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应用于高能激光器的XY离焦像差校正方法

中国光学（中英文） 2024年第2期17卷 366-373页

作者：冯亚飞韦承甫任晓明郭建增王杰中国船舶集团有限公司第七一八研究所河北邯郸056027

针对高能激光器出光过程中出现的大量离焦和0°像散低阶像差现象,提出了基于哈特曼波前传感器和二维整形光路的XY离焦像差校正方法。首先,通过对Zernike多项式的离焦项和0°像散项进行线性组合得到XY离焦像差的表达式,该XY离焦像差系数... 详细信息

针对高能激光器出光过程中出现的大量离焦和0°像散低阶像差现象,提出了基于哈特曼波前传感器和二维整形光路的XY离焦像差校正方法。首先,通过对Zernike多项式的离焦项和0°像散项进行线性组合得到XY离焦像差的表达式,该XY离焦像差系数的大小可直接表征X离焦和Y离焦的波前PV值。同时,通过微调高能激光器中二维整形光路中的镜子间距,可实现激光器输出光束XY离焦波面的补偿。因此,首先利用哈特曼波前传感器提取出光束的XY离焦像差系数大小,而后再根据XY离焦像差系数的大小实时闭环微调二维整形光路中的镜子间距,从而实现XY离焦像差的校正,改善输出光束的光束质量。实验结果表明,该方法可有效地将高能激光器输出光束XY离焦量的PV值由5.2μm和1.1μm校正到0.5μm以下,相应的光束质量β因子由3.1降到1.8,光束质量得到明显改善。

关键词：高能激光光束质量像差校正光束整形矩阵光学

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数字全息显微中相位像差校正技术综述

应用光学 2024年第2期45卷 249-261页

作者：何伟林杨忠明张行愚刘兆军山东大学信息科学与工程学院山东青岛266237

数字全息显微技术是数字全息技术与显微技术的结合,兼备两种技术的优点,为微纳领域的定量三维测量提供了一种无损、无标记、准确和近实时的测量手段。然而,由于元件缺陷和失调以及环境扰动等原因,会在数字全息显微测量结果中额外引入相... 详细信息

数字全息显微技术是数字全息技术与显微技术的结合,兼备两种技术的优点,为微纳领域的定量三维测量提供了一种无损、无标记、准确和近实时的测量手段。然而,由于元件缺陷和失调以及环境扰动等原因,会在数字全息显微测量结果中额外引入相位像差。为了获得准确的定量相位测量结果,必须对像差成因和主要成分进行分析,然后补偿和校正像差。这篇综述介绍了数字全息显微成像测量中主要的像差来源和影响,基于实现的方式对现有的像差校正方法进行了综述,并展望了未来像差校正领域的发展方向,为从事数字全息检测研究的研究者提供参考。

关键词：数字全息干涉测量定量检测相位像差像差校正

分孔径离轴同时偏振超分辨率成像光学系统像差校正

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物理学报 2022年第21期71卷 118-129页

作者：孙昇王超史浩东付强李英超长春理工大学空间光电技术国家与地方联合工程研究中心长春130022 中国科学院长春精密光学机械与物理研究所应用光学国家重点实验室长春130033

针对宽波段同时偏振高分辨率成像需求,提出一种基于反射式自由曲面光学系统和数字微镜器件的分孔径同时偏振超分辨率成像系统,其具有可用于任意光学波段、多个偏振态同时成像、单探测器、高分辨率、易轻量化等优势.给出了这种成像系统... 详细信息

针对宽波段同时偏振高分辨率成像需求,提出一种基于反射式自由曲面光学系统和数字微镜器件的分孔径同时偏振超分辨率成像系统,其具有可用于任意光学波段、多个偏振态同时成像、单探测器、高分辨率、易轻量化等优势.给出了这种成像系统光学结构的像差校正原理及设计优化方法,将Wassermann-Wolf理论进一步发展,推导了可消除多种像差的反射式Wassermann-Wolf微分方程;同时结合赛德尔像差理论,在求解Wassermann-Wolf方程时加入消畸变的边界条件,通过迭代方式,得到同时消除球差、彗差、像散、畸变的光学初始结构.对该初始结构进行离轴处理并进一步优化,编写自定义优化评价函数,严格控制各子孔径和各视场在中间像面和最终像面上主光线落点位置,从而有效地抑制最终系统中的畸变,避免超分辨重建过程中的镜元和像元失配误差,提高重建质量.最终完成了四子孔径自由曲面离轴反射式超分辨成像光学系统的设计,其相对孔径大(F#=2.5),结构紧凑,各个偏振通道成像质量接近衍射极限.以上像差校正原理及像质优化方法可有效指导超宽波段同时偏振超分辨率成像光学系统的设计.

