COIL调腔光静态波前的GS方法测量

本文利用ＧＳ方法对ＣＯＩＬ谐振腔调腔光的波前进行了测量，并利用Ｚｅｒｎｉｋ多项式对其进行了像差分析，给出了波前误差的均方根值．

基于GS加权改进算法的相位恢复

阐述了GS算法用于相位恢复的原理,并对算法的应用范围进行了扩展,不再局限于已知光瞳面和焦平面光强的情况。仿真中,选取了光束自由传输的两个垂轴截面,利用光强分布,采用了GS迭代算法对常见的几种波前畸变进行了恢复。针对相位恢复中GS算法收敛速度慢和精度低的问题,提出了迭代过程中,在光束输入端和输出端分别进行加权改进,给出了加权系数取值范围。仿真结果表明,这种改进有利于算法跳出局部极值,在加权值取1.2时,针对象散像差的恢复中,速度和精度提高了2倍左右,对一些其它常见像差的恢复精度也有所提高。

61单元自适应光学系统

本文报道了我们首次利用61单元自适应光学系统与精密跟瞄系统的综合装置，进行了对目标的斜程大气条件下的跟踪及自适应光学校正实验。本文着重从自适应光学的角度出发，介绍了自适应光学系统框图，主要的技术进展及实验结果。

涡旋光束的自适应光学波前校正技术

涡旋光束是一种具有螺旋波前的光束,其特点是其光强分布为环形,携带有与螺旋波前结构相关的轨道角动量。由于涡旋光束的角量子数可取任意整数,同时不同角量子数的光束之间相互正交,因此可提高光通信系统的信道容量。但涡旋光束在自由空间传输时会受到大气湍流的影响,进而产生波前畸变,因此需要采用自适应波前校正技术对畸变后的光束进行校正。文中对现有的涡旋光束波前校正技术进行了概述,重点介绍了笔者课题组提出的应用GS相位恢复算法和高斯光束探针相结合对涡旋光束波前畸变校正的技术及应用SPGD算法和泽尼克多项式对涡旋光束波前畸变校正的研究工作。

基于扩展平均的多步相移算法及误差抑制特性比较

为满足移相干涉测量中纳米甚至亚纳米高准确度检测要求,需采用对误差敏感度更低的相移算法.基于扩展平均技术,在传统4步和3步算法的基础上分别推导了A类和B类5~13步相移算法公式,以5、6、7和13步算法为例,通过仿真及数值计算,比较了两类算法对相移器移相误差及CCD非线性误差的抑制特性.结果表明：同类算法下,步数越多的算法,对这两项误差的抑制效果越好,但达到一定步数后对测量的影响可以忽略;B类算法具有增强的移相误差抑制能力,在相移不准情况下可优先选用B类算法;A类算法对CCD非线性误差几乎完全免疫,而B类算法受一定CCD非线性误差影响,但对大多数高准确度CCD来说,其在常规检测中的影响可以忽略;由相移噪音引入的随机性测量误差的极大值要略大于相移噪音本身,且不同算法对相移噪音的抑制效果差别不大,因此相移噪音对测量的影响不可忽略.文中给出了不同误差影响下各算法引入波面检测误差的比较数据,研究结果可为实际干涉测量中最适相移算法的使用和选用提供理论指导及数据参考.

两种不同算法重现高功率激光束的相位

介绍了两种不同的波前重构算法及基本原理，并给出了实用的重构算法公式。通过用哈特曼小孔阵列板代替传统的哈特曼－沙克传感器的方法，对“星光Ⅱ” １０Ｗ高功率激光器的波前相位进行了测量和重构，并对两种算法重构的相位进行了比较，得到了一致而令人满意的结果。

基于格莱姆-施密特正交化两步相移轮廓术

将格莱姆-施密特正交化法引入投影栅形貌测量,提出了一种新的两步相移轮廓术。首先将2幅随机相移正弦条纹通过DLP投影仪投射到待测物体上,由CCD相机采集受物体形貌调制的变形光栅条纹图,再选择合适大小窗口经像素逐点均值法消除变形栅线图中的背景成分,然后对消背景栅线图进行格莱姆-施密特正交化,得到2幅消背景相移栅线图对应的正交基,由正交基解调出相位数据。最后对面膜样品进行了实际测量,并与其它方法进行了比较分析,实验结果证明了该方法的有效性。

