在各驱动电压下的形变数据。对比两种方法测得的波前像差峰谷值(PV值)数据发现,斜入射法测得的数据小于垂直入射法测得的真实数据,两者之间的相对偏差随形变量的增大而增大,且与入射角密切有关,随着入射角的增大,相对偏差明显增大。若将斜入射法测得的数据除以入射角的余弦对数据进行修正,结果与真实数据吻合很好,波前像差PV值最大相对偏差不到2%。

稀疏表示的夏克-哈特曼波前传感器信号提取

由于背景噪声及探测器噪声的存在,夏克-哈特曼波前传感器质心探测误差较大,本文提出了一种在稀疏域去除背景噪声及探测器噪声的方法。首先采用二维高斯模型生成光斑信号样本图像,构造超完备目标字典,依次对测试图像分块计算其在超完备字典中的表示系数,利用噪声、背景和目标表示系数的不同,通过认为设定阈值来判别该图像块是否为光斑信号。结果表明,本文处理方法能够较好的提取出光斑信号,且与减阈值算法相比,其处理后质心偏差、RMS及PV值都较小。

基于哈特曼传感器的激光波前分布测量技术

激光波前分布作为ISO新列入的衡量激光光束质量的重要参数,对其有效、准确地测量显得十分重要。根据哈特曼波前测量原理,详细介绍了基于哈特曼传感器的激光波前分布测量装置、哈特曼传感器波前斜率测量方法和常用波前重构算法,引入一种定标哈特曼传感器针孔阵列与CCD间距的方法,分析定标实验数据及使用已定标的哈特曼波前分析仪测量波前的实验结果。实验证明定标方法可靠有效。

哈特曼波前传感器的自动孔径搜索与匹配方法

为了使夏克-哈特曼波前传感器(SHWFS)能保证精度的同时又能获得更大的动态范围,介绍了一种用于SHWFS的自动子孔径搜索与匹配算法。该方法在实施时,先根据待测量图像计算背景阈值,然后以减阈值后的图像中心位置的一个光斑为参考光斑的参考中心,按图像的横、纵方向依次搜索其它光斑点,接着将搜索的结果拼接起来得到所有孔径的分布,最后根据两幅图像得到的各自的子孔径分布按横、纵方向平移进行配准,以达到最优的匹配结果。文中利用实验对本论文提出的方法进行了验证。结果表明,本文提出的方法能够实现SHWFS的子孔径搜索与匹配,提高哈特曼的动态范围。

超松弛法哈特曼传感器波前重构仿真分析

哈特曼传感器是一种对环境要求低 ,测量精度高的光束质量测量仪器 ,但传统方法不能对任意形状的光斑进行波前重构 ,即光束质量测量。文中采用超松弛法进行计算机仿真 ,验证了该方法能够适应任意入射形状光斑的波前复原 。

夏克-哈特曼波前传感器光斑自动精确定位

为了在提高夏克-哈特曼波前探测精度的同时扩大波前测量的动态范围,提出一种基于高斯模板匹配选取光斑质心探测窗口的方法。根据传感器的参数确定模板尺寸,利用N维空间正态分布方程生成高斯模板,进行模板与图像匹配,根据模板与匹配子图的相似度确定光斑质心探测窗口。通过对仿真和实际采样阵列光斑图像的实验,验证了该方法的可行性,相对于投影法探测质心的标准差降低65.6%,波前重构误差减小48.5%,能够实现夏克-哈特曼波前传感器光斑的自动精确定位,提高其波前探测精度的同时扩大波前测量的动态范围。

哈特曼传感器测量人眼波像差的特性研究

准确测量人眼波像差,对提高正常眼睛的视力和人眼屈光矫正手术具有重要的实验和临床 价值。对哈特曼传感器测量人眼波像差的精确性和重复性进行了研究,测量人眼离焦的精度为0.2D,波像差的平均偏差为0.065mm。

哈特曼波前传感器质心探测误差分析

基于哈特曼波前传感器的探测原理,分析了哈特曼波前传感器的主要探测误差,并对探测器件信噪比与质心探测误差进行计算,结果表明,提高CCD信噪比和子孔径成像质量有利于提高哈特曼波前传感器的质心探测精度。

