Shack-Hartmann波前传感器检测大口径圆对称非球面反射镜

针对大口径非球面反射镜在研磨阶段后期其面形与理想面形存在较大偏差,且表面粗糙度较大、反射率较低,采用轮廓仪和普通干涉仪检测无法满足测试要求等问题,提出采用动态范围大且精度高的Shack-Hartmann波前传感器来检测大口径非球面反射镜。研究分析了Shack-Hartmann波前传感器检测系统的原理及系统误差并编写了相应的数据处理软件。为了验证该方法的可行性,对已经加工完成的350mm口径旋转对称双曲面面形进行了检测,测量得到的面形误差PV值、RMS值分别为0.388λ、0.043λ(λ=632.8nm);与干涉测量的标准结果进行了对比,得到的面形偏差PV值、RMS值分别为0.014λ和0.001λ。对比结果表明,Shack-Hartmann波前传感器的测量结果正确可靠,从而验证了Shack-Hartmann波前传感器检测大口径非球面反射镜的可行性。

Shack-Hartmann波前传感器图像自适应阈值的选取

Shack-Hartmann(S-H)波前传感器光斑图像阈值的选取对质心探测精度有较大的影响。本文分析了S-H波前传感器光斑图像的特点,研究了光斑图像阈值对质心探测精度的影响,在此基础上提出了一种基于灰度直方图原理的多峰自适应阈值选取方法。实验结果表明,对于信噪比>4的S-H波前传感器光斑图像,本方法能够比较有效地自动选取每帧图像的阈值;但对于信噪比<4的图像,分割效果不是很理想。将使用本阈值算法的S-H波前传感器应用到自适应光学系统中进行闭环校正实验,结果显示,校正后的系统波前误差从10.41λ(PV值,λ=632.8nm)降低到0.12λ,基本达到了衍射极限水平,表明本方法可以满足S-H波前传感器的实用要求。

Shack-Hartmann波前传感器在光学检验中的应用

介绍用于光学检测的Shack-Hartmann(S-H)波前传感器,以及相应的检测实验结果。在实验室内,通过与Zygo干涉仪的测量结果对比,得出传感器的测量精度优于λ/50RMS(λ=632.8nm)。在外场利用星光作为光源,对口径1m、焦距11m的望远镜进行了系统波像差检验,测量结果为0.39λ～0.46λRMS之间,并随着俯仰角的增加而增大,主要像差形式为三阶像散。

Shack-Hartmann波前传感器质心探测的优化方法

为提高Shack-Hartmann(S-H)波前传感器的光斑质心探测精度,在分析质心探测误差来源的基础上,提出基于模板匹配的探测窗口选取方法和基于单个光斑的自适应阈值选取方法,将这两种方法与加权质心算法相结合求取质心,提高了质心探测精度。与固定阈值和传统质心算法相比较,当SNR大于3时,质心探测精度平均提高了约40%。将文中的方法应用于可见光波段的商品S-H波前传感器,实验表明:文中方法得到的质心偏离度由传统方法的0.83pixel的最大值减小至0.15pixel。该工作有重要的应用价值。

基于Shack-Hartmann波前传感器的湍流大气光闪烁测量

根据CCD探测器的输出信号在动态测量范围内与入射光通量成线性的特点,提出了将Shack-Hartmann波前传感器用于湍流大气光闪烁效应测量的方法,并在1 km的水平湍流大气传输路径上开展了光强闪烁的初步测量。结果表明,测量的光强起伏方差随时间的变化基本符合近地面湍流起伏特征,在统计光强起伏过程中采用了将时间和空间序列的数据相融合的方法,大大增加了统计样本数;将传感器与大口径闪烁仪测量的折射率结构常数进行了对比,发现两者在变化趋势上具有较好的一致性,相关系数达到0.84;最后,通过不同子孔径内光强起伏的功率谱分析,进一步证明了Shack-Hartmann传感器用于光闪烁效应测量的可靠性。

实际大气湍流下弱光信标Shack-Hartmann波前传感器的波前斜率探测误差

深入分析了 Shack-Hartmann波前传感器 (S-H WFS)在实际大气湍流条件下弱光信标波前斜率的探测误差 ,导出了定量分析的数学模型。分析结果表明 ,当 S-H WFS用于弱光信标 (光子受限 )湍流波前斜率的探测时 ,除了信标光起伏和探测器噪声外 ,大气强度闪烁、天空背景光等因素会增加探测误差 ,并且随着探测信标与天空背景光的对比度的下降 。

衍射微透镜列阵在Shack-Hartmann波前传感器中的应用

菲涅耳衍射微透镜列阵是目前广泛应用的衍射光学元件之一,它是基于衍射原理,由计算机设计,并通过微细加工技术制作成的.本文介绍了8相位台阶菲涅耳衍射微透镜列阵的制作方法,并描述了一个用16×16微透镜列阵形成的小型 Shack-Hartmann 波前传感实验系统,用该系统可对入射波前进行测量和重建.

