自适应光学波前传感技术分析
自适应光学技术
自适应光学技术（Adaptive Optics Technology）是一种用于校正和补偿光学系统中的波前畸变的技术。
它可以提高光学系统的分辨率和成像质量，并在大气湍流、光学元件缺陷等影响下实现更精确的光学成像和测量。
自适应光学技术主要包括以下几个关键步骤：
波前测量：通过使用传感器或探测器，测量出来自目标物体的光波在经过光学系统之前受到的畸变和扭曲。
这可以通过测量光波的相位或强度分布来实现。
畸变补偿：根据测量到的波前畸变信息，计算出用于补偿畸变的补偿器件或补偿信号。
常用的补偿器件包括电极驱动的变形镜、液晶空间光调制器等。
实时控制：利用计算机或实时控制系统，根据测量到的波前信息和补偿算法，控制补偿器件的形状或调节信号，实现实时的波前畸变补偿。
自适应光学技术主要应用于天文观测、激光通信、光学成像、激光加工等领域。
在天文观测中，自适应光学技术可以有效抵消大气湍流引起的光学畸变，提高望远镜的分辨率和图像清晰度。
在激光通信和激光加工中，它可以实现精确的光束控制和调节，提高通信传输质量和加工精度。
总体而言，自适应光学技术通过实时测量和补偿光学系统中的波前畸变，使光学系统能够适应和校正外部环境的扰动，从而提高光学系统的性能和稳定性。
光学波前参数的分析评价方法研究
光学波前参数的分析评价方法研究光学波前参数对于光学系统的性能分析和评价具有重要的意义。
光学波前参数可以通过波前传感器等仪器获得，例如自适应光学系统中的波前传感器就能够获取到光学波前的相关信息。
在科学研究和工程应用中，对于光学系统的波前参数进行分析和评价，可以帮助我们了解光学系统的性能，并进一步提高光学系统的设计和优化。
1. 波前畸变分析：波前畸变是指光线经过光学系统后，由于光学元件的制造工艺或者系统布局等原因导致的光线偏离理想光学轴或出现相位差。
光学系统的波前畸变分析可以通过测量和分析波前形成的像差来进行评价。
常用的波前畸变分析方法包括用干涉法测定相差、用奇点螺旋法研究原点偏移、用条纹法检测像差等。
2. Zernike多项式展开法：Zernike多项式是描述波前畸变的有效数学工具。
通过将波前形态函数展开为Zernike多项式的线性组合，可以得到各个Zernike系数，从而定量地描述和表征波前畸变的程度。
通过对波前畸变进行Zernike多项式展开，可以得到各阶和各项异性的Zernike系数，进而进行波前畸变的分析和评价。
3. 不完整波前参数分析：光学波前的不完整参数分析主要是指在测量波前时，测量设备的性能限制或者波前采样的局限性导致波前参数的损失。
在不完整参数分析中，我们需要对波前采样过程进行合理选择和优化，以保证测量结果的精确性。
常用的不完整波前参数分析方法包括小视场波前分析、部分波前传感器测量和模态分解法等。
4. 成像质量评价：成像质量是对于光学系统性能的综合评价。
在光学波前参数的分析评价中，成像质量评价是重要的一部分。
成像质量评价一般通过模拟和实验相结合的方法进行。
常用的成像质量评价方法包括MTF（调制传递函数）曲线分析、偏振成像质量评价、分辨率评价和像差评价等。
光学波前参数的分析评价方法包括波前畸变分析、Zernike多项式展开法、不完整波前参数分析和成像质量评价等。
这些方法可以帮助我们全面了解光学系统的性能，并为光学系统的优化提供有价值的参考。
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。
自适应光学系统中的波前控制技术研究
自适应光学系统中的波前控制技术研究第一章绪论自适应光学系统是一种应用于望远镜和激光技术中的现代光学系统。
该系统通过实时监测和校正大气扰动引起的波前畸变，能够提高光学系统的分辨率和成像质量。
而波前控制技术则是自适应光学系统中最重要的技术之一。
本文将对自适应光学系统中的波前控制技术进行研究和探讨。
第二章波前控制基础理论波前控制技术是基于光学波前的概念而发展起来的技术。
光学波前是指一个光波的传播过程中在各个位置的相位状态。
对于光学波前的分析需要用到波前传播理论。
波前传播理论是一种描述波的传播过程的数学模型。
在自适应光学系统中，我们需要对波前畸变进行精确的控制。
因此，我们需要使用适当的波前控制方法来校正波前畸变。
第三章波前控制方法目前广泛使用的波前控制方法包括自适应光学、相位调制和模拟方法。
自适应光学方法是一种利用传感器探测波前，通过变形镜改变光束相位的方法。
相位调制方法是一种在光路中加入一个可变相位的光学元件，来控制波前的传播路径和相位分布。
模拟方法是一种利用计算机模拟波前传播过程的方法，通过计算模拟波前畸变，并预测其传播过程，最终校正波前畸变。
