多z曲率感測技術的探索研究

《多z曲率感測技術的探索研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由習鋒傑擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：多z曲率感測技術的探索研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：習鋒傑
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

隨著自適應光學的發展，波前感測技術已成為高階自適應光學系統的瓶頸。根據國際自適應光學技術的最新進展和我們已有的理論分析，多z曲率感測器有望實現高解析度的波前探測。我們採用傳遞函式方法對曲率感測技術進行了頻譜分析，建立了曲率感測器的梳狀濾波器模型，提出了多z曲率感測器的概念和設計方法。本項目從理論和實驗兩個方面，分析多z曲率感測技術在設計、研製等方面涉及的問題。首先，建立曲率感測器空間頻譜覆蓋效果的評價函式，採用最佳化算法對傳輸距離的選取進行全局最佳化，提出多z曲率感測器的設計方案；然後，研究多個探測平面上光子能量的最佳化分配，降低曲率信號的測量噪聲；其次，使用液晶空間光調製器實驗研究多個傳輸距離對頻譜覆蓋效果的影響；再次，研製基於正交散焦光柵的多z曲率感測系統，對前述理論研究進行實驗驗證；最後，編寫適用於多z曲率感測器的波前重構算法，為研製高階曲率自適應光學系統奠定基礎。

結題摘要

波前曲率感測器通過探測兩個不同傳輸距離處的光強差獲得波前信息，在天文自適應光學、光學檢測及眼科醫學等領域得到了成功的套用。設計和使用曲率感測器時，需要合理選取傳輸距離以提高感測器測量精度和空間解析度，採用合適的波前重構算法對不同形狀光瞳像差進行準確測量。項目採用頻率分析方法和拉普拉斯本徵函式法進行了相關方面的研究。 在小像差近似條件下，採用頻率分析方法研究了不同傳輸距離對感測器性能的影響。傳輸距離較小時，波前畸變傳輸引起的光強差較小，光強測量噪聲影響了感測器的測量精度；傳輸距離較大時，較高頻率像差引起的光強差和波前曲率不再滿足線性關係，該非線性效應增加了感測器的測量誤差。實際波前包含有多個頻率成份，低頻像差具有較長的線性範圍，更易受光強測量噪聲的影響，應選擇較長的傳輸距離；高頻像差線性範圍較小，受噪聲的影響相對較小，應選擇較短的傳輸距離。綜合考慮非線性效應和光強測量噪聲的影響，給出了傳輸距離的選擇區間。 針對曲率感測器，提出了拉普拉斯運算元本徵函式波前重構算法。該算法無需疊代，不必引入輔助函式，能夠實現任意形狀光瞳的波前重構。給出了圓形、環形、方形和環扇形區域上本徵函式的解析形式，數值模擬實現了不同光瞳形狀上的波前重構。使用光柵型曲率感測器實驗測量了圓形、環形和方形光瞳上的像差板，採用拉普拉斯運算元本徵函式算法實現了波前重構。數值模擬和實驗結果表明本徵函式算法能夠較好地實現不同光瞳形狀上的波前重構。 根據拉普拉斯運算元本徵函式梯度的正交性，將本徵函式波前重構算法拓展到斜率感測器。證明了齊次Neumann邊界條件下拉普拉斯運算元本徵函式梯度的正交性，得到了一組自身正交同時梯度也相互正交的基函式。針對波前斜率感測器，提出了拉普拉斯運算元本徵函式波前重構算法，得到了較好的重構效果。分析了模式法產生模式耦合與混淆的原因，比較了圓域本徵函式和Zernike模式，數值模擬結果表明圓域本徵函式的誤差小於Zernike模式的誤差。 對曲率型自適應光學系統的波前校正算法開展了研究。針對光柵型波前曲率感測器，提出了一種直接利用整體曲率信號進行波前校正的算法，並與常用的分區法的校正效果進行了對比，結果表明兩者校正效果基本相當，而整體法充分發揮了光柵型波前曲率感測器的特點，可以適用於不同電極分布的變形鏡，減少了系統校準的困難。