SciAO-自适应光学建模与仿真概要

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光学通信系统建模与性能仿真

光学通信系统建模与性能仿真随着信息技术的快速发展，光学通信系统作为一种高速、大容量、低延迟的通信方式，得到了广泛的应用。

光学通信系统建模与性能仿真是一种重要的研究方法，通过对光学通信系统各个组成部分的建模和仿真，能够评估系统的性能、优化系统设计。

光学通信系统主要由发射机、传输介质（光纤）、接收机和信号处理部分组成。

在建模与仿真过程中，首先需要对各个组成部分进行详细的建模。

发射机是光学通信系统中的关键组成部分，其目的是将输入的电信号转换为光信号。

在建模过程中，需要考虑激光器的特性、调制器的调制方式以及驱动电路等。

激光器的建模可以采用理论模型或者实验数据进行仿真，调制器可以采用各种调制算法进行仿真。

传输介质主要是光纤，其损耗、色散、非线性等特性对系统的性能有着重要影响。

在建模与仿真过程中，需要考虑光纤的特性以及光纤之间的连接方式。

光纤的传输特性可以通过建立传输线模型来仿真，通过调整各个参数，可以分析系统对于不同传输距离、不同波长的性能表现。

接收机是将光信号转换为电信号的部分，其主要包括光电探测器、前置放大器和解调器等。

在建模与仿真过程中，需要考虑光电探测器的响应特性、前置放大器的增益、解调器的解调算法等。

通过对这些参数的仿真与优化，可以提高系统的灵敏度和吞吐量。

信号处理部分是光学通信系统中的关键环节之一，其目的是提取、恢复和处理接收到的信号。

在建模与仿真过程中，需要考虑信号处理的算法、滤波器的特性以及误码率的优化等。

通过对信号处理算法的仿真与优化，可以提高系统的抗噪声能力和误码率性能。

在光学通信系统建模与性能仿真中，除了对各个组成部分的建模外，还需要考虑系统中的干扰和信道传输的特性。

系统中的干扰可以包括其他光信号、噪声等，通过对干扰源的建模与仿真，可以评估系统对于不同干扰源的抗干扰能力。

信道传输的特性可以通过建立传输通道模型来进行仿真，在考虑信道传输特性的基础上，优化系统设计，提高系统的传输性能。

在完成光学通信系统建模与性能仿真后，需要进行性能评估与优化。

自适应光学系统_数字孪生_概述及解释说明

自适应光学系统数字孪生概述及解释说明1. 引言1.1 概述自适应光学系统是一种基于光学原理和信号处理技术的先进系统，可以实时地根据环境变化和需求调整光学设备的参数，从而对传输信号进行优化。

数字孪生作为一种新兴技术，通过建立虚拟模型与真实系统实时同步，能够提供精确的预测和优化算法，为自适应光学系统的发展提供了新思路。

1.2 文章结构本文将首先介绍自适应光学系统的定义、原理以及其在各个领域中的应用意义。

紧接着，会详细探讨数字孪生的基本概念、原理，并阐述其在自适应光学系统中的应用方式。

接下来，文章将重点分析自适应光学系统与数字孪生之间的关系，并探讨数字孪生在解决光学系统问题上的作用机制。

最后，我们将通过案例分析来展示自适应光学系统与数字孪生相互促进与发展的现实例子。

1.3 目的本文旨在全面介绍和解释自适应光学系统与数字孪生技术，并分析它们之间相互影响和促进的关系。

通过本文的阐述，读者将能够全面了解自适应光学系统和数字孪生技术的基本原理、应用方式以及在实际生活中的意义。

此外，本文还将展望未来自适应光学系统与数字孪生技术发展的趋势，并提供相关研究方向作为未来工作的参考。

2. 自适应光学系统：2.1 定义和原理：自适应光学系统是一种能够根据外界环境变化实时调整其光学参数以优化成像效果的系统。

其基本原理是通过感知、计算和控制等技术手段，对光学系统进行动态调整，以最佳方式适应特定任务或环境。

自适应光学系统利用反馈信号来实时监测和分析传感器接收到的图像信息，并通过计算机算法来确定需要调整的光学元件参数。

在反馈控制下，自适应光学系统能够实时补偿并纠正由于外界干扰所引起的像差、模糊等问题，从而获得更好的成像质量。

2.2 应用领域和意义：自适应光学系统在各种光学设备中都有广泛应用。

其中包括天文望远镜、卫星遥感器、显微镜以及激光通信等领域。

这些领域对高分辨率、高精度图像的要求很高，而自适应光学系统正可以通过实时调整来提供更好的成像效果。

自适应光学概述

自适应光学系统
• 自适应光学（AO）是由大气引起的波面误差由一个可变形的镜面进行实时校正的光学技术，是一个快速增长的多学科领域，包括物理、化学、电子和计算机科学。AO系统用于校正（形成）一束光的波前。历史上，该系统起源于天文学和国防，它可产生高分辨率的天文图像；更清晰的图像产生对比度的额外增益，这对天文学家也有好处，因为这意味着他们可以探测到其他方法无法观察到的暗淡的天体。当天文学家在努力克服大气湍流的模糊效应时，国防承包商们却关心如何保证他们的高功率激光器的光子可正确导向，从而击毁战略目标。最近，由于在AO组件的精密度和简单化方面的改进，研究人员已经利用这些系统在飞秒脉冲整形、显微镜、激光通信、视力矫正以及视网膜成像等领域取得突破。虽然这些领域相差很大，由于不需要的时变效应的存在，这些领域都将从自适应光学系统中受益。通常，AO系统由3部分组成：（1）波前传感器，用于测量波前偏移，（2）可变形镜片，可改变形状以校正高度畸变的波前，及（3）实时控制软件，用波前传感器收集到的信息计算可变形镜片应该采用的合适的形状，以抵消畸变的波前。 •
自适应光学控制系统的有效带宽分析
• 自适应光学技术用在透过大气的目标成像或激光大气传输的光学系统中，实时校正由大气湍流扰动引起的随机波前相位畸变，提高光束质量。由于大气湍流的变化速度较快，要求自适应光学系统有足够高的控制带宽。目前国际上的自适应光学系统普遍采用简单的比例积分（ＰＩ）控制器，并且用闭环带宽作为衡量自适应光学系统对大气湍流校正能力的主要指标。作者认为，有必要研究自适应光学控制系统的带宽特点，分析限制控制系统带宽的因素，并且在不加大硬件复杂性的情况下，研究合理的高带宽控制器。
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自适应光学系统的构成

