一种自参考波前传感器复原算法的研究-罗天栋.docx

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1、上海交通大学 硕士学位论文 种自参考波前传感器复原算法的研究 姓名：罗天栋 申请学位级别：硕士 专业：电子与通信工程 指导教师：刘佩林 ;侯新宇 20100501 一种自参考波前传感器复原算法的研究 摘要 随着自适应光学技术的发展，对大孔径波前探测的需要日渐增加。本 文研究的是一种基于移相干涉原理的波前探测方法，它通过干涉条纹反演 波前。每个 CCD像素均直接对应一部分波前，经过移相干涉后可以直接得 到该部分的波前信息，相当于一个子孔径。与 Shack-Hartmann波前传感器 相比，在大孔径波前探测时，可以大大增加子孔径数目，增加了空间分辨 力的同时降低了对 CCD相机的像素数目的要求。移

2、相干涉测量法是干涉测 量 法 中 精 度 最 高 的 方 法 ，其测 量 不 确 定 度 不 大 于 X/50。 这是基于 Mach-Zehnder干涉法的自参考波前探测提供了高精度探测的理论基础，这 也为自参考波前传感器在高分辨力高精度波前探测开辟了广阔的空间。 本文主要研究了 Mach-Zehnder自参考波前传感器的基本原理和复原算 法，主要针对这种波前传感器的探测能力作了研究。做了大量的仿真和实 验工作，为今后在自适应光学系统中的应用作准备。 仿真阶段主要对针孔滤波器进行计算。在理想情况下，参考波前为标 准平面波时，仿真得到了得到了很好的效果，充分的发挥了移相干涉测量 法高精度探测的优

3、势。在非理想情况下，参考波前由针孔滤波产生，本文 第 I页 在傅立叶光学理论的基础上分析了在入射波前频谱面上不同的光强分布对 参考波前的影响，并做了大量的仿真分析。指出了几种特殊情况下使用针 孔滤波器的限制，仿真 结论对今后自参考波前传感器的发展具有重要意义。 在仿真分析的基础上，本文对静态的像差进行了实验分析。搭建了一 套基于 Mach-Zehnder干涉法的自参考波前传感器实验系统，并编写了一套 实验采集软件。成功地完成了对静态像差的实验探测，得到了很好的结果。 探测结果与 Veeco干涉仪探测的结果相比， PV值和 RMS值相差均在入 /20 以内，用实验证实了自参考波前传感器的高精度波

4、前探测特性。 关键词：自适应光学，自参考波前传感器，移相干涉测量， Mach-Zehnder 干涉法，针孔滤波，解缠绕。 第 II页 A research for reconstruction arithmetic of self-referencing wave-front sensor Abstract Now, large scale wave-front sensor is required as the adaptive optics development. The self-referencing wave-front sensor is researched in this p

5、aper, which is based on Phase-Shift interferometer principle. The Wave-front is reconstructed by interferometric images. Each pixel of CCD camera is correspond to a part of the wave-front detected by the wave-front sensor. After phase shift, the part of wave-front can be reconstructed by the interfe

6、rometric images. Compared with Shack-Hartmann wave-front sensor in large scale wave-front sensing condition, self-referencing wave-front sensor can increase spatial revolution and decrease the requirement of the quantity of pixels of CCD cameras. Phase shift technique has the best precision in inter

7、ferometer measurements, whose uncertainty is lower than X/50. It provides the theory ground of the self-referencing wave-front sensor based on Mach-Zehnder interferometer in high precision measurement. In this paper, the principle and wave-front reconstruction arithmetic of the self-referencing wave

8、-front sensor based on Mach-Zehnder interferometer is present. The detection ability of the self-referencing wave-front sensor base on 第 III页 Mach-Zehnder interferometer is studied. The simulation and experiment are done, which are useful for application of self-referencing wave-front sensor in adap

9、tive optics in future. Simulation is meanly concentrate on the pinhole filter. In ideal condition, referencing wave-front is standard plan wave-front, it gets good results, which display the advantage of the phase shift interferometer technique. In practical condition, referencing wave-front is prod

10、uced by pinhole filter. Simulation of this condition is based on Fourier optics theory. Wave-front is calculated to produce different distribute of spectrum plan. The simulation results show that in certain Zernike aberration, pinhole filter is not very good equipment to produce plan wave-front. The