第四章自适应光学系统中的波前控制方法自适应光学系统中的波前控制方法是一种实时控制波前畸变的方法。
该系统采用反馈控制机制，通过实时检测波前畸变，自动调节变形镜来产生逆相位，以抵消光学系统中的波前畸变。
该方法可以大大提高望远镜的分辨率和成像质量。
第五章波前控制技术在激光技术中的应用自适应光学系统中的波前控制技术也广泛应用于激光技术中。
该技术可以消除大气扰动，提高激光束质量，并提高激光功率密度。
激光波前控制技术可以应用于多种领域，包括通信、制造和军事等领域。
第六章结论波前控制技术是自适应光学系统中最重要的技术之一。
该技术可以校正光学系统中的波前畸变，提高望远镜的分辨率和成像质量，同时也可以应用于激光技术中。
未来，随着科学技术的不断发展，波前控制技术将得到更广泛的应用。
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。
自适应光学系统的波前传感与补偿策略研究
自适应光学系统的波前传感与补偿策略研究随着科学技术的不断发展，光学系统在各个领域都得到了广泛应用。
然而，由于环境因素和光学元件的不完美等原因，光波在传输过程中易受到波前畸变的影响，影响了光学系统的成像质量和性能。
为了解决这一问题，自适应光学系统的波前传感与补偿策略应运而生。
自适应光学系统通过实时采集传输光波的波前信息，并通过反馈控制来实现波前畸变的实时补偿，从而提高光学系统的成像质量和性能。
波前传感是自适应光学系统中的核心技术之一，它能够精确地测量波前畸变的情况，为后续的补偿提供准确的参考。
波前传感技术有多种方法，常见的包括自适应光学干涉法和自适应光学斑点法。
自适应光学干涉法通过在传输光路上添加干涉装置，通过波前分析仪测量干涉图案来获取波前信息。
自适应光学斑点法则是利用波前传感器将传输光波转化为光强分布的图像，然后通过图像处理算法计算出波前畸变的程度。
这些方法各有优势和适用范围，研究者可以根据实际需求选择合适的方法。
波前传感的精度对于自适应光学系统的性能至关重要。
为了提高波前传感的精度，研究人员开展了很多有关波前传感算法的研究。
例如，基于相位差分和振幅比较的差分相位测量方法能够减小传感器本身的误差；基于自相关峰的自适应光学系统波前计算方法能够提高波前传感的灵敏度和精度。
这些算法的研究不仅提高了波前传感的精度，也为光学系统的波前补偿提供了可靠的基础。
波前补偿是自适应光学系统的另一项核心技术。
根据波前传感获得的波前畸变信息，波前补偿策略能够实时调整光学系统的元件来消除波前畸变。
传统的波前补偿方法主要包括阵列式变焦镜和散斑成像系统。
阵列式变焦镜通过调整元件中的相位系数来实现自适应波前补偿；散斑成像系统则利用校正镜片将畸变波前转化为所需的平面波前。
这些方法在实现波前补偿时都能够有效地提高光学系统的成像质量和性能。
近年来，随着深度学习技术的发展，基于深度学习的波前补偿方法也被提出并得到了广泛应用。
通过利用大量的波前畸变和补偿对应的数据进行训练，深度学习算法能够自动学习出波前畸变与补偿之间的关系，并实现高精度的波前补偿。
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。
自适应光学波前传感技术分析
径向分量，由下式即可求得被测物镜出射波前斜率的径向分量
特
曼
夏
克
自基准哈特曼波前传感器
理论分析和计算机仿真结果表明，在采样密度足够的情况下，根据已知波 前径向斜率分量的离散采样值也完全可以以足够高的精度重构出原始波面 的形状;如果径向斜率离散采样值包含有一定的随机误差，也仍能重构出精 度与波前径向斜率采样精度相当的波前形状。用泽尼克径向斜率多项式作 最小二乘拟合具体过程如下。对波面上每一点的径向斜率测量数据可分别 写出
sun.Cross-correlation algorithms are used to determine
wavefront tilts, rather than centroids. Increases in the
speed of two- dimensional detector arrays and
一起绕被测物镜的光轴转动。P1 和P2 的主截面彼此平行，并与光轴方向一致。
当P1 沿径向平移时可实现对被测物镜出射光束的离散采样。采样光束通过P1
和P2 后在相对被测物镜固定不动的CCD相机光敏面上生成一个艾利斑。测出
P1 处于光瞳面内不同位置 (, ) 时所对应的艾利斑质心坐标和相对偏移量的 哈
哈 特 曼 夏 克
Hartmann wavefront sensor