关键词：像差校正离轴光学系统偏振成像超分辨率成像

基于焦面复制方法的自适应光学系统静态像差校正技术

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中国光学 2022年第3期15卷 545-551页

作者：张天宇王钢张熙窦江培中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所南京210042 中国科学院天文光学技术重点实验室(南京天文光学技术研究所) 南京210042 中国科学院大学北京100049

限制自适应光学(Adaptive Optics,AO)系统表现的一个关键因素是由波前传感器所在路径和科学成像路径之间差异引起的非共光路像差(Non-Common Path Aberration,NCPA),同时AO系统共光路部分也会不可避免地引入静态像差。为此,本文提出了... 详细信息

限制自适应光学(Adaptive Optics,AO)系统表现的一个关键因素是由波前传感器所在路径和科学成像路径之间差异引起的非共光路像差(Non-Common Path Aberration,NCPA),同时AO系统共光路部分也会不可避免地引入静态像差。为此,本文提出了一种基于焦面点扩散函数(Point Spread Function,PSF)复制的技术,用于校正AO系统中的静态像差。此技术利用点光源产生的PSF图像作为参考图像,通过迭代优化算法控制可变形镜改变其面型,将参考PSF图像复制到AO系统科学成像路径。实验结果表明,校正后的斯特列尔比(Strehl Ratio,SR)从初始的0.312提高到0.995。此技术可以稳定、快速地获得全局校正结果,特别是在系统具有较大的初始静态像差时。

关键词：自适应光学像差校正高对比度成像

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太阳望远镜低时空频率波前像差校正技术

红外与激光工程 2023年第7期52卷 255-266页

作者：赵思旻顾乃庭黄林海肖亚维张兰强程云涛杜宗政中国科学院光电技术研究所自适应光学重点实验室四川成都610209 中国科学院大学北京100049 中国科学院光电技术研究所光学轻量化与新材料技术中心四川成都610209

针对大口径太阳望远镜系统运行过程中由于静态位置失配误差、风载弯沉等准静态位置失配误差以及热变形等非失配误差引起的波前像差导致成像质量下降的问题,在对太阳望远镜系统波前像差时空分频的基础上,提出采用次镜刚体位移对太阳望远... 详细信息

针对大口径太阳望远镜系统运行过程中由于静态位置失配误差、风载弯沉等准静态位置失配误差以及热变形等非失配误差引起的波前像差导致成像质量下降的问题,在对太阳望远镜系统波前像差时空分频的基础上,提出采用次镜刚体位移对太阳望远镜低时空频率波前像差校正的方法,建立起次镜刚体位移与像差校正量的关系,并通过数值仿真及实验验证了采用次镜刚体位移对上述来源像差的校正能力。数值仿真和实验结果表明:次镜刚体位移能够对望远镜系统运行过程中的低时空频率波前像差进行有效校正,其中,对位置失配误差校正后像差RMS值低于原值的9%,对非失配误差校正后像差RMS值低于原值的40%,对多源混合误差校正后像差RMS值低于原值的15%。

关键词：成像系统像差校正灵敏度矩阵法次镜太阳望远镜

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带像差校正功能的柔性变焦透镜

光学学报 2022年第4期42卷 157-162页

作者：杨叶城张昕韩小帅梁丹马剑强宁波大学机械工程与力学学院浙江宁波315211

为了校正柔性变焦透镜变焦过程中出现的光学像差,提出了一种带校正像差功能的柔性变焦透镜。所提透镜由变焦模块和基于压电致动器的像差校正模块组成。制备了变焦透镜的原理样机并搭建实验光学系统对其进行了测试。测试结果表明,所提透... 详细信息