光学系统仿真及方法

光学系统仿真及方法
光学系统仿真是一种重要的工程工具，它可以帮助工程师们在
设计和优化光学系统时进行快速、准确的评估。

光学系统仿真可以
涉及从简单的透镜设计到复杂的激光系统，可以帮助工程师们分析
光学系统的性能、优化设计参数，并预测系统的行为。

在光学系统仿真中，有许多不同的方法和工具可供选择。

其中
一种常用的方法是基于光学设计软件的建模和仿真。

这些软件可以
提供强大的建模和分析工具，例如Zemax、Code V和LightTools等。

通过这些软件，工程师们可以建立光学系统的准确模型，并进行光
学性能的仿真和优化。

另一种常用的方法是基于数值计算的仿真方法，例如有限元分
析（FEA）和有限差分时间域（FDTD）等。

这些方法可以用于分析光
学系统中的电磁场分布、光学元件的热学效应等问题，对于复杂的
光学系统仿真具有重要的作用。

除了建模和仿真方法外，光学系统仿真还需要考虑实验验证和
数据处理方法。

实验验证可以用于验证仿真结果的准确性，而数据
处理方法可以用于分析仿真结果并进行优化设计。

总的来说，光学系统仿真及方法是一个复杂而多样化的领域，它为工程师们提供了强大的工具和方法来设计和优化光学系统。

随着科学技术的不断发展，光学系统仿真将在未来发挥更加重要的作用。

自适应光学的原理及应用

自适应光学的原理及应用前言自适应光学（Adaptive Optics，简称AO）是一种基于非线性的光学技术，主要用于校正光学系统中由大气湍流引起的像差。

它通过实时监测大气湍流的变化，并根据反馈控制系统对光学器件进行动态调整，从而实现高分辨率成像、激光束整形等应用。

本文将介绍自适应光学的原理及其在天文观测、激光传输、生物医学等领域的应用。

原理自适应光学的原理基于两个关键技术：波前传感器和变形反馈控制系统。

波前传感器波前传感器用于实时测量入射光的波前畸变。

它通过使用一个探测器阵列来捕获像差引起的波前畸变，然后将这些数据传送给反馈控制系统。

常见的波前传感器包括剪切方式波前传感器（Shack-Hartmann）、相位股道（Phase Retrieval）等。

变形反馈控制系统变形反馈控制系统是自适应光学中的关键部分，它通过控制光学器件的形状和位置，实时校正波前畸变。

这一过程可以通过电子控制系统来实现，其中通过接收波前传感器传送的数据，计算出控制信号，进而调整光学器件的形状和位置。

应用自适应光学在许多领域都有着广泛的应用。

以下列举了其中一些重要的应用领域。

天文观测由于大气湍流的存在，地面天文望远镜在进行观测时会受到像差的影响，限制了其分辨率。

自适应光学技术的应用可以实时校正大气湍流引起的像差，提高望远镜的分辨率。

自适应光学天文望远镜已经取得了许多突破性成果，如观测到更加清晰的星系和行星表面。

激光传输在激光传输中，大气湍流会引起激光束的畸变，导致光束发散和功率损失。

自适应光学技术可以通过实时校正激光束的波前畸变，使其尽可能维持为平面波，从而提高激光传输的效率和质量。

这对于激光雷达、激光通信等应用具有重要意义。

生物医学成像在生物医学成像中，自适应光学技术可以实时校正光学成像系统中由组织散射引起的像差，提高成像的分辨率和对比度。

该技术已经成功应用于近红外成像、眼科成像等领域，为医学诊断提供了更清晰的图像。

激光器材加工自适应光学技术还可应用于激光加工中。

自适应光学概述及光学质量评价

第3章自适应光学概述及波面的数值模拟3.1 自适应光学的发展史自适应光学的基本概念是巴布科克（H.W.Babkoc）于1953年首先提出来的。

他提出用波前传感器来探测波前畸变的信息，再用任意变形的光学器件产生可控的光学相移，来补偿波前畸变。

1956年莱顿（B.Leighton）研制了补偿天文望远镜影像运动的一阶主动光学系统。

这个系统带宽为5Hz的由电磁控制的倾斜跟踪系统，补偿像晃动，得到了当时的最佳照片。

60年代初期，微波领域出现了对电磁波进行自适应控制的技术，1964年斯科尔尼克（M.I.Skolnik）和金（D.D.King）提出了“相位共轭”原理。

目前已成为自适应光学实现的基本原理。

对于相位共轭的原理，若存在相位误差的光场可表示为1iE E eφ=其中φ是由于扰动造成的光相位起伏。

自适应光学系统的作用是在系统中产生与入射光场共轭的调制2iE E eφ-=于是，上述两个光场叠加的结果使相位误差得以补偿输出近似平面波光场。

根据光学原理，一束无像差的平面波经理想光学系统后，可以得到达衍射极限分辨率的像。

自适应光学通常只是校正相位的误差，对于远场光斑的振幅没有影响。

在某些振幅误差也较大的场合，校正效果会受到影响，但是对于大多数的应用，仅仅是校正相位误差就已经满足实际的需要了。

1972年，B.Y.Zedovich观察到填充C S的光波导产生布里渊后向散射过程中展现12出一种极为奇特的性能。

如果将这一课引起畸变的原件放在C S盒的前面，畸变12被“消除”了。

这就使非线性光学的相位共轭现象（NOPC），利用它可以自动校正光波的波前畸变。

经过持续研究，前苏联学者们在其他受激非弹性过程，如喇曼散射和瑞利散射中也发现了相位共轭波，在这一领域中做出重要贡献的有亚里夫（Yariv）和赫尔沃契（Hellwarth）等。

这样，就出现了非线性光学式自适应系统。

目前这种系统只适用于发射激光等小范围，而且当前适用的非线性介质时间常数较大，限制了它的应用范围，目前只是停留在理论研究阶段。

自适应光学仪器的设计原理

自适应光学仪器的设计原理自适应光学（Adaptive Optics, AO）是一种先进的技术，用于补偿和校正由于大气湍流或其他因素造成的波前畸变，从而提高光学系统的成像质量。

这项技术广泛应用于天文观测、医学成像、激光通信和激光武器等领域。

本文将介绍自适应光学仪器的设计原理。

1. 光学系统的工作原理光学系统主要由光源、透镜、反射镜、分束器、探测器等组成。

光学系统的工作原理是利用光源发出的光经过透镜、反射镜等光学元件的传输、聚焦、成像，最终被探测器接收并转化为电信号，以便进行图像重建或数据传输。

2. 自适应光学的基本原理自适应光学的基本原理是通过测量和补偿波前畸变，使光学系统输出的图像质量达到最优。

波前畸变是由于光学系统中的各种因素（如大气湍流、光学元件的加工误差、热变形等）导致的。

自适应光学系统通过实时测量波前畸变，然后采用特定的算法对光学系统中的元件进行调整，从而补偿波前畸变，提高成像质量。

3. 自适应光学仪器的设计要素自适应光学仪器的设计主要包括以下几个要素：（1）波前传感器：用于测量波前畸变的装置。

常用的波前传感器有夏克-哈特曼波前传感器、液晶光调制器等。

（2）控制器：根据波前传感器的测量结果，对光学系统中的元件进行调整，以补偿波前畸变。

控制器通常采用数字信号处理器（DSP）或FPGA等硬件实现。

（3）光学元件：用于校正波前畸变的装置。

常用的光学元件有变形镜、反射镜等。

（4）激光器或光源：提供稳定的光源，用于产生待测波前。

（5）图像探测器：用于接收补偿后的图像，评估成像质量。

4. 自适应光学仪器的设计流程自适应光学仪器的设计流程主要包括以下几个步骤：（1）确定光学系统的应用场景和性能指标：如视场角、分辨率、成像质量等。

（2）分析光学系统中的波前畸变来源：如大气湍流、光学元件的加工误差等。

（3）选择合适的波前传感器、控制器和光学元件。

（4）搭建实验系统，进行波前测量和补偿实验。

（5）优化系统参数，提高成像质量。

自适应光学系统的模式法数值模拟3

3得到国家高技术激光技术领域的资助。

收稿日期:1996212216第18卷　第1期光　学　学　报V o l.18,N o .1　1998年1月A CTA O PT I CA S I N I CAJanuary ,1998自适应光学系统的模式法数值模拟3严海星　陈　涉　张德良　李树山(中国科学院力学研究所,北京100080)摘　要　建立了利用模式法(Zern ike 多项式展开法)对自适应光学系统进行数值模拟的理论模型,编制了计算程序,并与激光大气传输计算程序衔接起来,进行了大量数值模拟计算。

首次发现:存在泽尼特(Zern ike )多项式展开的最佳项数,大于一定项数的展开式的效果迅速变坏,竖排和斜排的泽尼特多项式展开有类似的结果,文献中认为可以采用的15项泽尼特多项式展开的效果不好,最佳项数随着横向风速的增加而减小,在风速较大时最佳项数下的模式法结果稍好于直接斜率控制法的结果。