The Hartmann wavefront sensor is shown in below
figure .The wavefront is divided by a mask, as in the
classical test, an array of gratings, or an array of
breadboard correlation tracker built by the Solar Physics
自适应光学波前传感技术分析
a field-of-view shifted Shack–Hartmann wavefront sensor
can be used.In solar imaging applications, each
subaperture sees an image of the extended source, the
sun.Cross-correlation algorithms are used to determine
wavefront tilts, rather than centroids. Increases in the
speed of two- dimensional detector arrays and
哈 特 曼 夏 克
Hartmann wavefront sensor
The Hartmann wavefront sensor is shown in below
figure .The wavefront is divided by a mask, as in the
classical test, an array of gratings, or an array of
optical mask, whose transmission is derived from the
image of the reference scene.The Hartmann detector array
records a cross-correlation of the mask and the scene in
remove the effects of extended objects resolved by the
subaperture, an optical correlation can be used.
自适应光学系统中波前传感器噪声的闭环传递特性
第13卷 第6期强激光与粒子束V o l .13,N o .6 2001年11月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E B EAM S N ov .,2001 文章编号:100124322(2001)0620657204自适应光学系统中波前传感器噪声的闭环传递特性①沈 锋, 姜文汉(中国科学院光电技术研究所,四川成都610209) 摘 要: 分析了Shack 2H artm ann 波前传感器(S 2H W FS )在实际大气条件下,大气湍流波前相位的探测误差在自适应光学系统(AO S )中的传递过程以及最后的控制残余方差,导出了定量分析的数学模型,并给出了分析结果。
结果表明,当SH 2W FS 用于微弱信标光大气湍流的探测时,自适应光学系统中的控制斜率残余误差中除了前人分析[1]的误差外还包含一项由天空背景光斑质心位置引起的常数误差值,并且系统的有效控制带宽会因信标探测对比度的下降而减小,这将大大降低AO S 的校正能力。
分析结果还表明信标光越弱,对S 2H W FS 的标定光学系统的像差要求越高。
关键词: 自适应光学;波前传感器;残余方差 中图分类号:TN 247 文献标识码:A Shack 2H artm ann 波前传感器(S 2H W FS )是目前自适应光学系统中作为探测器件的主要方法。
对于校正微光信标的大气湍流影响,S 2H W FS 的性能很大程度上决定了自适应光学系统对大气湍流的校正能力[1]。
在实际大气湍流的波前相位测量时,其探测性能将不仅受限于探测器本身,而且与探测对象即大气湍流的变化特性有关,这一点在自适应光学系统用于实际大气湍流的校正试验时发现,当大气湍流强度比较强时,W FS 的子孔径质心位置探测误差很大以致于AO 系统不能闭环工作[2]。
在以前对探测器的噪声的分析均是静态的,与外部对象无关,如J .S .M o rgan 等人对M AM A 器件的质心测量误差的分析。
波前传播理论在自适应光学成像中的应用
波前传播理论在自适应光学成像中的应用自适应光学成像是一种利用光学系统中的波前传播理论来实现高分辨率成像的技术。
波前传播理论是一种描述光波在传播过程中的变化规律的数学模型。