为了校正柔性变焦透镜变焦过程中出现的光学像差,提出了一种带校正像差功能的柔性变焦透镜。所提透镜由变焦模块和基于压电致动器的像差校正模块组成。制备了变焦透镜的原理样机并搭建实验光学系统对其进行了测试。测试结果表明,所提透镜可实现-1~5 D的屈光力变化;像差校正模块可精确重构3~9项Zernike多项式像差,归一化残余误差小于4%;对不同屈光力下的系统像差进行校正,校正后系统的波前像差下降幅值均在76%以上,系统成像质量明显提升。

关键词：光学设计自适应光学变焦透镜弹性薄膜像差校正

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共形光电防撞系统光学窗口像差校正设计

航空兵器 2022年第1期29卷 90-97页

作者：韩修来聂亮任梦茹西安工业大学光电工程学院西安710021

为满足新一代作战直升机在高速飞行下仍保持精确打击能力,对其光电探测系统及光学窗口采用共形布局设计。根据共形光电防撞系统0.4~0.7μm/1.064μm/3.7~4.8μm多波段的使用要求以及直升机飞行马赫数0.3~0.4的条件下,设计了长径比为1、... 详细信息

为满足新一代作战直升机在高速飞行下仍保持精确打击能力,对其光电探测系统及光学窗口采用共形布局设计。根据共形光电防撞系统0.4~0.7μm/1.064μm/3.7~4.8μm多波段的使用要求以及直升机飞行马赫数0.3~0.4的条件下,设计了长径比为1、口径100 mm、厚度5 mm,材料为MgF_(2)的椭球面作为共形光电防撞系统光学窗口面型。运用Zernike多项式分析不同波段下光学窗口引入像差与扫描视场之间的变化关系,采用将固定校正系统置于光学窗口后的设计方法,对窗口引入的像差进行校正。最终结果表明,经过两次校正后,可见光波段各Zernike像差系数P-V值小于0.6λ,激光波段小于0.4λ,红外波段小于0.1λ,像差校正效果良好,满足设计要求。

关键词：光学设计共形光学椭球形窗口像差校正 Zernike多项式光电探测直升机

基于近红外光谱的人眼像差校正系统中变形镜性能对比研究

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光谱学与光谱分析 2012年第7期32卷 1795-1800页

作者：钮赛赛沈建新梁春张运海李邦明南京航空航天大学机电学院江苏南京210016 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所江苏苏州215163 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所江苏南京210042

对比分析了基于近红外光谱的人眼像差校正系统中两种微机械薄膜变形镜(OKO37单元和BMC140单元)的结构特征和空间特性,着重对变形镜的影响函数进行了主成分研究,建立了变形镜电压控制模型,并通过调整参数d确定变形镜最优控制模式。最后对... 详细信息

对比分析了基于近红外光谱的人眼像差校正系统中两种微机械薄膜变形镜(OKO37单元和BMC140单元)的结构特征和空间特性,着重对变形镜的影响函数进行了主成分研究,建立了变形镜电压控制模型,并通过调整参数d确定变形镜最优控制模式。最后对Zernike单位模式波前像差和Thibos模式人眼波前像差进行拟合仿真实验,结果表明BMC140单元变形镜对Zernike各阶模式的拟合能力均为OKO37单元变形镜的2倍以上。对RMS均值为0.683λ(λ=0.785μm)的Thibos模式人眼像差,BMC变形镜校正后残余像差RMS值为0.063λ,达到了光学系统的衍射极限(λ/14)。而OKO变形镜由于受相邻电极交连值大、电极分布密度小等因素的影响,其校正能力不及BMC变形镜,残余像差RMS值为0.168λ。本方法也可用于其他种类变形镜的性能评估。

关键词：自适应光学人眼波前像差变形镜影响函数像差校正

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用于倾斜和高阶像差校正的音圈变形镜研究

用于倾斜和高阶像差校正的音圈变形镜研究

作者：姜律江南大学

学位级别：硕士

为了获得更高的光束质量和成像分辨率,自适应光学技术在越来越多的光学系统中得到应用。变形镜是自适应光学系统中的重要单元,能够对静态像差和动态像差进行校正。其中,音圈变形镜因为驱动电压低、相位调制量大,在大型地基望远镜中补偿... 详细信息