扫描式眼波前像差系统的夏克–哈特曼波前传感器质心探测研究

针对扫描式眼波前像差系统难以消除所有视角方向系统噪声的问题,提出了一种在大噪声条件下准确定位光斑阵列的质心并进行波前重建的方法。首先使用中值滤波与数学形态学方法对图像进行全局处理;接着使用改进的最大间类方差方法选取每个子孔径的阈值;然后通过Suzuki轮廓跟踪算法确定需要计算的光斑窗口;最后结合所提出的中值面积法精确定位光斑质心。通过对比发现,传统方法对此类大噪声条件下的真实光斑已无法进行判别,而新提出的方法可以进行正确识别,重建波前的PV值误差小于0.015λ,RMS小于0.001λ,说明该方法的准确度与稳定性明显优于传统方法。

Shack-Hartmann波前传感器非零位在轴检测离轴非球面反射镜

在离轴非球面反射镜研磨后期和粗抛光阶段,被测反射镜面形与理想面形存在着较大的偏差,表面反射率较低,采用干涉测量会因局部区域干涉条纹过密或条纹对比度过低,造成普通干涉仪无法进行全口径测量,而普通接触式轮廓仪测量精度此时已经不能满足加工要求。鉴于Shack-Hartmann波前传感器较大的动态范围和较高的测量精度,提出了采用Shack-Hartmann波前传感器非零位在轴检测离轴非球面面形,研究了该方法的检测原理并搭建了检测系统,分析了系统误差来源,并制作了用于在轴检测离轴非球面的参考波前,对两个不同加工精度的离轴非球面反射镜进行了测量,并与干涉仪的测量结果进行了对比。对比结果表明,Shack-Hartmann波前传感器的测量结果是正确可靠的,并且可以弥补轮廓仪测量和干涉仪测量的不足,从而证明了采用Shack-Hartmann波前传感器在轴检测离轴非球面的可行性和正确性。

Shack-Hartmann波前传感器用于闪烁和相位起伏效应的同时测量

将每一个子孔径及相应的CCD面元作为一个光强探测系统,可以将Shack-Hartmann波前传感器用于湍流大气闪烁效应的测量。分析了该测量方法的基本原理,并结合其波前探测的功能,在近地面水平1 km的湍流大气中,同时进行了闪烁和相位起伏的实验研究。将闪烁测量得到的C2n与大口径闪烁仪测量的结果进行对比,发现两者的相关系数达0.838,验证了Shack-Hartmann波前传感器用于闪烁效应测量的可靠性。对闪烁和相位起伏效应得到的C2n的日变化进行了对比,结果表明,两者在变化趋势上具有较好的一致性;采用双对数坐标对两种结果进行相关性分析,发现两者的相关系数达0.798。这表明将Shack-Hartmann波前传感器用于闪烁和相位起伏效应的同时测量是可行的,拓展了该传感器的使用功能。

一种基于Shack-Hartmann传感器的自适应波前重建算法

波前重建是自适应光学系统中的一个重要环节,对系统性能影响明显。研究了一种无参考输入光条件下,基于Shack-Hartmann波前传感器的自适应波前重建算法,能根据实际光斑图的特点,自动确定探测窗口,计算实际质心、参考质心,选择重建区域和获取入射波前的Zerhike模式系数,讨论了参考质心选择对波前重建结果的影响。搭建自适应光学系统,通过测量和校正模拟大气像差对重建算法进行了验证。实验结果表明,基于该重建算法的自适应光学系统可以把大气扰动引起的波前像差校正到0.1λ以下,获得接近衍射极限的成像质量,说明该重建算法具有可靠性与实用性。

哈特曼波前传感器的应用

夏克—哈特曼（S－H）波前传感器可以用很高的采样频率同时测量出光场的相位分布和强度分布。它不仅作为波前传感器广泛地应用于自适应光学系统之中，而且还用于光学元件和光学系统的检测、激光光束质量诊断和大气扰动测量之中。我们研制了一系列S－H波前传感器。本文总结了这些传感器在不同领域的测量结果。