基于偏振光栅的同步移相剪切干涉测量方法

针对在波前测试时,参考镜面自身面形误差、光能利用率不足、环境振动和空气扰动等对干涉测量结果的影响,提出一种基于偏振光栅(PG)分光的同步移相剪切干涉测量方法,通过将横向剪切干涉与同步相移技术相结合实现待测波面的准共光路相移测量。该方法采用1/4波片、PG和平面反射镜的组合作为横向剪切结构,可获得两束剪切的正交线偏振光,线偏振光经二维相位光栅、透镜、小孔光阑和相位延迟阵列构成的同步移相结构后,在CCD上可同时采集到4幅移相剪切干涉图。对x和y方向的剪切干涉图采用基于相位相关的图像配准算法、四步移相算法以及基于离散余弦变换法(DCT)的相位解包裹算法进行处理,得到差分相位分布,再用基于差分Zernike多项式的最小二乘波前重构算法对其进行重构,得到待测波面。通过搭建实验装置对一块透镜和凹面反射镜进行测量,结果表明,该方法的测量结果具有准确性和稳定性,该方法能够很好地应用于波前动态测量,对透射波前和光学元件的面形检测具有重要意义。

基于噪声模型变换的子光斑质心提取方法

受天光背景、大气湍流强度、信标光回光特性和探测器噪声等因素影响,夏克哈特曼波前传感器子孔径光斑常存在强度分布不均匀和低信噪比的情况,故子孔径内光斑质心定位不准且波前探测精度下降。提出了一种基于噪声模型变换的子孔径光斑质心提取方法,采用方差稳定变换(VST)将探测引入的泊松高斯噪声转换为高斯噪声,进一步基于残差反馈优化BM3D策略实现低信噪比子孔径图像的高效去噪。结果显示:所提方法可有效提取低信噪比夏克哈特曼波前传感器光斑阵列图像中的光斑信号数据,提高了子孔径光斑的质心定位精度和稳定性;相比于传统自适应阈值法等方法,所提方法在子光斑图像峰值信噪比低于6时,可以提升波前复原精度2倍以上。

点衍射干涉仪波前参考源标定算法的研究

为了提高双光纤点衍射干涉仪的检测精度,需要对干涉仪装置中两个波前参考源(WRS)的系统误差进行标定。设计了波前参考源的标定过程及标定算法,通过沿被检光学系统光轴四次旋转90°求出波前参考源的沿轴旋转非对称误差,沿倾斜轴四次旋转90°求出波前参考源的沿倾斜轴旋转非对称误差,然后利用两者之差采用最小二乘法求出波前参考源的旋转对称误差,将对称误差和非对称误差相累加求出波前参考源的系统误差。采用计算机模拟了标定算法的整个流程,当波前参考源沿光轴和倾斜轴旋转的旋转公差在±1°范围内时,采用36项泽尼克多项式进行标定的测试误差均方根值小于0.01nm,在标定精度允许的范围内。通过模拟验证了标定算法的正确性并给出波前参考源的旋转公差范围。

基于变形镜面形的多帧相位反演算法研究

为了准确利用远场得到近场相位分布,提出了多帧相位反演算法。这是一种利用多个远场以实现传统Gerchberg-Saxton(G-s)算法的相位反演方法,其中的新远场是通过叠加已知像差到待测像差后产生的。在此算法的基础上,提出以变形镜面形来实现反演的方法,并通过数值仿真和实验验证了这种基于变形镜面形的多帧G-S相位反演方法的可行性。仿真结果同时还表明,采用4个变形镜面形产生相应的远场,平均仅需50次的迭代便可反演出不同D/r0数值的大气像差,这些反演的像差与其对应待测像差之间的差别的均方根值平均小于0.005λ。

点源信标相关哈特曼-夏克波前传感器光斑偏移测量误差分析

在基于哈特曼-夏克波前传感器(SH-WFS)的自适应光学系统中,通常采用质心算法探测点源信标的子孔径光斑偏移量.然而质心算法探测精度受到诸如减阈值等因素的影响,在低信噪比(SNR)时不能准确估计光斑质心位置,而相关哈特曼算法不需要减阈值,具有更好的鲁棒性.本文在介绍相关SH-WFS基本原理的基础上,通过建立基于点源信标探测的相关SH-WFS算法的随机噪声模型,推导了光斑偏移测量误差表达式,系统分析了光子噪声、CCD读出噪声、背景光子噪声等因素对相关SH-WFS测量误差的影响.并进行了数值仿真及实验,仿真计算及实验结果与理论公式非常符合.

提高夏克-哈特曼波前传感器光斑质心的定位精度

提出了一种提高夏克-哈特曼波前传感器光斑质心的定位精度算法,分析了光斑质心的探测误差,采用与光斑尺寸匹配的探测窗口及插值法提高了图像的分辨率,并使用二阶矩算法计算了质心位置。采用该算法对含有噪声的光斑图进行图像处理与计算,并给出了待测件的波前重构示意图。结果表明,相对于传统算法,该算法将质心的探测精度提高了约0.8倍。