11、 simulation results are useful for self-referencing wave-front sensor development in future. In practical experiment, a static aberration is set to test the detection ability of the self-referecing wave-front sensor. The results, compared with Veeco interferometer, show that the difference between P

12、-V and RMS are both lower than 入 /20. The experiment results show this kind of wave-front sensor can achieve good accuracy. Key word : Adaptive optics, self-referencing wave-front sensor, phase shift interferometric measure technique, Mach-Zehnder interferometer, pinhole filter, unwrapping. 第 IV页 上海

13、交通大学 学位论文原创性声明 木人郑屯声明：所圼交的，位论文，足本人在 $师的桁导卜 独立进行研究丨 :作所取得的成粜 = 除文屮 d经汴明 丨用的内容外，本 沦文不包穴仃何找他个人或粜体己绖发衣或撰写过的作品成來。对木 义的研究做出苹要贞献的个人和集体，均匕在文中以明确力 式标明。 木人完令意识到本声明的法律结泶山本人承扣。 学位论义作 Vt签名 ： v im： 年 7 幻 （ jm 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 木嗲位论文作者完令了解校打 x： 保 m、他川学位论义的规记， 同意学校保留并向闽家有关部门或机构送交论文的复印件和 版 , 允许论文被杏阅和借阅本人授权 .丨 :洵交通人

14、学可以将木学位论文的 个部或邰分内容编入钉又数据阼进行 检索，可以采 影印、缩印或 n 描等飪制歹段保存和汇编本学位论文。 保密 m在 年 解 密 后 适 ) u木授权书。 +7:位论文祕于 不保密口。 (诺在以上力 框内打 “ V” 学位论文作者签名： 指 教师签名 11期 : “年厂 ) i f /J /II 第一章前言 在光束的产生和传输过程中，有许多不可预知的扰动因素造成波前畸变。光学仪器、 观测或者作用的对象、光波传输通道和工作环境之中任何一个环节都会存在扰动因素从 而引入波前像差，特别是对于在恶劣条件下工作的大型光学系统，这些扰动因素极大地 降低了传输光束的质量，严重影响其运用。传

15、统的光学技术只能通过光学设计、加工、 装校的巨大努力来降低光学系统自身像差，选择宁静的工作环境来减小光束通道引入的 像差，保持光学系统处于恒温状态下工作来改善温度变化的影响，减轻光学系统自身重 量来改善重力变化的影响。由于传统的光学技术不具有能动地适应环境变化的能力，对 随时间变化的动态扰动因素，如大气湍流、温度和重力变化等，无法从根本上加以消除， 因此动态干扰成为几百年来困扰光学工作者的老问题。在广泛的应用场合里，例如高能 激光器、高功率激光传输、大型天文望远镜及其 它许多的光学系统的应用中，都需要实 时检测和补偿光束的波前畸变，因此，自适应光学技术应运而生，并成为当前光学领域 极其活跃的前

16、沿研宄方向之一。本章在简要阐述自适应光学基本原理的基础上，对自适 应光学中重要的组成部分：波前传感器进行了综述，最后介绍了论文的研宄背景和基本 内容。 1.1自适应光学简介 自适应光学是一门集科学性和工程性的综合学科，它是研宄实时自动改善光波波前 质量的理论、系统、技术和工程，利用光电子技术实时测量波前误差，用快速的电子系 统计算和控制，用能动波前校正器件进行实时波前校正，是改善成像 系统的分辩能力和 激光传输系统的光束质量的有力保证。 自适应光学的基本概念是巴布科克 （ H.W.Babkock)于 1953年首先提出来的 1。 他提出用波前传感器探测波前畸变信息，再用可任意变形的光学元件产生

17、可控的光学相 移，来补偿波前畸变。 1965年莱顿 （ B.Leightton)研制了补偿天文望远镜影像运动的一 阶主动光学系统 2。这个系统采用带宽为 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。从自适应光学概念的提出起，自适应光学的发展历史可以 概括为三个阶段： 50年代到 70年代的提出阶段， 70年代到 80年代末期的军事应用为 主的阶段， 80年代末期至现在的扩大应用阶段。自适应光学技术仍在快速发展，并不 断出现一些新理论、新技术，推动自适应光学系统的组成结构不断发生变化。目前自适 应光学技术已经成功地应用在天文观测、激光核聚变、大功率高质量激光器、激光能量