关键词　自适应光学,　数值模拟,　泽尼特多项式展开。

1　引言众所周知,自适应光学(AO )系统可以实时地检测和校正畸变的位相波前,显著地改善光波在湍流大气中传输的效果,从而在天文和激光传输等领域得到广泛的应用[1～4]。

对于自适应光学系统中经常使用的H artm ann 2Shack (H S )波前传感器,实现波前复原适宜采用模式法和直接斜率控制法[5]。

作者专门研究了自适应光学的直接斜率控制法数值模拟[6],本文将只涉及模式法。

虽然在国外文献中提到对自适应光学系统已作了不少理论模拟计算工作[7],但具体的报道很少,且没有详细的算法和结果。

2　理论模型在自适应光学系统的三个组成部分(波前探测,波前复原,波前校正)中,模式法与直接斜率控制法的差别只在于波前复原采用了不同的控制矩阵。

下面只具体推导模式法的控制矩阵,其它内容可以参见文献[6]。

用泽尼特多项式对信标光经过湍流大气后畸变了的位相波前Ω(x ,y )进行展开,得到Ω(x ,y )=a 0+≤nk =1a k Z k (x ,y )(1)式中Z k (x ,y )为第k 阶的泽尼特多项式[8],n 为泽尼特多项式展开的最高项数。

光学测试技术中的自适应光学研究

光学测试技术中的自适应光学研究1.概述自适应光学技术是在光学仪器和设备中广泛应用的一种新型光学测试技术。

它基于光波前调节技术，将一个实时的光学系统和控制系统结合起来，能够根据任意不规则形状的光波前实现光学成像。

自适应光学技术可以用于望远镜、激光测距仪、激光核聚变实验等领域，具有丰富的物理学、光学学、信息学和计算机科学等学科背景。

下面将分别从自适应光学技术的原理、研究方法、应用领域和未来发展等方面进行阐述。

2.自适应光学技术的原理自适应光学技术最根本的原理是：通过光学元件和控制系统，实时调节光波前的相位、形状和幅度，以此减少光线传输过程中的畸变和像差，从而实现对物体高清晰度的成像。

一般来说，自适应光学技术有两个关键步骤：第一步是记录探测位于物体后面的参考光波前，第二步是对探测到的参考光波前进行分析处理，并通过反馈控制系统实时地调节薄膜形状或晶格变化来实现对物体信号的优化。

自适应光学技术最重要的创新之处在于，它可以用反馈控制系统实时调节光学系统的操作参数，以快速响应和应对随机环境的多种变化，从而实现高质量、高稳定性的光学成像。

3. 自适应光学技术的研究方法在自适应光学技术的研究中，主要有两种方法：基于单薄膜自适应光学技术和基于多薄膜自适应光学技术。

第一种方法采用单个反射或透过薄膜，将被测物体与参考光波前合并，对通过的光进行冷却处理，并加入位移测量元件，最后进行图像重建，以获得更加清晰、高分辨率的图像。

第二种方法则是同时采用多个反射和透过薄膜，形成多通道自适应光学系统，利用多薄膜间的反应耦合，进行更加精确、更加准确的光学测试。

多通道自适应光学系统需要精密调谐，利用反馈控制系统同步调整多路光线的波前形状，以最大程度地提高图像分辨率和信噪比。

4. 自适应光学技术的应用领域目前，自适应光学技术已经被广泛应用于不同的领域，如天文观测、医学成像、工业制造、环境监测、军事侦察等多个领域。

举例来说，在天文观测领域，自适应光学技术被应用于望远镜，可根据大气折射率的不断变化，及时补偿大气波前畸变，大幅提升天文观测的清晰度。

自适应光学

然而，即使是在2.2微米的波长，适用于自适应光学的天空覆盖率（相当于在目标天体周围等晕角的范围内找到一颗引导星的概率）只有百分之0.5到1。于是自适应光学适用的对象一般是那些在视场附近存在比如行星或亮星团的天体。
激光引导星
为了克服引导星的限制，最有效的方法是人为制造一颗引导星，这也被称为激光导星（LGS）。大气中间层的钠原子或一些其他位于低层大气的微粒都能够反射脉动的激光从而造成狭小的光斑。前者反射的光集中在90千米的高度（纳共振），后者大概集中在10到20千米（瑞利漫散）。这样一个人造引导星可以离目标星无限地近，波前传感器通过测量反射的激光来纠正来自目标星光束的波前的扭曲。
自适应光学的控制系统是一台专门的计算机，它通过分析由波前传感器采集的数据来对镜面的形状做出修正。分析必须在极短的时间内完成（0.5到1毫秒内），不然大气情况的改变将使系统的改正因延误而产生错误。
等晕角对自适应光学系统的影响很大，当波长为2/265米时等晕角大约为20",但当波长为0.6/265米的时候, 等晕角只有5"左右，这个时候就很难在如此小的范围内找到足够亮的引导星。以上所述的情况在红外波段要比可见波段改善许多：首先大气湍流对长波的影响较小，从而波前的扭曲较小，找一颗比较暗的引导星往往也能满足要求；再加上红外波段的等晕角一般比较大，于是红外波段的自适应光学改正比可见波段要理想许多。
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自适应光学（英语：Adaptive optics,AO）是一项使用可变形镜面矫正因大气抖动造成光波波前发生畸变，从而改进光学系统性能的技术。自适应光学的概念和原理最早是在1953年由海尔天文台的胡瑞斯·拜勃库克（Horace Babcock）提出的，但是超越了当时的技术水平所能达到的极限，只有美国军方在星球大战计划中秘密研发这项技术。冷战结束后，1991年5月，美国军方将自适应光学的研究资料解密，计算机和光学技术也足够发达，自适应光学技术才得以广泛应用。配备自适应光学系统的望远镜能够克服大气抖动对成像带来的影响，将空间分辨率显著提高大约一个数量级，达到或接近其理论上的衍射极限。第一台安装自适应光学系统的大型天文望远镜是欧洲南方天文台在智利建造的3.6米口径的新技术望远镜。越来越多的大型地面光学/红外望远镜都安装了这一系统，比如位于夏威夷莫纳克亚山的8米口径双子望远镜、3.6米口径的加拿大-法国-夏威夷望远镜、10米口径的凯克望远镜、8米口径的日本昴星团望远镜等等。自适应光学已经逐步成为各大天文台所广泛使用的技术，并为下一代更大口径的望远镜的建造开辟了道路。