用Hartmann－Shack传感器测量激光束的波前相位

Ｈａｒｔｍａｎｎ－Ｓｈａｃｋ传感器已经用于自适应光学系统。它可以同时探测出一束光的振幅和相位信息。通过一个位置传感器，比如ＣＣＤ，它就可以成为一种对光学系统和光束的静态和动态质量诊断的有力工具。从Ｈ－Ｓ波前传感器的输出（波前斜率和近场强度分布），就可以推算出远场特点，如ＰＳＦ和ＯＴＦ。本文将介绍波前重构的理论分析和远场特征评估。同时也给出了光束质量的静态和动态的测量结果。

夏克-哈特曼波前传感器的探测误差

夏克—哈特曼（S－H）传感器的探测误差是自适应光学系统的一个主要误差源。本文主要分析了S-H传感器的系统误差和随机误差，其误差源包括：CCD相机的读出噪声和背景电平，探测的像素数以及光子噪声。通过在计算哈特曼传感器子光斑质心时设定一个阈值可以大大提高传感器的探测精度。本文同时列举了实验数据和理论分析结果。

自适应光学系统中变形镜和波前传感器共轭位置要求的分析

通过对几何光学和物理光学模型的数值计算,分析了自适应光学系统中小像差畸变波前在空间自由传播时自身的变化情况,进而给出了系统中对变形镜和波前探测器与被校正瞳面之间共轭位置关系的要求和允许范围。结果表明,波前自由传播时的变化程度决定于像差自身的类型和大小、光束的口径以及传播的距离,大口径小像差波前近距离传播时波前变化误差很小。一般来说,变形镜和波前传感器偏离被校正瞳面共轭位置距离满足菲涅尔数大于1000时,对系统校正效果的影响可以忽略。实际应用中,应该根据校正对象的特征来具体计算波前误差随传播距离的变化,从而设计波前传感器和变形镜的位置,以及选择使用4F光学系统。本文的分析可以为自适应光学系统的整体光路设计提供一定理论参考。

一种Hartmann-Shack波前传感器图像的自适应阈值选取方法

在Hartmann-Shack波前传感器中,图像阈值的选取对质心探测精度有较大的影响。根据 模式识别理论,提出一种适用于Hartmann-Shack波前传感器图像阈值选取的新方法棗基于类别方差的自适应门限方法。实验结果表明,本方法在Hartmann-Shack波前传感器图像信噪比大于3时,能够比较有效地自动选取每帧图像的阈值。

人眼像差探测哈特曼波前传感器的质心优化

为提高自适应光学系统中Hartmann-Shack波前传感器的动态测量范围和测量精度,对由CCD采集的波前光斑图进行了质心探测研究。介绍了波前传感器的工作原理,根据127单元传感器的结构特征和实际人眼光斑图的畸变特点,提出了一种动态定位光斑区域、动态分割区域内部阈值以及锁定最优探测窗口的自适应光斑质心探测方法。讨论了该方法中阈值等级选取对人眼光斑图质心探测的影响,并通过仿真和实验分析了算法的质心探测精度和算法对噪声影响的鲁棒性。实验结果表明,光斑区域内选取阈值等级为总等级数的(50±3)%时最合适;与其他方法相比,自适应质心探测方法的探测误差减小了60%以上;将该探测方法运用至自适应光学视网膜成像系统的波前传感器中,可将人眼像差RMS值从0.728λ闭环校正到0.081λ(λ=785nm),达到衍射极限,并获得视网膜图像。本方法针对光斑特征选择不同实验参数,弥补了传统算法的局限性,基本满足了人眼像差测量的可行性和实用性。

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。

基于衍射光栅曲率波前传感器的实时波前重构研究

自适应光学系统要求波前传感器能实现动态实时测量,曲率波前传感技术符合这一发展要求。一种新型的基于扭曲衍射光栅的曲率波前传感器在探测装置的实现方法方面具有较大优势,其波前重构已应用于光学度量。根据衍射光学理论,对其探测信号进行数值模拟,并利用Neumann边界条件的Green函数法对其波前重构进行数值模拟。结果表明:Green函数法归结为2矩阵相乘,计算速度快,达到实时重构要求;Green函数法对阶数不高的Zernike多项式重构效果较好;影响重构误差的主要因素是光强梯度的边界噪声。

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。