它可以帮助我们理解光波的传播特性，并且可以用来优化光学系统的设计和性能。
在自适应光学成像中，波前传播理论被广泛应用于抑制像差、提高成像质量和增强分辨率等方面。
首先，波前传播理论可以用来抑制像差。
在光学系统中，由于光波在传播过程中受到介质的折射、散射和吸收等影响，会产生各种各样的像差。
这些像差会导致成像结果模糊不清，影响成像质量。
通过波前传播理论，我们可以对这些像差进行建模和分析，并且可以根据波前传播的规律来设计补偿装置，以抑制像差的产生。
例如，自适应光学系统中常用的变形镜就是一种根据波前传播理论设计的补偿装置，它可以根据波前的相位信息来调节光学系统中的光路，从而实现像差的补偿，提高成像质量。
其次，波前传播理论可以用来提高成像质量。
在传统的成像系统中，由于光波在传播过程中会受到介质的散射和吸收等影响，导致成像结果模糊不清。
通过波前传播理论，我们可以对这些影响进行建模和分析，并且可以根据波前的传播规律来优化光学系统的设计，以提高成像质量。
例如，通过在光路中增加透镜、滤波器等光学元件，可以改变光波的传播特性，从而减小散射和吸收的影响，提高成像的清晰度和对比度。
最后，波前传播理论可以用来增强成像的分辨率。
在传统的成像系统中，由于光波的传播过程中会受到衍射的影响，导致成像结果的分辨率有限。
通过波前传播理论，我们可以对衍射现象进行建模和分析，并且可以根据波前的传播规律来优化光学系统的设计，以增强成像的分辨率。
例如，通过在光路中增加衍射补偿装置，可以根据波前的相位信息来调节光学系统的光路，从而减小衍射的影响，提高成像的分辨率。
总之，波前传播理论在自适应光学成像中的应用具有重要的意义。
它可以帮助我们理解光波的传播特性，并且可以用来优化光学系统的设计和性能。
解析波前传感器
解析波前传感器波前传感器在自适应光学系统中起着至关重要的作用，其通过实时测定动态入射波前的相位畸变，为波前重构及校正提供信息。
与其他传感器不同，由于不同应用场合下光学系统误差源所造成的波前相位扰动的时间和空间带宽范围大，自适应光学系统中的波前传感器必须具有足够高的时间和空间分辨率。
对于用作星体与微弱目标观察的自适应望远镜系统，还由于在一个子孔径和一次采样时间内所能利用的来自目标或人造信标的光能量极其有限（通常在光子计数的水平），因此要求波前传感器必须达到或接近光子噪声受限探测能力。
一般地，波前传感器有五项重要的技术指标：（１）被测面波前与探测面光强之间满足何种数学关系及是否严格满足理论论证的数学关系。
（２）传感器的能量透过率。
（３）波前传感器中探测器的性能参数，如量子效应、信噪比等。
（４）波前传感器数据处理能力及数据传输速度。
（５）传感器适用的参考光源。
不同的传感器适用于不同的参考光源，有的仅适合于单色性好的点光源（如曲率传感器），有的则适合于宽光谱的点光源或扩展光源（如夏克－哈特曼波前传感器）。
直接传感方法即直接探测被测波前的特征量。
根据传感方式可分为区域传感和模式传感两种。
区域传感是将波前在空间划分为若干子区域，探测出各个子区域的整体或平均特征量，继而重构出整个波前分布。
由于光波沿其传播方向的光强变化同光波波前的斜率与曲率相关，故该类方法在数学模型上主要分为两类：一类是通过测量波前斜率获得波前相位信息，典型的有剪切干涉法、夏克－哈特曼波前传感法、金字塔波前传感法以及由这些方法派生出的其他类似方法；另一类是通过测量波前曲率获得波前相位信息，典型的有波前曲率传感法。
而模式传感方法是将整个光瞳面相位分布在模式上分解成若干阶波前，通过探测出各阶模式系数，继而重构出整个波前分布，典型的有整体倾斜传感器、离焦传感器、光学全息波前传感器等。
1. 夏克－哈特曼波前传感器1.1 点目标夏克－哈特曼波前传感器１）基本原理在光学测量中，德国的哈特曼于1900年提出根据几何光学原理测定物镜几何像差或反射镜面形误差的经典哈特曼法，如图１所示。
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。
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。
基于自适应光学系统的波前处理算法研究
ＳＨ传感器和 ３７单元变形镜首次实现了 ＡＯ视网 膜成像［６］。长 春 理 工 大 学 空 间 光 电 技 术 研 究 所 的 姜会林院士和佟首峰教授团队一直以来致力于空间 激光通信方面的研究，目前正与长春光机所合作开 展华为低空大气水平链路 ５Ｇ通信速率的项目，而 波前处理算法的选取对自适应光学系统的工作效率 有着十分重要的影响，为此，笔者对当前算法的发展 情况进行了研究，为后续实验的顺利进行提供可供 分析的条件。 ２ 区域法