自适应光学元件和变形反射镜介绍

Introduction to Adaptive Optics and Deformable MirrorsIn optical systems, misalignment of components, qualityimperfections of elements, or aberrations can internallyreduce performance, while heat and atmosphere can externallyreduce performance. Although design considerations and careduring use of an optical system can reduce these problems,they may be too severe to solve with conventional methods.For example, in astrophotography, a field in which it isdifficult to control external forces such as atmosphericdisturbance, active methods are used for correcting performance. The key in both macro astronomy applications and micro optical applications is adaptive optics (AO).UNDERSTANDING WAVEFRONTSAdaptive optics (AO) is a technology used to enhance the quality of an optical system through manipulating the wavefront. This improves the final output, increasing performance compared to a non-corrected system. A wavefront is defined as a line or wave consisting of points that have the same phase. Wavefronts are typically planar (flat) or spherical, and can change with the use of common optical elements. For example, a positive lens focuses collimated light to a point, changing plane waves to spherical waves (Figure 1). For more information on aberrations and how to correct for them, please read Chromatic and Monochromatic Optical Aberrations.Introducing a flat wavefront to a standard optical element modifies the wavefront with a general degree of control. Employing an active means of manipulating a flat wavefront with adaptive optics and deformable mirrors provides precise, measurable control. This precision control, unobtainable by non-adaptive elements, is why an adaptive optics system is employed in a broad range of imaging and non-imaging applications, typically to improve image quality or shape laser beams and reduce noise.Figure 1: Plano-Convex (PCX) Lens Changing Collimated Light (Plane Waves) to Spherical WavesTHE THEORY BEHIND ADAPTIVE OPTICSAdaptive optics(AO) correct a wavefront by comparing a test wave to a perfect, ideal wave, and then modifying the test wave in order to reach the ideal. A simple setup includes a beamsplitter, wavefront sensor, deformable mirror, and embedded control electronics (Figures 4a –4b). A common type of wavefront sensor is the Shack Hartmann Wavefront Sensor, which is made of small identical lenses placed in an array, called a lenslet array. When a perfectly flat wavefront is incident on the sensor, each lenslet focuses exactly in the center of the lens, at a distance equal to the focal length and where the CCD chip is placed (Figure 2a). When a distorted wavefront is incident on the lenslet array, the focus spots are in different locations (Figure 2b). The deviation between the perfect and distorted spot patterns can be analyzed to reconstruct the wavefront incident on the sensor. In Figures 2a – 2b, blue lines and spots represent the ideal model; green lines and spot the distorted wavefront which is observed in real-world applications.Figure 2a: Wavefront Sensor Lenslets Focusing Flat WavefrontsFigure 2b:Wavefront Sensor Lenslets Focusing Distorted Wavefronts (Blue Spots are Ideal, Green are Observed)Figure 3: Deformable Mirror Correcting Distorted WavefrontsOnce the distorted test wavefront is measured, the wavefront sensor communicates to a deformable mirror to correct the wavefront. This is done by matching the deformation in the wavefront to the deformation in the mirror, which creates a flat wavefront (Figure 3). Please note that Figure 3 is an exaggerated view of the surface of a deformable mirror.A complete adaptive optics system is iterative in nature. First, a test wave is measured, either before or after it encounters the deformable mirror (the primary optical element in the system). This is typically done in a closed-loop system, where a portion of the beam is sent to and measured by a wavefront sensor. A closed-loop system offers the feedback necessary to correct for aberrations in real-time, a key factor when designing and optimizing an optical system. Figures 2a, 2b, and 3 illustrate the contribution of each component of an adaptive optics system. Figures 4a –4b illustrate a complete system where incoming light is manipulated by a deformable mirror, and then measured by a wavefront sensor to determine what changes to make in the deformable mirror to further correct the beam. To simplify the illustration, yellow arrows indicate only reflected light; incident light (emanating from the left) is not depicted.Figure 4a: Sample Adaptive Optics System Before Feedback from Wavefront SensorFigure 4b: Sample Adaptive Optics System After Feedback from Wavefront SensorKEY ADAPTIVE OPTICS PARAMETERSSurface quality, actuation technology, number of actuators, and dimensions are key adaptive optics (AO) parameters. Understanding these parameters helps to pick the best combination for the application at hand. Each combination has advantages and disadvantages concerning cost, power consumption, optical load, lag, and repeatability. Membrane electrostatic mirrors, for example, are advantageous because they lack response lag, are low cost, are insensitive to changes in wavelength, and have low power consumption, large dynamic behavior, and relatively high optical load. In addition, they offer high performance in aberration generation. Yet, membrane electrostatic mirrors also have a limited number of maximum strokes (maximum deformation) and have high correlations within the electrodes. Solutions exist to limit the disadvantages, such as placing an actuator on the top of the element to either pull or push the membrane.Most adaptive optics use wavefront sensors, as illustrated in Figures 4a – 4b, but sensorless techniques have developed in order to circumvent complex software and instrumentation. These systems correct deformation by computing mirror deformation with a search algorithm to find the optimum combination to maximize image quality. Table 1 summarizes the importance of four key adaptive optics parameters.APPLICATION EXAMPLESAdaptive optics (AO) are used in many imaging andnon-imaging applications, including 3D imaging, vision,and biomedical applications. 3D imaging uses deformablemirrors to increase depth range, creating truer 3D. Invision applications, adaptive optics are used in roboticvision and surveillance cameras to provide real time orlong-distance imaging.In microscopy, adaptive optics correct for aberrationsin static lenses, decreasing cost when high-quality optical objectives are needed.Biomedical applications, including ophthalmology, use adaptive optics to overcome aberrations in the human eye in order to capture high resolution retinal images, or to increase depth of scanning in optical coherence tomography. A major advancement in the adaptive imaging of the retina occurred with the invention of the scanning laser ophthalmoscope (SLO). When using a SLO, a laser projects a thin point of light on the retina, and the reflected beam is captured by a sensor. A SLO creates high contrast, superior light collection efficiency, and real-time imaging. Adaptive optics further enhances the capabilities of a SLO by correcting off-axis aberrations and increasing the overall resolution.Adaptive optics are also found in several non-imaging applications, including laser materials processing, where they can be used to control laser beam shape and size to increase accuracy. They can also increase the signal-to-noise ratio by reducing ambient noise in high-speed communications applications.Adaptive optics are ideal for correcting wavefront distortions in imaging and non-imaging applications. The key optical components in any adaptive optics system are the deformable mirror and wavefront sensor. When used together in a closed-loop system, these components reduce noise, shape lasers, or form high-quality images in both micro and macro applications. When static optical systems will not work, use adaptive optics.。