基于哈特曼-夏克传感器的渐变焦眼镜测量系统

眼镜的测量是渐进多焦点眼镜设计和加工过程中的一个重要环节,但是已有仪器的稳定性和精确度并不理想。因此设计了一种完整的测量系统,采用哈特曼夏-克传感器采集数据,采用望远系统对透过镜片的光线进行人眼视物的简单模拟,并通过Java编写测量软件,采集传感器接收到的不规则光波,并依据波前重构算法重构波前,与原始规则光波进行比较分析,得到Zernike系数,最终得到所需要的光焦度和散光的值。测量结果的精确度与预期设计基本吻合,达到了设计需求。

用夏克-哈特曼探测器测量人眼波前像差

为了精确测量人眼的高低阶像差,设计并搭建了一套人眼波前像差精确测量光学系统。该系统采用夏克-哈特曼波前探测器进行波前探测,可以在不同瞳孔、不同视场和不同调焦状态下精确测量人眼的波前像差。用ZEMAX软件对系统进行模拟分析,验证了该系统的探测精度,讨论了系统的调焦性能。用该系统实验分析了人眼各阶像差的分布情况、瞳孔大小和调焦状态对人眼波前像差的影响,以及人眼波前像差的时间和空间变化特性(变化频率约3 Hz,等晕角约为1.5°)。结果表明,该系统精度高(PV<1/20λ),操作方便,是人眼波像差的研究和个性化角膜手术的有力工具。

双光楔微扫描哈特曼-夏克波前探测技术

传统哈特曼-夏克传感器主要受微透镜尺寸与微透镜数量的限制,对待测波前采样不足,影响对波前的探测精度。通过对哈特曼-夏克传感器波前重构原理和双光楔微扫描原理进行分析讨论,提出了一种在哈特曼-夏克传感器之前加入双光楔微扫描结构的检测方法,弥补了传统哈特曼-夏克传感器对待测波前采样不足的缺点。利用Zemax和Lighttools软件模拟了加入双光楔微扫描结构哈特曼-夏克传感器的光斑分布情况。微扫描图像重建算法与波前重构算法结合给出原理性验证,对所模拟后大像差光学系统波前复原精度提高了53.53%,该方法可以有效提高哈特曼-夏克传感器对波前探测的精度。

对Zernike模式法重构19单元哈特曼测量波前的研究

通过对19单元哈特曼测量和模式法重构波前的过程进行数值模拟,研究了Zern ike模式法重构波前时耦合和混淆出现的原因、条件、程度和数学算法的表现。确定了在综合考虑最高可识别模式和计算稳定性同计算工具关系的情况下,选择最佳重构阶数的基本原则。同时对19单元哈特曼复原精度进行了评价,得出模式耦合是影响精度的主要因素,得到了模式法波前测量的适用条件,为利用哈特曼进行光束质量诊断提供了依据。

基于H-S波前传感器的正支共焦腔调腔方法的研究

采用H-S波前传感器对于非稳腔进行了实验调腔技术研究,指出了正支共焦腔调腔的原则,以输出光束近场强度和相位分布这一双重依据作为谐振腔是否调好的标准。进行非稳腔调腔时,首先应当保证整个光路共光轴使输出强度分布均匀,但此时光束中可能还包含离焦等高阶像差,因此在腔外用Hartmann-Shack波前传感器进行光束相位测量,得到了35阶像差Zernike系数、波面PV和RMS值,进一步计算得到远场分布和环围能量曲线等。从而可以全面了解输出光束质量,并能有针对性地对光腔进行调整,从而达到较理想的光腔调整共轴状态。

基于H-S波前传感器的正支共焦腔准直技术研究

采用H-S波前传感器对非稳腔进行了实验调腔技术研究,指出了正支共焦腔调腔的原则,以输出光束近场强度和相位分布这一双重依据作为谐振腔是否调好的标准。进行非稳腔调腔时,首先应当保证整个光路共光轴使输出强度分布均匀,但此时光束中可能还包含离焦等高阶像差,因此在腔外用Hartmann-Shack波前传感器进行光束相位测量,得到了35阶像差Zernike系数、波面PV和RMS值,进一步计算得到环围能量曲线等,从而可以全面了解输出光束质量并能有针对性地对光腔进行调整,达到较理想的光腔共轴状态。