18、 传输等领域，并且在工业、医疗等领域还有许多重要地应用前景，是一门很有地发展潜 力地新兴科学技术。 1.1.1自适应光学基本原理 自适应光学的基本原理是相位共轭 3。对于存在相位误差的光场石 =|五 |，自适应 光学系统产生一个与之相位共轭的光场石 =|五两个光场叠加的结果是相位误差就 被补偿掉了。根据光学原理，没有相差的平面波的成像质量将达到光学系统的衍射极限。 自适应光学仅仅校正相位误差，对原始光场的振幅没有影响。在大多数应用场合，仅仅 校正相位误差就足够了。 相位共轭补偿技术有两个实现途径：一是非线性光学技术，即采用非线性光学元件 直接产生与入射光相位共轭的光束 4，反向穿过原光路，实现

19、对入射光像差的补偿，但 受非线性光学元件及技术方案的限制。二是校正式自适应光学技术，采用波前传感器实 时测量入射光的位相、波前校正器实时补偿入射光的波前像差，使入射光经波前校正器 后输出平面波。 自适应光学校正系统由三部分组成：波前传感器实时测量从目标或目标附近的信标 来的波前误差；波前校正器（变形镜和倾斜镜）将波前控制器提供的控制信号转变为波 前相位变化，以校正光波波前畸变，是自适应光学系统的核心；波前处理器用于把波前 传感器所测得的波前畸变信息转化成波前校正器的控制信号，以实现自适应光学系统的 闭环控制。典型的自适应光学系统的 结构如图 1-1所示。 1.1.2自适应光学发展动态 目前自适

20、应光学技术不仅被应用于天文观测、空间监测和激光传输系统中，而且也 在卫星对地观测中使用。在闻名于世的哈勃 （ Hubble)空间天文望远镜上，就采用了自 适应光学技术校正由于失重和温度变化引起的光学系统误差。此外，还成功地在光束净 化、光束整形、大型光学系统误差校正、激光核聚变、激光腔内像差校正以及医学人眼 像差的检测与校正等多方面都得到了应用，使得光学观测能力达到了接近衍射极限的水 平，此外自适应光学在通讯 和遥感等方面的应用也得到了积极研宄。 图 1-1自适应光学系统的基本原理 Fig.1-1 Fundamental principles of adaptive optics system

21、 我国对自适应光学的研宄起步于 1979年，现已独立自主地建立了自适应光学的技 术基础，并取得了令人瞩目的成就，处于世界前列。先后研制成功高频振动法波前校正 系统、动态波前误差校正系统、 37单元实验系统、太阳望远镜自适应光学系统、激光 谐振腔倾斜误差的自动寻优、 61单元自适应光学波前校正系统、 2.16米望远镜红外自 适应观测系统以及人眼视网膜成像自适应光学系统等等多套自适应光学系统。其中 1985 年研制的 19单元激光波前校正系统，被用于 “ 神光 I” 激光核聚变装置上，校正这一 装置中的制造误差、光学材料的不均匀性以及装调误差等静态误差，使静态焦斑能量集 中度提高了 3倍，成为国际

22、同类装置 中首先成功使用的自适应光学系统； 1990年 21单 元动态波前误差校正系统与云南天文台的 1.2米望远镜对接实现了对自然星体的大气湍 流校正，获得了分辨双星的清晰照片，使我国成为继美国和德国之后第三个实现这一目 标的国家； 2000年利用新研制出的 19单元微小型变形镜建立了人眼视网膜成像自适应 光学系统，并获得了较清晰的人眼底图像。另外，这些工作同时也带动了自适应光学理 论的发展，能动光学元件 5、微驱动技术和光束动态诊断技术等单元技术方面的创新， 取得了许多令人瞩目的成果，不仅是自适应光学的基础，其本身也有广 泛的应用。 自适应光学的发展方向一方面是向着微小型和集成型，另一方面又向大型光学系统 和强光光学系统发展。低成本化是二者的共同需求。例如用传统方法制作变形镜的成本 很高，现在出现一种值得重视的发展趋势是采用光刻和微机械技术来制作变形镜，这样 可使变形镜的制作成本大幅度降低，目前成本相对较低的自参考波前传感器也成为国际 研宄热点。这些都给系统的小型化和集成化带来希望。随着技术的发展，自适应光学系 统有可能成为一个小型集成光学系统，在激光波面变换工程、空间激光通讯、遥感成像 以及医学等领域得到广泛应用。