在自适应光学系统中，将探测到的每个子孔径 边界上的离散数据收集起来用以恢复波前相位信 息，这种方法称为区域法［７］。而在自适应光学系统 中通常使用 ＳＨ传感器作为波前探测器，ＳＨ波前 传感器只能通过探测到的离散波前斜率来重构波前 相位信息。根据测量点和重构点相对位置的差异， 区域法主要由三种模型构成：Ｈｕｄｇｉｎ模型［８］、Ｆｒｉｅｄ 模型［９］、Ｓｈｏｕｔｈｗｅｌｌ模 型［１０］。 三 种 模 型 的 布 局 方 式 如图 １所示，黑点代表待重构的相位点，箭头起始点 代表离散斜率数据的位置，箭头方向表示对应的计 算方向。
基金项目：国家自然科学基金项目（Ｎｏ９１４３８２０４）资助。 作者简介：罗 琳（１９９５－），女，在读研究生，研究方向为空间激光通信领域。Ｅｍａｉｌ：１５５２０２９１７４＠ｑｑ．ｃｏｍ 收稿日期：２０１９０４１４；修订日期：２０１９０５２１
１２４６
激 光 与 红 外 第 ４９卷
罗 琳，佟首峰，张 雷，姚海峰
（长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 １３００２２）
摘 要：波前处理算法对自适应光学系统的工作效率有着重要的影响，是对波前像差进行复原 和校正的前提，其中，区域法、模式法、直接斜率法作为自适应光学系统经典算法是当前国内外 应用最为广泛的。本文在总结了以上三种算法的基础上，又介绍了两种改进式算法，快速迭代 算法和 Ｚｅｒｎｉｋｅ模式快速算法，并对比分析了各种算法的优点和不足，对未来算法的改进方向 做出展望。 关键词：自适应光学；波前处理算法；改进式算法 中图分类号：ＴＮ９２９１２ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１５０７８．２０１９．１０．０１７
自适应光学技术
自适应光学技术姜文汉中国工程院院士,中国科学院光电技术研究所,成都610209关键词 自适应光学 波前探测 波前控制 波前校正 高分辨力成像 激光核聚变 人眼视网膜 动态光学波前误差是困扰光学界几百年的老问题,自适应光学技术提供了解决这一难题的途径。
自适应光学通过对动态波前误差的实时探测—控制—校正,使光学系统能够自动克服外界扰动,保持系统良好性能。
本文在说明自适应光学技术的基本原理后,介绍由中国科学院光电技术研究所研制的三套自适应光学系统及其使用结果:1.2m 望远镜天体目标自适应光学系统,“神光I”激光核聚变波前校正系统和人眼视网膜高分辨力成像系统。
1自适应光学———自动校正光学波前误差的技术 从1608年利普赛(L ippershey)发明光学望远镜, 1609年伽里略(G alileo)第一次用望远镜观察天体以来已经过去了近400年了,望远镜大大提高了人类观察遥远目标的能力,但是望远镜发明后不久,人们就发现大气湍流的动态干扰对光学观测有影响。
大气湍流的动态扰动会使大口径望远镜所观测到的星像不断抖动而且不断改变成像光斑的形状。
1704年牛顿(I.N ew ton)在他写的《光学》[1]一书中,就已经描述了大气湍流使像斑模糊和抖动的现象,他认为没有什么办法来克服这一现象,他说:“唯一的良方是寻找宁静的大气,云层之上的高山之巅也许能找到这样的大气”。
天文学家们以极大的努力寻找大气特别宁静的观测站址。
但即使在地球上最好的观测站,大气湍流仍然是一个制约观测分辨率的重要因素。
无论多大口径的光学望远镜通过大气进行观察时,因受限于大气湍流,其分辨力并不比0.1～0.2m的望远镜高。
从望远镜发明到20世纪50年代的350来年中,天文学家和光学家像谈论天气一样谈论大气湍流,而且还创造了Seeing这个名词来描述大气湍流造成星像模糊和抖动的现象,但是对Seeing的影响还是无能为力。
图1是有无波前误差时点光源成像光斑的比较。
光学系统波前传感技术的研究与优化
光学系统波前传感技术的研究与优化光学系统波前传感技术是一种新兴的技术，它可以检测并纠正光学系统中的畸变，从而实现高质量的成像。
随着科技的不断进步和人们对高清晰度成像需求的不断增加，光学系统波前传感技术得到了广泛关注和研究。
光学系统波前传感技术的基本原理是，利用波前传感仪器对光波进行测量和分析，通过计算机算法进行运算与纠正畸变，最终实现高质量的成像。
这里的波前是指经过光学系统后的波面，通过波前传感技术可以对其进行采集和处理。
从技术发展的角度来看，光学系统波前传感技术的研究主要可以分为两个方面：波前传感仪器的研制和波前计算算法的优化。
波前传感仪器的研制波前传感仪器是实现光学系统波前传感技术的核心设备，其主要功能是采集光波的信息。
