自适应光学波前传感技术分析
浅谈自适应光学在眼科医疗中的应用
浅谈自适应光学在眼科医疗中的应用摘要：自适应光学所指的是应用波前传感技术对人眼波前相差进行实时测量的方法，具有高效、可靠的特点。
利用自适应光学得到的波前像差数据进行个体化的眼科疾病治疗能够在很大程度上减少屈光系统高阶像差的发生，从而改善眼睛的成像质量与视觉灵敏度，本文就自适应光学在眼科医疗中的应用情况予以综述。
关键词：自适应光学；眼科疾病；临床治疗传统的人眼眼底成像技术难以克服自身像差对于成像结果造成的影响，因此最终也难以获得视网膜高分辨率的图像。
而应用自适应光学矫正能够随时进行像差变化，获得接近人眼的、高分辨率的视觉细胞图像【1】。
自适应光学的应用对于视觉领域和眼科医学领域的发展起到了重要作用，提供前所未有的观测手段。
经过了数十年发展，自适应光学的技术越来越成熟，其应用领域也从天文望远镜逐渐扩展到眼科医学以及民用领域。
本文分析自适应光学系统在眼科医疗中的实际应用，现综述如下。
10、自适应光学系统概述自适应光学系统所指的是以光学波前作为对象的自动控制系统，利用实时测量、控制和矫正技术，使系统具有更好的适应外界条件变化及保持稳定的工作状态的能力。
自适应光学系统的工作建立在波前补偿与相位共轭的基础上，典型的自适应光学系统的组成部分有波前校正器、波前探测器以及波前控制器共同构成。
11、自适应光学在眼科医疗中的应用随着技术的发展，自适应光学逐渐从天文学以及大气光学领域中向其他学科及领域转移，眼科医学以及其他民用医学中都能够看到其身影。
2.1自适应光学视网膜细胞成像系统世界上首套人眼观察自适应光学系统在上个世纪末得以建立，并通过该系统观测到活体人眼视网膜细胞。
这一研究的实践为眼科研究疾病早期变化以及发病机制等提供了崭新的技术手段，共为疾病的早期诊断提供了更多的可能。
但是这套系统的体积非常庞大，如何缩小系统的体积使之应用在临床上是需要探讨的重要问题。
2000年，我国科学院技术人员研究得到了国内第一套人眼视网膜高分辨率观察自适应光学系统【2】，并通过该系统得到高分辨率的眼底微血管图像。
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。
自适应光学系统在激光雷达中的应用研究
自适应光学系统在激光雷达中的应用研究摘要：随着激光雷达技术的快速发展，自适应光学系统在激光雷达中的应用日益受到重视。
本文综述了自适应光学系统的基本原理和激光雷达的基本概念，探讨了自适应光学系统在激光雷达中的主要应用领域，并分析了目前存在的问题和挑战。
最后，对未来自适应光学系统在激光雷达中的发展趋势进行了展望。
一、引言激光雷达是一种重要的远程测距和目标探测技术，已广泛应用于军事、航天、气象和地质领域等。
然而，由于大气湍流、雨雾等因素的影响，激光束在传播过程中会产生衍射、散射和色散等现象，导致激光雷达的精度下降。
自适应光学系统作为一种有效的校正手段，可以在大气湍流等复杂环境中实时优化光学系统参数，提高激光雷达的性能。
二、自适应光学系统的基本原理自适应光学系统利用波前传感器捕获入射光波前信息，并通过控制器调整相应的变形镜，从而实现对光波前的实时校正。
自适应光学系统的主要组成包括主光学装置、波前传感器和控制器。
主光学装置用于收集和聚焦光，波前传感器用于测量入射光波前的相位畸变，控制器则通过调整变形镜的形状来补偿相位畸变，实现光波前的校正。
三、自适应光学系统在激光雷达中的应用领域1. 目标识别和跟踪自适应光学系统可以校正大气湍流引起的光学系统畸变，提高激光雷达对目标的识别和跟踪能力。
它可以通过实时校正光波前的相位和幅度畸变，减少或消除大气层对光传播造成的影响，使激光雷达能够更准确地感知和追踪目标。
2. 光通信自适应光学系统可以实时校正大气湍流引起的相位畸变，提高光通信系统的传输速率和可靠性。
它通过调整入射光波前的相位，使其在传播过程中保持稳定，减少传输损耗和误码率，提高通信质量和可靠性。
3. 靶标照明自适应光学系统可以优化激光雷达的照明效果，提高探测和照射的精度。
它可以根据大气湍流和目标的实时变化，调整激光束的形状和焦距，使光能集中在目标上，提高靶标的亮度和对比度。
4. 星点成像自适应光学系统可以纠正大气湍流引起的像差，提高星点成像的分辨率和清晰度。
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是描述光束的形态和质量的一个重要参数。
在光学系统设计和优化过程中，对光学波前参数进行准确的分析和评价具有重要意义。
本文将简要介绍几种常用的光学波前参数分析评价方法。
1. Zernike多项式分解法Zernike多项式是一种特殊类型的正交归一函数，能够描述各种旋转对称的光学波前畸变。
通过对光学波前进行Zernike多项式分解，可以得到不同Zernike模态的振幅和相位，进而得到光学波前的畸变情况。
这种方法具有较高的分辨率和准确性，能够揭示光学系统中不同元件对波前质量的影响。
2. Shack-Hartmann传感器法Shack-Hartmann传感器是一种常用的光学波前传感器，通过测量波前穿过一组小孔后在像面形成的点阵图案来确定波前形状。
该方法具有快速高效、实时性好等优点，被广泛用于光学系统的调整和优化。
但该方法对于高阶波前畸变和强非线性畸变的适用性较差。
3. 傅里叶变换法对于连续光学波前，可以将其进行傅里叶变换，得到波前的功率谱密度函数。
该函数反映了光学波前不同频率成分的能量分布情况，可用于评价波前的平滑度和细节清晰度等特征。
该方法可以自适应地适应不同频率区间的的光学波前畸变情况，适用性广泛，但需要进行较复杂的计算过程。