自适应光学成像技术的原理与应用

自适应光学成像技术的原理与应用自适应光学成像技术是一种基于光学原理和现代计算机算法的先进成像技术。

它通过实时测量光学系统中的波前畸变，并根据测量结果实时调整光学元件的形状和位置，以实现高质量的成像效果。

本文将从原理和应用两个方面介绍自适应光学成像技术。

一、原理自适应光学成像技术的核心原理是实时测量波前畸变和实时调整光学元件。

波前畸变是光线通过大气、光学元件等介质时产生的光学畸变，导致成像质量下降。

自适应光学成像技术通过使用一种称为自适应光学元件的装置来测量和补偿波前畸变。

自适应光学元件通常由一个或多个变形镜组成。

这些变形镜可以根据波前畸变的测量结果实时调整其形状和位置，以消除波前畸变。

测量波前畸变的方法有很多种，常用的方法包括 Shack-Hartmann 波前传感器和相位差法。

Shack-Hartmann 波前传感器是一种常用的波前畸变测量方法。

它通过将光线分成一组小的光斑，并测量每个光斑的位置偏移来计算波前畸变。

相位差法则是通过比较光线经过光学系统前后的相位差来测量波前畸变。

二、应用自适应光学成像技术在许多领域都有广泛的应用。

其中最常见的应用之一是天文学领域的自适应光学望远镜。

由于大气湍流的存在，地面上的望远镜成像质量往往较差。

自适应光学望远镜通过实时测量大气湍流引起的波前畸变，并通过调整望远镜的镜面形状和位置来补偿畸变，从而获得高分辨率的天文图像。

另一个重要的应用是生物医学成像。

自适应光学成像技术可以提高光学显微镜的成像质量，使得科研人员可以更清晰地观察细胞和组织的微观结构。

它还可以用于眼科手术中，通过实时调整激光手术系统的形状和位置，来纠正眼球的波前畸变，从而提高手术的精确度和安全性。

此外，自适应光学成像技术还在光通信、激光雷达、遥感等领域有广泛应用。

在光通信中，它可以提高光纤传输的质量和距离。

在激光雷达中，它可以提高目标的探测和识别能力。

在遥感中，它可以提高卫星图像的分辨率和准确性。

总结起来，自适应光学成像技术是一种基于光学原理和计算机算法的先进成像技术。

自适应光学视觉科学手册说明书

Adaptive Optics for Vision Science: Principles, Practices, Designand ApplicationsJason Porter, Abdul Awwal, Julianna LinHope Queener, Karen Thorn(Editorial Committee)Updated on June 30, 2003−Introduction1.Introduction (David Williams)University of Rochester1.1 Goals of the AO Manual (This could also be a separate preface written by the editors)* practical guide for investigators who wish to build an AO system* summary of vision science results obtained to date with AO1.2 Brief History of Imaging1.2.1 The evolution of astronomical AOThe first microscopes and telescopes, Horace Babcock , military applications during StarWars, ending with examples of the best AO images obtained to date. Requirements forastronomical AO1.2.2 The evolution of vision science AOVision correction before adaptive optics:first spectacles, first correction of astigmatism, first contact lenses, Scheiner and thefirst wavefront sensor.Retinal imaging before adaptive optics:the invention of the ophthalmoscope, SLO, OCTFirst AO systems: Dreher et al.; Liang, Williams, and Miller.Comparison of Vision AO and Astronomical AO: light budget, temporal resolutionVision correction with AO:customized contact lenses, IOLs, and refractive surgery, LLNL AO Phoropter Retinal Imaging with Adaptive OpticsHighlighted results from Rochester, Houston, Indiana, UCD etc.1.3 Future Potential of AO in Vision Science1.3.1 Post-processing and AO1.3.2 AO and other imaging technologies (e.g. OCT)1.3.3 Vision Correction1.3.4 Retinal Imaging1.3.5 Retinal SurgeryII. Wavefront Sensing2. Aberration Structure of the Human Eye (Pablo Artal)(Murcia Optics Lab; LOUM)2.1 Aberration structure of the human eye2.1.1 Monochromatic aberrations in normal eyes2.1.2 Chromatic aberrations2.1.3 Location of aberrations2.1.4 Dynamics (temporal properties) of aberrations2.1.5 Statistics of aberrations in normal populations (A Fried parameter?)2.1.6 Off-axis aberrations2.1.7 Effects of polarization and scattering3. Wavefront Sensing and Diagnostic Uses (Geunyoung Yoon) University of Rochester3.1 Introduction3.1.1 Why is wavefront sensing technique important for vision science?3.1.2 Importance of measuring higher order aberrations of the eyeCharacterization of optical quality of the eyePrediction of retinal image quality formed by the eye’s opticsBrief summary of potential applications of wavefront sensing technique3.1.3 Chapter overview3.2 Wavefront sensors for the eye3.2.1 History of ophthalmic wavefront sensing techniques3.2.2 Different types of wavefront sensors and principle of each wavefrontsensorSubjective vs objective method (SRR vs S-H, LRT and Tcherning)Measuring light going into vs coming out of the eye (SRR, LRT and Tcherning vs S-H) 3.3 Optimizing Shack-Hartmann wavefront sensor3.3.1 Design parametersWavelength, light source, laser beacon generation, pupil camera, laser safety…3.3.2 OSA standard (coordinates system, sign convention, order of Zernikepolynomials)3.3.3 Number of sampling points (lenslets) vs wavefront reconstructionperformance3.3.4 Tradeoff between dynamic range and measurement sensitivityFocal length of a lenslet array and lenslet spacing3.3.5 PrecompensationTrial lenses, trombone system, bite bar (Badal optometer)3.3.6 Increasing dynamic range without losing measurement sensitivityTranslational plate with subaperturesComputer algorithms (variable centroiding box position)3.3.7 Requirement of dynamic range of S-H wavefront sensor based on a largepopulation of the eye’s aberrations3.4 Calibration of the wavefront sensor3.4.1 reconstruction algorithm - use of simulated spot array pattern3.4.2 measurement performance - use of phase plate or deformable mirror 3.5 Applications of wavefront sensing technique to vision science3.5.1 Laser refractive surgery (conventional and customized ablation)3.5.2 Vision correction using customized optics (contact lenses andintraocular lenses)3.5.3 Autorefraction (image metric to predict subjective vision perception)3.5.4 Objective vision monitoring3.5.5 Adaptive optics (vision testing, high resolution retinal imaging)3.6 SummaryIII. Wavefront Correction with Adaptive Optics 4. Mirror Selection (Nathan Doble and Don Miller)University of Rochester / Indiana University4.1 Introduction4.1.1 Describe the DMs used in current systems.4.1.1.2 Xinetics type – Williams, Miller, Roorda – (PZT and PMN)4.1.1.3 Membrane – Artal, Zhu(Bartsch)4.1.1.4 MEMS – LLNL Phoropter, Doble4.1.1.5 LC-SLM – Davis System.4.2 Statistics of the two populations4.2.1 State of refraction:4.2.1.1 All aberrations present4.2.1.2 Zeroed Defocus4.2.1.3 Same as for 4.2.1.2 but with astigmatism zeroed in addition4.2.2 For various pupil sizes (7.5 - 2 mm) calculate:4.2.2.1 PV Error4.2.2.2 MTF4.2.2.3 Power Spectra4.2.3 Required DM stroke given by 95% of the PV error for the variousrefraction cases and pupil sizes.4.2.4 Plot of the variance with mode order and / or Zernike mode.4.3 Simulation of various Mirror TypesDetermine parameters for all mirrors to achieve 80% Strehl.4.3.1 Continuous Faceplate DMs4.3.1.1 Describe mode of operation.4.3.1.2 Modeled as a simple Gaussian4.3.1.3 Simulations for 7.5mm pupil4.3.1.4 Parameters to vary:Number of actuators.Coupling coefficient.Wavelength.4.3.1.5 All the above with unlimited stroke.4.3.2 Piston Only DMs4.3.2.1 Describe mode of operation.4.3.2.2 Simulations for 7.5mm pupil with either cases4.3.2.3 No phase wrapping i.e. unlimited stroke.Number of actuators.Packing geometryWavelength.Need to repeat the above but with gaps.4.3.2.4 Effect of phase wrappingTwo cases:Phase wrapping occurs at the segment locations.Arbitrary phase wrap.4.3.3 Segmented Piston / tip / tilt DMs4.3.3.1 Describe mode of operation.4.3.3.2 Three influence functions per segment, do the SVD fit on a segment by segmentbasis.4.3.3.3 Simulations for 7.5mm pupil.4.3.3.4 No phase wrapping unlimited stroke and tip/tilt.Number of actuators - squareSame as above except with hexagonal packing.Wavelength.Gaps for both square and hexagonal packing.4.3.3.5 Effect of phase wrappingPhase wrapping occurs at the segment locations.Arbitary phase wrap. Wrap the wavefront and then determine the required number ofsegments. Everything else as listed in part 1).4.3.4 Membrane DMs4.3.4.1 Describe mode of operation. Bimorphs