传统的波前传感技术主要使用薄膜式波前传感仪器，但是其精度较低，且适用范围不广，因此需要不断进行研究和改进。
近年来，高分辨率CCD器件的出现和光学系统中单片式光学部件的应用，为波前传感仪器的设计提供了更多的可能性。
比如，常用的闪烁式波前传感仪器可以通过快速反射镜的控制实现对像差的精确探测，并且在探测时不会损失原始数据的信息。
另外，近几年兴起的自适应光学技术也可以被用于波前传感仪器的设计，使其更加的精准和高效。
波前计算算法的优化光学系统波前传感技术的另外一个方向是波前计算算法的优化。
波前计算算法是波前传感技术的核心，其主要作用是对采集到的波前实现精确的计算和纠正畸变，从而实现高质量的成像。
目前，常用的波前计算算法主要有两种：一种是基于Zernike多项式的方法，另一种是基于小波变换的方法。
其中，基于Zernike多项式的方法相对较为简单，因此广泛应用于光学成像、光刻机和激光加工等领域。
而基于小波变换的方法则更具有适应性和可控性，可以实现更加精准的成像效果。
在波前计算算法的优化方面，研究人员主要关注三个方面：算法的速度、计算的精度和自适应性。
其中算法的速度是实现快速成像的关键，而计算的精度则决定了成像效果的好坏。
Wavefront Sensing and Adaptive Optics
Wavefront Sensing and Adaptive Optics自从人类开始观测天空以来，我们一直在努力寻找更好的方法来提高望远镜的性能，以便更清晰地观察宇宙中的奇妙景象。
在这个过程中，波前感知和自适应光学技术成为了一个重要的突破。
波前感知是一种用于测量光波传播中的畸变的技术。
当光波通过大气层时，会受到大气湍流的影响，导致光波的形状发生扭曲。
这种扭曲会降低望远镜的分辨率和图像质量。
波前感知技术通过使用传感器来测量光波的形状变化，并将这些信息传递给自适应光学系统，来纠正光波的畸变。
自适应光学是一种根据波前感知的信息来实时调整望远镜的光学元件的技术。
它使用一种叫做变形镜的设备来纠正光波的畸变。
变形镜是由许多微小的可调节镜片组成的，这些镜片可以根据波前感知的数据来微调其形状，以便纠正光波的畸变。
通过不断地调整变形镜的形状，自适应光学系统可以实时地纠正光波的畸变，从而提高望远镜的分辨率和图像质量。
波前感知和自适应光学技术的应用非常广泛。
它们被广泛应用于天文学领域，以提高望远镜的观测性能。
通过使用波前感知和自适应光学技术，天文学家们能够观测到更细节丰富的天体图像，例如行星表面的细微结构、恒星的变化和星系的形态。
这些观测结果对于理解宇宙的演化和了解宇宙中的各种物理过程非常重要。
除了天文学领域，波前感知和自适应光学技术还被应用于其他领域，如医学成像、激光通信和材料加工等。
在医学成像中，波前感知和自适应光学技术可以提高医学影像的分辨率，从而帮助医生更准确地诊断疾病。
在激光通信中，这些技术可以提高光信号的传输质量和距离。
在材料加工中，波前感知和自适应光学技术可以提高激光加工的精度和效率。
尽管波前感知和自适应光学技术在许多领域都取得了巨大的成功，但它们仍然面临一些挑战和限制。
首先，波前感知需要高精度的传感器来测量光波的形状变化，这对于一些应用来说可能是昂贵的。
其次，自适应光学系统需要高速的计算和控制系统来实时调整变形镜的形状，这对于一些实时性要求很高的应用来说可能是困难的。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
哈 特 曼 夏 克
自基准哈特曼波前传感器
图中五棱镜 P 1 可单独沿被测物镜光瞳的半径方向平移,也可与五棱镜 P 2 一起绕被测物镜的光轴转动。P 1 和P 2 的主截面彼此平行，并与光轴方向一致。 当P 1 沿径向平移时可实现对被测物镜出射光束的离散采样。采样光束通过 P 1 和 P2 后在相对被测物镜固定不动的CCD相机光敏面上生成一个艾利斑。测出 P1 处于光瞳面内不同位置 ( , ) 时所对应的艾利斑质心坐标和相对偏移量的 哈 径向分量，由下式即可求得被测物镜出射波前斜率的径向分量
where x is the 2-D spatial coordinate,δ is the 2-D image displacement, F and F is the forward and inverse Fourier transforms, and * indicates the complex conjugate.This method has been applied in solar telescopes where photons are plentiful, 哈 but the object is large. 特 曼 夏 克