4. MTF评价法MTF（modulation transfer function）是一种基于光学成像的性质进行波前评价的方法。
该方法通过测量物体的空间频率响应函数和成像系统的MTF，计算得到成像结果中空间频率响应的衰减情况。
该方法适用于评价成像质量，但对于光学系统的波前分析精度较低。
总之，不同的光学波前参数分析评价方法有各自的优点和适用范围。
在实际应用中，可以根据具体需求选择和结合不同的方法，以达到最佳的分析和评价效果。
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。
光学反馈系统论文：光学反馈系统波前传感技术相位校正技术迭代函数系统
光学反馈系统论文：光学反馈系统波前传感技术相位校正技术迭代函数系统【中文摘要】全光二维负反馈系统是用低精度光学器件实现高精度光学图像处理的重要工具,具有高速、并行的优点,与仿射线性变换结合可以实现真正的二维负反馈图像迭代函数系统(IFS),IFS是研究分形与混沌动力系统的核心与关键技术。
全光二维负反馈系统是光学反馈系统和自适应光学校正系统的结合,其中光学反馈系统构成全光闭环回路,体现全光的超高速信息处理速度;自适应光学校正系统实现光波波面的相位调节,实现真正的二维负反馈。
论文设计了一种全光二维负反馈系统,对实现负反馈的波前传感器和波前校正器进行了外特性仿真,对整个光学系统进行了理论推导和仿真,分析了系统的性能。
主要研究内容如下:1.分析比较了三类光学反馈系统,为了利用光的相位信息实现负反馈,采用相干光反馈系统进行改进,设计了一种全光二维负反馈系统,并推导了系统传递函数;2.分析了几种波前传感技术,选择夏克哈特曼波前传感器作为该系统的波前探测器,并结合市场提供的产品具体参数进行外特性仿真,其中包括Zernike拟合相位波面,质心算法,波前重构的仿真;3.介绍了新型波前校正器件液晶空间光调制器,结合产品具体参数进行外特性仿真,提出一种相位校正算法,并应用于光学4f系统,通过仿真验证相位型校正器可以改善4f系统的成像质量;4.结合自适应光学校正系统和相干光反馈系统,对构成的全光二维负反馈系统进行仿真,分析开环和闭环两种情况下,系统的输出图像质量的变化情况,以及不同输入图像的输出结果。
论文的创新之处是提出了相干光学反馈系统与自适应光学校正系统相结合,实现全光二维负反馈,用以降低系统相干噪声,提高系统精度,为实现高精度光计算奠定基础,论文对波前传感器和相位校正器结合产品参数进行外特性仿真,并将相位校正器应用于4f系统,校正了系统的像差,提高了系统的成像质量。
通过理论分析和仿真,论文对全光二维负反馈系统的关键组成器件以及整个系统的性能进行了预研,为今后全光二维负反馈系统与仿射线性变换相结合实现迭代函数系统奠定了基础。
自适应光学
自适应光学自适应光学是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
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。
相关信息
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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。
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。
Chapter 7 自适应光学
Chapter 7 自适应光学
7.1 自适应光学的基本原理
波前传感 Shack-Hartmann (SH) 波前传感器 如下图所示，波前的局部斜率和光斑质心相对参考光斑质心偏 移量的关系可以表示为
xcj x j ycj y j x, y x, y , ， x ,y x ,y 2 x f 2 y f
剪切干涉仪示意图
Chapter 7 自适应光学
7.1 自适应光学的基本原理
波前传感 剪切干涉仪 假设一束光相对于另一束光的偏移量为s，它们产生的干涉条纹 2 可以表示为 I r exp i r exp i r s
2 2 cos r r s
a ZK
x b ZK y
2
ZK D ZK D ZK
1/3
将上式带入公式(7.1.6)，可得
1/3 ZK 1 H S K T ZK exp D ZK 1 D ZK 2 1/3 ZK 5/3 T ZK exp 3.44 ZK r0 1 D ZK
K H L
2 R
0 0
P r P r ZK drd 2 R
exp i r r ZK
circ r circ r ZK drd exp i r r ZK T ZK
Chapter 7 自适应光学
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。
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是描述光波传播过程中的相位和振幅信息的数学描述。
对光学波前参数的分析评价方法研究，对于光学系统的设计、优化和性能评估具有重要意义。
本文将探讨光学波前参数的分析评价方法研究，介绍常用的评价方法，并分析其优缺点，最终提出一种综合评价方法，以提高光学系统性能的评估精度和准确性。
一、光学波前参数光学波前是描述光波传播过程中的相位和振幅信息的数学描述，它是对光场的空间相干性的一种描述。
在光学系统中，光学波前参数包括波前形貌、波前变形、波前畸变、波前的高阶相位信息等。
这些参数反映了光学系统的性能和质量，对于光学系统的设计、优化和性能评估至关重要。