as well.4.3.4.2 Simulations for 7.5mm pupil with either cases.4.3.4.3 Parameters to vary:Number of actuators.Actuator size.Membrane stressWavelength.5. Control Algorithms (Li Chen)University of Rochester5.1 Configuration of lenslets and actuators5.2 Influence function measurement5.3 Control command of wavefront corrector5.3.1 Wavefront control5.3.2 Direct slope control5.3.3 Special control for different wavefront correctors5.4 Transfer function modelization of adaptive optics system5.4.1 Transfer function of adaptive optics components5.4.2 Overall system transfer function5.4.3 Adaptive optics system bandwidth analysis5.5 Temporal modelization with Transfer function5.5.1 Feedback control5.5.2 Proportional integral control5.5.3 Smith compensate control5.6 Temporal controller optimization5.6.1 Open-loop control5.6.2 Closed-loop control5.6.2 Time delay effect on the adaptive optics system5.6.3 Real time considerations5.7 Summary6. Software/User Interface/Operational Requirements (Ben Singer) University of Rochester6.1 Introduction6.2 Hardware setup6.2.1 Imaging6.2.1.1 Hartmann-Shack Spots6.2.1.2 Pupil Monitoring6.2.1.3 Retinal Imaging6.2.2 Triggered devices: Shutters, lasers, LEDs6.2.3 Serial devices: Defocusing slide, custom devices6.2.4 AO Mirror control6.3 Image processing setup6.3.1 Setting regions of interest: search boxes6.3.2 Preparing the image6.3.2.1 Thresholding6.3.2.2 Averaging6.3.2.3 Background subtraction6.3.2.4 Flat-fielding6.3.3 Centroiding6.3.4 Bad data6.4 Wavefront reconstruction and visualization6.4.1 Zernike mode recovery and RMS6.4.1.1 Display of modes and RMS: traces, histograms6.4.1.2 Setting modes of interest6.4.2 Wavefront visualization6.4.2.1 Continuous grayscale image6.4.2.2 Wrapped grayscale image6.4.2.3 Three-D plots6.5 Adaptive optics6.5.1 Visualizing and protecting write-only mirrors6.5.2 Testing, diagnosing, calibrating6.5.3 Individual actuator control6.5.4 Update timing6.5.5 Bad actuators6.6 Lessons learned, future goals6.6.1 Case studies from existing systems at CVS and B&L6.6.1.1 One-shot wavefront sensing vs realtime AO6.6.1.2 Using AO systems in experiments: Step Defocus6.6.2 Engineering trade-offs6.6.2.1 Transparency vs Simplicity6.6.2.2 Extensibility vs Stability6.6.3 How to please everyone6.6.3.1 Subject6.6.3.2 Operator6.6.3.3 Experimenter6.6.3.4 Programmer6.6.4 Software tools6.7 Summary7. AO Assembly, Integration and Troubleshooting (Brian Bauman) Lawrence Livermore7.1 Introduction and Philosophy7.2 Optical alignment7.2.1 General remarks7.2.2 Understanding the penalties for misalignments7.2.3 Having the right knobs: optomechanics7.2.4 Common alignment practices7.2.4.1 Tools7.2.4.2 Off-line alignment of sub-systems7.2.4.3 Aligning optical components7.2.4.4 Sample procedures (taken from the AO phoropter project)7.3 Wavefront sensor checkout7.3.1 Wavefront sensor camera checkout7.3.2 Wavefront sensor checkout7.3.2.1 Proving that centroid measurements are repeatable.7.3.2.2 Proving that the centroid measurements do not depend on where centroids are withrespect to pixels7.3.2.3 Measuring plate scale.7.3.2.4 Proving that a known change in the wavefront produces the correct change incentroids.7.4 Wavefront Reconstruction7.4.1 Testing the reconstruction code: Prove that a known change in thewavefront produces the correct change in reconstructed wavefront.7.5 Aligning the “probe” beam into the eye7.6 Visual stimulus alignment7.7 Flood-illumination alignment7.8 DM-to-WFS Registration7.8.1 Tolerances & penalties for misregistration7.8.2 Proving that the wavefront sensor-to-SLM registration is acceptable.7.9 Generating control matrices7.9.1 System (“push”) matrix7.9.2 Obtaining the control matrix7.9.3 Checking the control matrix7.9.4 Null spaces7.10 Closing the loop7.10.1 Checking the gain parameter7.10.2 Checking the integration parameter7.11 Calibration7.11.1 Obtaining calibrated reference centroids.7.11.2 Proving that reference centroids are good7.11.3 Image-sharpening to improve Strehl performance.7.12 Science procedures7.13 Trouble-shooting algorithms8. System Performance: Testing, Procedures, Calibration and Diagnostics (Bruce Macintosh, Marcos Van Dam)Lawrence Livermore / Keck Telescope8.1 Spatial and Temporal characteristics of correction8.2 Power Spectra calculations8.3 Disturbance rejection curves8.4 Strehl ratio/PSF measurements/calculations8.5 Performance vs. different parameters (beacon brightness, field angle, …)?8.6 Summary Table and Figures of above criteria8.6.1 Results from Xinetics, BMC, IrisAOIV. Retinal Imaging Applications 9. Fundamental Properties of the Retina (Ann Elsner) Schepens Eye Research Institute9.1 Shape of the retina, geometric optics9.1.1 Normal fovea, young vs. old9.1.1.1. foveal pit9.1.1.2. foveal crest9.1.2 Normal optic nerve head9.1.3 Periphery and ora serrata9.2 Two blood supplies, young vs. old9.2.1 Retinal vessels and arcades9.2.2 0 – 4 layers retinal capillaries, foveal avascular zone9.2.3 Choriocapillaris, choroidal vessels, watershed zone 9.3 Layers vs. features, young vs. old, ethnic differences9.3.1 Schlera9.3.2 Choroidal vessels, choroidal melanin9.3.3 Bruch’s membrane9.3.4 RPE, tight junctions, RPE melanin9.3.5 Photoreceptors, outer limiting membrane9.3.5.1 Outer segment9.3.5.2 Inner segment9.3.5.3 Stiles-Crawford effect9.3.5.4 Macular pigment9.3.6 Neural retina9.3.7 Glia, inner limiting membrane, matrix9.3.8 Inner limiting membrane9.3.9 Vitreo-retinal interface, vitreous floaters9.4 Spectra, layers and features9.4.1 Main absorbers in the retina9.4.2 Absorbers vs. layers9.4.3 Features in different wavelengths9.4.4 Changes with aging9.5 Light scattering, layers and features9.5.1 Directly backscattered light9.5.2 Multiply scattered light9.5.3 Geometric changes in specular light return9.5.4 Layers for specular and multiply scattered light9.5.5 Imaging techniques to benefit from light scattering properties 9.6 Polarization9.6.1 Polarization properties of the photoreceptors9.6.2 Polarization properties of the nerve fiber bundles, microtubules9.6.3 Anterior segment and other polarization artifacts9.6.4 Techniques to measure polarization properties9.7 Imaging techniques to produce contrast from specular or multiply scattered light9.7.1 Confocal imaging9.7.2 Polarization to narrow the point spread function9.7.3 Polarization as a means to separate directly backscattered light frommultiply scattered light, demonstration using the scattered light9.7.4 Coherence techniques as a means to separate directly backscattered light from multiply scattered light, with a goal of using the scattered light10. Strategies for High Resolution Retinal Imaging (Austin Roorda, Remy Tumbar, Julian Christou)University of Houston / University of Rochester / University of California, Santa Cruz10.1 Conventional Imaging (Roorda)10.1.1 Basic principlesThis will be a simple optical imaging system10.1.2 Basic system designShow a typical AO flood-illuminated imaging system for the eye10.1.3 Choice of optical componentsDiscuss the type of optical you would use (eg off axis parabolas)10.1.4 Choice of light sourceHow much energy, what bandwidth, flash duration, show typical examples10.1.5 Controlling the