Hartmann wavefront sensor
The Hartmann wavefront sensor is shown in below figure .The wavefront is divided by a mask, as in the classical test, an array of gratings, or an array of transmissive lenses.Each of the beams in the subapertures is focused onto a detector.To detect the position of the spot, various forms of modulation, detector geometry, and electrooptical processing are used. For atmospheric turbulence compensation, the local r0 measured accurately in each wavefront tilt must be subaperture of size .To do this, the subaperture must be large enoughr0 to resolve the isoplanatic patch.During high turbulence, is small and anisoplanatism degrades the process.Hardy discusses details of this large-versussmall subaperture trade for various optical and atmospheric
哈 特 曼 夏 克
自基准哈特曼波前传感器
根据波前径向斜率测量原理,提出一种利用五棱镜扫描方法实 现了新型自基准哈特曼波前传感器，其突出优点和特点是毋需任 何外部信标或标准大平面反射镜提供工作基准。这对主动光学新 技术的空间应用有重要意义。对大型天文望远镜光学系统裝校检 测和大口径高精度抛物面反射镜以及平行光管等的检测也具有重 要的应有价值。 本方法的技术可行性强，容易实现；测量灵敏度与一般干涉 法相当，但对光源的单色性和工作环境并无苛刻要求，因此便于 推广应用。 本方法由于采用了机械扫描采样方式，一次测量需时几分钟， 所以不适用于以校正大气湍流为目的的自适应光学系统。
工 作 成 绩
Hartmann test
One method for testing a lens or mirror employs an opaque mask with holes placed behind the optical element under test.Each of the holes acts as an aperture, and since the light passing through the lens is converging, the image produced is an array of spots.With proper calibration, the position of the spots is a direct indication of the local wavefront tilt at each hole, and thus is a description of the lens quality.This test is called the Hartmann test.
Daytime astronomy
For daytime astronomy with large background radiation, a field-of-view shifted Shack–Hartmann wavefront sensor can be used.In solar imaging applications, each subaperture sees an image of the extended source, the sun.Cross-correlation algorithms are used to determine wavefront tilts, rather than centroids. Increases in the speed of two- dimensional detector arrays and microprocessors have led to developments