二、常用的光学波前参数分析方法1. 相位传递函数法相位传递函数法是通过计算光学系统中光波的传输函数来分析波前参数的方法。
通过求解传递函数的特征值和特征向量，可以得到光波的相位信息和波前形貌。
2. 普通Zernike多项式拟合法普通Zernike多项式拟合法是通过匹配光学系统中光波的形貌和波前信息来分析波前参数的方法。
通过对光波进行Zernike多项式拟合，可以得到波前形貌的各阶畸变信息。
3. Shack-Hartmann传感器法Shack-Hartmann传感器法是通过测量光学系统中光波的局部斜率来分析波前参数的方法。
通过对光波的斜率进行积分，可以得到光波的相位信息和波前畸变信息。
三、常用的光学波前参数评价方法1. 均方根误差（RMS）均方根误差是通过计算实际波前与理想波前之间的差异来评价波前参数的方法。
RMS 值越小，表明光学系统的波前参数越接近理想状态。
2. 波前畸变度波前畸变度是通过对波前畸变信息进行统计分析来评价波前参数的方法。
波前畸变度越小，表明光学系统的波前畸变越小，质量越好。
3. 波前相位分布波前相位分布是通过对波前相位信息进行直观展示来评价波前参数的方法。
通过观察波前相位分布，可以直观地了解光学系统的波前形貌和畸变情况。
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。
自适应光学波前校正试验指导书
自适应光学波前校正实验指导书实验任务通过实验学习自适应光学系统的基本原理、构成、型式及应用领域。
掌握哈特曼-夏克波前传感器的工作原理和使用方法，实现对波前相位的测量。
掌握薄膜变形镜的工作原理和控制方法，实现对光学系统初始误差的校正。
实验目的(1) 了解自适应光学系统的基本组成和工作原理。
(2) 掌握哈特曼-夏克波前传感器的工作原理和使用方法。
(3) 掌握变形镜的工作原理和控制方法。
实验要求(1) 运用哈特曼-夏克波前传感器对变形镜各个致动器的影响函数进行测量并记录测量结果。
(2) 运用哈特曼-夏克波前传感器测量光学系统初始误差。
(3) 根据测量的变形镜影响函数和光学系统初始误差计算出变形镜补偿该初始误差所需的电压，然后控制变形镜对误差进行补偿。
实验设备光纤耦合激光光源( 635nm)，37 单元薄膜变形镜，变形镜控制箱，哈特曼- 夏克波前传感器，成像探测器，控制计算机。
准直透镜，分光棱镜，成像透镜，光阑，缩束系统，反射镜等。
实验提示1. 自适应光学系统原理及应用高分辨率成像是人类长期追求的目标，但传统光学技术无法解决动态波前扰动对像质的影响问题。
影响光学系统波前质量的误差源按时间频率可以分为低频和高频两大类。
属低频误差的有：系统内部误差，温度、重力变形及机械变形，加工与装配误差等，这些误差的频带通常低于0.1Hz。
属高频误差的有：外界空气热影响，来自阵风的反射镜变形，跟踪误差，大气湍流及激光经大气时的热晕等，其带宽的范围由1Hz至1000Hz。
如何克服以上动态波前误差的影响是光学工作者不懈研究的课题。
1953 年，天文学家Babcock 提出实时校正光束的动态畸变的概念和工作原理。
其核心是在光学系统中引入一个表面形状可变的光学元件 (波前校正器) 和一个波前误差传感器，用波前传感器测量出不断变化的波前误差， 根据测量结果 由控制系统控制波前校正器对波前误差进行校正。
如果这一过程足够快，就可以 用不断变化的波前校正量来校正不断变化的动态波前误差， 这就是自适应光学的 基本思想。
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。
波前传感器原理
波前传感器原理波前传感器是一种用于测量和探测光线的设备，其原理基于光的干涉和衍射现象。
它利用光的波动性质，能够精确测量出光线的相位、波长和振幅等参数，从而实现对光场的高精度探测。
波前传感器的工作原理可以简单地描述为：当光线通过一个光学系统后，形成的光波前会受到光学系统的影响而发生变化。
波前传感器通过测量这种波前的变化，可以获取到光场的相关信息。
具体来说，波前传感器会利用干涉和衍射效应，将光波前的变化转化为电信号，并通过处理这些信号来获得光场的各种参数。
在波前传感器中，一种常见的测量方法是使用干涉仪。
干涉仪由两个光学路径组成，其中一个路径会引入待测光场的波前，而另一个路径则引入一个参考波前。
当这两个波前相遇时，它们会发生干涉，产生干涉图样。
通过分析干涉图样的变化，可以获得光场的相位信息，进而得到波前的形状和变化情况。
除了干涉仪，波前传感器还可以利用衍射效应来进行测量。
衍射是光线通过物体边缘或孔径时发生的现象，它会导致光的波前发生扩散和变形。
波前传感器可以通过探测这种波前的变化来获得光场的信息。
例如，可以使用一个光学元件来产生一组具有特定相位差的参考光波前，在光场经过时，参考波前会发生变化，而这种变化可以通过测量光的强度分布来得到。
波前传感器的应用非常广泛。
它可以用于光学系统的质量评估和调整，以及光学材料的研究和开发。
此外，波前传感器还可以应用于医学领域，例如眼科医学中的视网膜成像和激光手术等。
通过测量光场的波前信息，波前传感器能够提供更加精确和准确的光学成像和治疗效果。
波前传感器是一种基于光的干涉和衍射现象的设备，可以用于测量和探测光场的各种参数。
它的工作原理基于光的波动性质，通过测量光波前的变化来获取光场的信息。
波前传感器在光学系统的评估和研究中具有重要的应用价值，并在医学领域中有着广泛的应用前景。
通过不断的研究和创新，波前传感器将为光学技术的发展带来更多的可能性。