field sizeWhere to place a field stop and why10.1.6 Choice of cameraWhat grade of camera is required? Show properties of typical cameras that are currently used10.1.7 Implementation of wavefront sensingWhere do you place the wavefront sensor. Using different wavelengths for wfs.10.2 Scanning Laser Imaging (Roorda)10.2.1 Basic principlesThis will show how a simple scanning imaging system operates10.2.2 Basic system designThis shows the layout of a simple AOSLO10.2.3 Choice of optical componentsWhat type of optical components shoud you use and why (eg mirrors vs lenses). Where doyou want to place the components (eg raster scanning, DM etc) and why.10.2.4 Choice of light sourceHow to implement different wavelengths. How to control retinal light exposure10.2.5 Controlling the field sizeOptical methods to increase field sizeMechanical (scanning mirror) methods to increase field size10.2.6 Controlling light deliveryAcousto-optical control of the light source for various applications10.2.7 Choice of detectorPMT vs APD what are the design considerations10.2.8 Choice of frame grabbing and image acquisition hardwareWhat are the requirements for a frame grabber. What problems can you expect.10.2.9 Implementation of wavefront sensingStrategies for wavefront sensing in an AOSLO10.2.10 Other: pupil tracking, retinal tracking, image warping10.3 OCT systems (Tumbar)10.3.1 Flood illuminated vs. Scanning10.4 Future ideas (Tumbar)10.4.1 DIC (Differential Interference Contrast)10.4.2 Phase Contrast10.4.3 Polarization Techniques10.4.4 Two-photon10.4.5 Fluorescence/Auto-fluorescence10.5 Survey of post-processing/image enhancement strategies (Christou)11. Design Examples11.1 Design of Houston Adaptive Optics Scanning Laser Ophthalmoscope (AOSLO) (Krishna Venkateswaran)11.1.1 Basic optical designEffect of double pass system on psf, imaging in conjugate planes11.1.2 Light delivery opticsFiber optic source and other optics11.1.3 Raster scanningScanning speeds etc.,11.1.4 Physics of confocal imaging11.1.5 Adaptive optics in SLOWavefront sensing, Zernike polynomials, Deformable mirror, correction time scales11.1.6 Detailed optical layout of the AOSLOLens, mirrors, beam splitters with specs11.1.7 Image acquisitionBack end electronics, frame grabber details11.1.8 Software interface for the AOSLOWavefront sensing, Image acquisition11.1.9 Theoretical model of AOSLO:Limits on axial and lateral resolution11.1.10 Image registration11.1.11 Results11.1.12 Discussions on improving performance of AOSLOLight loss in optics, Deformable mirror, Wavefront sensing,11.1.13 Next generation AOSLO type systems11.2 Indiana University AO Coherence Gated System (Don Miller)11.2.1 Resolution advantages of an AO-OCT retina camera11.2.2 AO-OCT basic system design concepts11.2.2.1 Application-specific constraints−Sensitivity to weak tissue reflections−Tolerance to eye motion artifacts−Yoking focal plane to the coherence gate11.2.2.2 Integration of AO and OCT sub-systems−Generic OCT system−Specific OCT architectures−Preferred AO-OCT embodiments11.2.3 Description of the Indiana AO-OCT retina cameraOptical layout of the Indiana AO-OCT retina camera11.2.3.1 Adaptive Optics for correction of ocular aberrationsA. System descriptionB. Results11.2.3.2 1D OCT axial scanning for retina trackingA. System descriptionB. Results11.2.3.3 High speed 2D incoherent flood illumination for focusing and aligningA. System descriptionB. Results11.2.3.4 CCD-based 2D OCT for en face optical sectioning the retinaA. System descriptionB. Results11.2.4 Future developments11.2.4.1 Smart photodiode array11.2.4.2 En face and tomographic scanning11.2.4.3 Reduction of image speckle11.2.4.4 Detector sensitivity11.2.4.5 Faster image acquisition11.3 Rochester Second Generation AO System (Heidi Hofer)V. Vision Correction Applications12. Customized Vision Correction Devices (Ian Cox)Bausch & Lomb12.1 Contact Lenses12.1.1 Rigid or Soft Lenses?12.1.2 Design Considerations – More Than Just Optics12.1.3 Measurement – The Eye, the Lens or the System?12.1.4 Manufacturing Issues – Can The Correct Surfaces Be Made?12.1.5 Who Will Benefit?12.1.6 Summary12.2 Intraocular Lenses12.2.1 Which Aberrations - The Cornea, The Lens or The Eye?12.2.2 Surgical Procedures – Induced Aberrations12.2.3 Design & Manufacturing Considerations12.2.4 Future Developments & Summary13. Customized Refractive Surgery (Scott MacRae)University of Rochester / StrongVision14. Visual Psychophysics (UC Davis Team, headed by Jack Werner) UC Davis14.1 Characterizing visual performance14.1.1 Acuity14.1.2 Contrast sensitivity functions (CSFs)14.1.3 Photopic/scotopic performance (include various ways to defineluminance)14.2 What is psychophysics?14.2.1 Studying the limits of vision14.2.2 Differences between detection, discrimination and identification14.3 Psychophysical methods14.3.1 Psychometric function14.3.2 signal detection theory14.3.3 measuring threshold14.3.4 Criterion-free methods14.3.5 Method of constant stimuli, method of adjustment, adaptive methods(e.g. Quest).14.4 The visual stimulus14.4.1 Issues in selecting a display systemTemporal resolutionSpatial resolutionIntensity (maximum, bit depth)HomogeneitySpectral characteristics14.4.2 Hardware optionsCustom optical systems (LEDs, Maxwellian view)DisplaysCRTsDLPsLCDsPlasmaProjectorsDisplay generationcustom cardsVSGBits++10-bit cardsPelli attenuatorDithering/bit stealing14.4.3 SoftwareOff the shelf software is not usually flexible enough. We recommend doing it yourself. This canbe done using entirely custom software (e.g. C++) or by using software libraries such as VSG(PC) or PsychToolbox (Mac/PC).14.4.4 CalibrationGamma correctionSpatial homogeneityTemporal and spatial resolution14.5 Summary15. Wavefront to Phoropter Refraction (Larry Thibos)Indiana University15.1 Basic terminology15.1.1 Refractive error15.1.2 Refractive correction15.1.3 Lens prescriptions15.2 The goal of subjective refraction15.2.1 Definition of far point15.2.2 Elimination of astigmatism15.2.3 Using depth-of-focus to expand the range of clear vision15.2.4 Placement of far-point at hyperfocal distance15.3 Methods for estimating the monochromatic far-point from an aberration map15.3.1 Estimating center of curvature of an aberrated wavefront15.3.1.1 Least-squares fitting15.3.1.2 Paraxial curvature matching15.3.2 Estimating object distance that optimizes focus15.3.2.1 Metrics based on point objects15.3.2.2 Metrics based on grating objects15.4 Ocular chromatic aberration and the polychromatic far-point15.4.1 Polychromatic center of curvature metrics15.4.2 Polychromatic point image metrics15.4.3 Polychromatic grating image metrics15.5 Experimental evaluation of proposed methods15.5.1 Conditions for subjective refraction15.5.2. Monochromatic predictions15.5.3 Polychromatic predictions16. Design ExamplesDetailed Layouts, Numbers, Noise Analysis, Limitations for Visual Psychophysics: 16.1 LLNL/UR/B&L AO Phoroptor (Scot Olivier)16.2 UC Davis AO Phoropter (Scot Olivier)16.3 Rochester 2nd Generation AO System (Heidi Hofer)V. Appendix/Glossary of Terms (Hope Queener, JosephCarroll)• Laser safety calculations• Other ideas?• Glossary to define frequently used terms。