that utilize these advantages. The first such system to successfully compensate image motion of a ground-based solar telescope was the breadboard correlation tracker built by the Solar Physics Group at Lockheed Palo Alto Research Laboratory for image motion compensation on a space borne solar xtended object
If that source is an extended object, the shape of the object is convolved with the subaperture diffraction pattern on the quadcell.Intensity variation can seriously degrade the measurement accuracy of the centroid.To remove the effects of extended objects resolved by the subaperture, an optical correlation can be used. Von der Luhe suggested the use of an addressable optical mask, whose transmission is derived from the image of the reference scene.The Hartmann detector array records a cross-correlation of the mask and the scene in each subaperture.Even if the object remains unresolved, the problems associated with subaperture higher-order aberrations will distort the pattern on the quadcell and decrease tilt-measurement accuracy.
哈 特 曼 夏 克
Hartmann wavefront sensor
Hartmann wavefront sensing technique. A Hartmann sensor is composed of an array of lenses for wavefront division and typically a CCD array with multiple pixels used for spot position (wavefront tilt) determination.
自适应光学波前传感技术
主要内容
1、哈特曼夏克波前传 感 2、金字塔波前传感 3、曲率波前传感 都是非相干波前测量系统
哈特曼夏克波前传感
Evolution of the Hartmann test – standard devices for measuring wavefront slope errors
哈 特 曼 夏 克
History
Shack placed lenses in the holes, which increased the light-gathering efficiency of the mask and, with the spots focused, reduced the disturbing diffraction effects of the holes. A lens array for this purpose was first manufactured in 1971.Members of the astronomy community began to use this sensor in the late 1970s for testing of large telescope optics.Some astronomers use the term Hartmann–Shack (or Shack–Hartmann) wavefront sensor, but many shorten it to simply Hartmann sensor. 哈 特 曼 夏 克