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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
哈
Group at Lockheed Palo Alto Research Laboratory for
特
image motion compensation on a space borne solar
哈
式中
即为单位圆上 点处第n项Zernike多项式的径向斜率值，
也就是以Zernike多项式形式表示的基元波面的斜率值。
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
工
作
成
哈特曼夏克波前传感
绩
Evolution of the Hartmann test – standard devices for measuring wavefront slope errors
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。
哈
特
曼
夏
克
自基准哈特曼波前传感器
图中五棱镜 P1 可单独沿被测物镜光瞳的半径方向平移,也可与五棱镜 P2
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 electro-
曼
multiple pixels used for spot position (wavefront tilt)
夏
determination.
克
Extended object
If that source is an extended object, the shape of the
object is convolved with the subaperture diffraction
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
be large enoughr0 to resolve the isoplanatic patch.During 哈
high turbulence, is small and anisoplanatism degrades
特
the process.Hardy discusses details of this large-versussmall subaperture trade for various optical and atmospheric
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
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.
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
optical processing are used.
For atmospheric turbulence compensation, the local
wavefront tilt must br0e measured accurately in each
subaperture of size .To do this, the subaperture must
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
has been applied in solar telescopes where photons are plentiful,
but the object is large.
哈
特ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
曼
夏
克
Daytime astronomy
For daytime astronomy with large background radiation,
曼 夏 克
Hartmann wavefront sensor
Hartmann wavefront sensing technique.
哈
A Hartmann sensor is composed of an array of lenses
特
for wavefront division and typically a CCD array with
哈
aberrations will distort the pattern on the quadcell and
特 曼
decrease tilt-measurement accuracy.
夏
克
Correlation Tracker
When the wavefront source is an extended object, a centroid measurement, like that in a Shack–Hartmann sensor, is meaningless.Each subaperture contains a small image of the entire object with the image shifted according to subaperture tilt.To overcome this problem, one image IR (x) is chosen as a reference. The cross-covariance between each image I is calculated by