光学仪器中的自适应光学技术

光学仪器中的自适应光学技术自适应光学技术（Adaptive Optics, AO）是一种应用于光学仪器的先进技术，通过实时测量和校正光学系统中的波前畸变，提高光学成像和激光传输的质量。

自适应光学技术的出现，使得光学仪器在天文学、医学、通信等领域取得了重大突破，极大地拓展了人类对于宇宙和微观世界的认知。

自适应光学技术最早应用于天文学领域，用于改善地面望远镜的成像质量。

地球大气中的湍流会导致光线的波前畸变，使得天文图像模糊不清。

自适应光学技术通过在望远镜的光路中引入一个波前传感器，实时测量大气湍流引起的波前畸变，并通过一个变形镜来实时校正波前畸变，从而实现高分辨率的天文成像。

这项技术的成功应用，使得天文学家们能够更加清晰地观测星系、行星和恒星，发现了许多以前无法察觉的天文现象，为宇宙的研究提供了重要的工具。

除了天文学，自适应光学技术在医学领域也有着广泛的应用。

在眼科手术中，激光近视手术是常见的治疗方法之一。

然而，由于每个人的眼球形状和视觉系统的差异，手术后可能会出现视觉畸变。

自适应光学技术可以通过实时测量和校正患者眼球的波前畸变，为手术提供更准确的参考，提高手术的成功率和效果。

此外，自适应光学技术还可以应用于眼底成像和眼底疾病的诊断，通过校正眼球的波前畸变，获得更清晰的眼底图像，帮助医生更准确地判断疾病的程度和类型。

在通信领域，自适应光学技术也发挥了重要的作用。

光纤通信是现代通信技术的基础，然而，光纤中的非线性效应和色散会导致光信号的衰减和失真。

自适应光学技术可以通过实时测量和校正光纤中的波前畸变，提高光信号的传输质量和距离。

此外，自适应光学技术还可以应用于激光通信中，通过实时校正大气湍流引起的波前畸变，提高激光信号的传输质量和稳定性，实现高速、长距离的激光通信。

自适应光学技术的发展离不开先进的光学元件和算法。

变形镜是实现自适应光学技术的关键元件之一，它可以根据波前传感器测量的波前畸变信息，实时调整镜面形状，以校正波前畸变。

自适应光学

一、前言自适应光学是20世纪50年代以来迅速发展起来的光学新技术，在高分辨率天文观测、高能激光武器、激光通讯，激光核聚变，医学等方面的应用越来越广泛。

自适应光学系统能实时探测由大气扰动、环境温度起伏、光轴抖动等因素造成的波面畸变，并通过光学校正系统实时补偿波面误差，现代地基、天基大型望远镜几乎都采用了自适应光学系统。

近年来，随着自适应光学理论与技术的发展，它已被广泛地应用于军事及民用领域，如用于光学遥感载荷多种误差源的实时校正以提高载荷的成像分辨率；用于激光通信的大气扰动补偿；用于激光可控热核聚变实验，提高靶标上的光功率密度；用于医用光学仪器，实现人眼视网膜的高分辨率成像等。

由于大气的湍流运动，大气温度的随机变化产生大气密度的随机变化，从而导致大气折射率的随机变化，这些变化的累积效应导致大气折射率的明显不均匀性，大气折射率微小变化的作用类似于处在大气中的小“透镜”，它们使传输光束出现聚焦、偏折等现象，从而导致光闪烁和光抖动等效应。

这些“透镜”的大小近似于湍流漩涡的尺度。

大气湍流对光传播的影响，最早反映在天文观测中。

湍流的影响严重地限制了大口径天文望远镜分辨率的提高。

1953年，美国天文学家巴布科克提出用实时测量波面误差并实时加以校正的方法来解决大气湍流等动态干扰的设想，如果这一过程足够快，就可以克服动态误差的影响而使光学系统能够自动适应环境变化，保持理想性能，就是自适应光学((Adaptive OpticsAO)思想的形成，但在当时还没有实现这一设想的现成技术。

本世纪60年代出现了激光，激光的高方向性和高亮度的特点推动人们去进行用强激光作为武器的研究。

与观测系统一样，激光武器系统也面临着大气干扰使能量分散的问题。

用直径4m的发射系统通过大气发射波长1um的强激光到目标上，即使没有其他误差，只有大气湍流的影响，光斑中心的能量密度只有衍射极限的千分之一，动态干扰也成了实现激光武器的一个重大技术障碍。

自适应光学理论及其在无线光通信中的应用

自适应光学理论及其在无线光通信中的应用自适应光学理论（Adaptive Optics，简称AO）是一种在光学系统中应用的技术，通过实时测量和补偿光学系统中的非理想因素，以提高光学图像的质量和传输效率。

在无线光通信中，自适应光学理论具有重要的应用价值。

无线光通信是一种基于光波传输的无线通信技术，它利用可见光或红外光传输数据，具有大带宽、高速率、低干扰等优点。

然而，由于大气湍流、折射和散射等因素的影响，光波在传输过程中会出现扩散、弯曲和畸变等问题，导致光通信的性能不稳定。

自适应光学理论可以应用于无线光通信中，通过实时控制光学系统的参数以改善光波的传输质量。

实际应用中，自适应光学系统由发射器、接收器和控制器组成。

自适应光学系统的发射器主要包括光源、调制器和光子放大器。

光源产生的光波经过调制器调整波长和幅度，并经过光子放大器放大后发射出去。

控制器通过对发射器参数的实时调节，能够适应不同环境条件，提高光信号的传输速率和稳定性。

自适应光学系统的接收器包括望远镜和光电探测器。

望远镜主要负责接收光信号，并通过自适应光学装置对光信号进行实时调整。

光电探测器将接收到的光信号转换为电信号，然后进行解调和解码。

自适应光学系统的控制器是整个系统的关键。

它通过测量光波的传输质量，并根据测量结果对光学系统的参数进行实时调整。

传统的自适应光学系统主要通过控制镜面进行实时补偿，可以校正光波传输中的畸变和波前扩散效应。

现代的自适应光学系统还可以利用计算机控制相位调制器和分束器，以更精确地调整光学系统的传输参数。

自适应光学理论在无线光通信中的应用可以有效改善光波传输的质量和稳定性。

首先，自适应光学系统能够实时调整光学系统的参数，对抗大气湍流引起的波前畸变。

其次，自适应光学系统能够提高光波的聚焦性能，减少光信号的扩散和衰减，提高数据传输的可靠性和速率。

此外，自适应光学系统还能够抑制散射和多径传播等干扰，提高无线光通信系统的抗干扰性能。

自适应光学闭环校正原理

自适应光学闭环校正原理自适应光学闭环校正（Adaptive Optics, AO）是一种利用反馈控制技术，对光学系统中的波前畸变进行实时校正的方法。

它通过感知波前畸变，并利用补偿装置对畸变进行实时调整，从而提高光学系统的成像质量。

自适应光学闭环校正应用广泛，包括天文学领域、大气光学领域、激光通信等。

自适应光学闭环校正的原理是基于贝叶斯定理，将传感器获取的波前畸变信息与先验信息相结合，以最小化成像系统的误差为目标，通过系统反馈，使得畸变波面实时校正，从而提高成像质量。

其基本步骤包括传感、计算、补偿三个环节。

首先是传感环节。

在传感环节中，需要使用传感器对波前畸变进行测量。

常用的传感器包括自适应光学闭环校正系统中的几何光学传感器、剩余波前变形传感器和干涉仪传感器。

这些传感器能够感知波前畸变的相位差和强度分布等信息。

其次是计算环节。

在计算环节中，需要根据传感器获取的波前畸变信息，通过计算得到相应的补偿信号。

这一步需要利用波前重建算法，对波前畸变进行重建和分析，从而得到补偿信号。

常用的方法有单模最小二乘算法（Single Mode Least Squares, SML),灰度共轭算法（Gray Conjugate, GC）和模拟退火算法（Simulated Annealing, SA）等。

最后是补偿环节。

在补偿环节中，根据计算环节得到的补偿信号，通过驱动补偿装置对波前畸变进行实时调整。

常用的补偿装置有变形镜（Deformable Mirror, DM）、光学斜锥（OptiCon）和声光调制器（Acousto-Optic Modulator, AOM）等。

补偿装置根据计算环节得到的补偿信号，调整其形状和位置，以实现波前畸变的校正。

同时，为了保持补偿的连续性和高效性，还需要进行稳定控制，包括提高闭环系统的带宽和增加环境噪声的抑制等。

总的来说，自适应光学闭环校正是一种利用传感器感知波前畸变，通过计算得到补偿信号，并利用补偿装置实时调整畸变波面的方法。