为了获得更高的光束质量和成像分辨率,自适应光学技术在越来越多的光学系统中得到应用。变形镜是自适应光学系统中的重要单元,能够对静态像差和动态像差进行校正。其中,音圈变形镜因为驱动电压低、相位调制量大,在大型地基望远镜中补偿大气湍流引起的波前畸变。然而,用于天文观测的音圈变形镜因为体积大、成本高,难以在生物显微、可见光通信等领域中推广应用。此外,传统的自适应光学系统中,使用倾斜镜校正倾斜像差,变形镜校正高阶像差,整个系统成本较高,控制过程复杂。为了解决以上问题,本文在系统理论分析的基础上,设计了一种紧凑型音圈变形镜和一种校正全局倾斜的微偏转系统,同时提出了一种可在单镜面上实现倾斜像差和高阶像差校正的音圈变形镜结构。具体研究内容如下:(1)提出了一种紧凑型音圈变形镜,变形镜采用结构简单的微型音圈驱动器,使用ANSYS有限元软件对微型音圈驱动器的结构参数进行了优化,优化后音圈驱动器的电磁力相对于优化前提高了10%,效率提高为原来的2倍。确定镜面材料后,以波前拟合精度为评价指标,找到了69单元变形镜的最佳通光孔径和最优耦合系数区间。热分析结果显示,紧凑型音圈变形镜具有良好的热稳定性,镜面的温升在0.06 A电流下小于0.4℃,热畸变仅为12.36 nm。同时,紧凑型音圈变形镜具有0.65 ms的快速响应时间。对泽尼克像差的拟合结果表明,紧凑型音圈变形镜的波前拟合精度相较于大尺寸音圈变形镜提高了13%,可以满足小型化自适应光学系统的要求。(2)设计了一种校正全局倾斜的微偏转系统,系统采用万向型柔性铰链和簧片型柔性铰链复合传动结构,通过对比偏转台漂移量,确定驱动方式为力偶驱动。驱动器选择效率高的磁阻音圈驱动器,优化了双线圈结构磁阻音圈驱动器的尺寸参数。优化后的电流为0.03 A时驱动器可输出电磁力1.34 N,对应效率为5.72 N/W,满足微偏转系统的应用要求。以偏转幅度和归一化漂移为评价指标,逐一优化了万向型柔性铰链和簧片型柔性铰链的结构参数,优化后的微偏转系统在±1 N的力偶驱动下,偏转幅度达48.05μm(1.848 mrad),归一化漂移仅为0.0127%。结果显示,微偏转系统空载时,第一共振频率为549 Hz,其最大有效负载为25 g。(3)基于泽尼克多项式解耦波前像差的原理,提出了一种全阶像差校正的音圈变形镜结构,变形镜中的微偏转系统负责校正倾斜像差,偏转台上的紧凑型变形镜负责校正高阶像差。探究了微偏转系统对负责高阶像差校正的变形镜的影响,发现磁阻音圈驱动器的磁漏很小,对微型音圈驱动器产生的寄生力最大仅为0.018 m N,该影响可以在控制系统中进行补偿。此外,微偏转系统在最大工作电流下,使镜面温度上升0.59℃,热变形PV值仅为24 nm。使用97单元MEMS变形镜作为紧凑型变形镜原型,评估音圈变形镜的校正能力。结果显示,音圈变形镜可校正PV值高达24.94μm的倾斜像差,校正后的残余波前RMS小于1.5 nm。对于组合像差和随机像差,音圈变形镜的拟合精度均高于传统变形镜,对于像差成分为五阶泽尼克模式之内的随机像差,音圈变形镜相对于传统变形镜的拟合残余波前RMS下降率在9%以上。以上结果表明音圈变形镜能够校正倾斜像差和高阶像差,提高自适应光学系统的补偿效果,降低光路复杂度和系统成本,在眼底成像、机载成像等需要小型化自适应光学设备的系统中具有良好的应用前景。

关键词：自适应光学变形镜音圈驱动器波前像差像差校正