薄膜成像中的自适应光学技术研究

发布时间：2020-04-05 03:18

【摘要】：薄膜衍射成像在成为轻量化大口径天基望远镜的重要发展方向时,也面临一些亟待解决的关键问题。譬如薄膜元件环带结构不可避免的加工缺陷,薄膜材料在空间环境中的形变,系统运行扰动对成像光学参数的影响,望远镜空间布置时引入的光学误差,以及成像参数的长期可靠性与稳定性等问题。论文从成像光束波前畸变出发,提出了基于自适应光学的薄膜成像方法,即将自适应光学系统作为薄膜天基成像系统的末端组成,实现成像波前的实时反馈控制,获得高分辨率的目标图像。论文根据薄膜天基成像波前像差的准静态特性,结合空间成像对系统规模严格限制的要求,提出了以目标图像为优化对象的无波前传感自适应光学实现薄膜高性能成像的方法。为厘清薄膜元件成像特性和无波前传感自适应光学校正算法特性对薄膜成像的影响,论文采取算法理论结合薄膜成像实验研究的方法,并以点目标成像递进到扩展目标成像的方式,从以下几个方面开展相关研究。论文首先开展了点目标成像波前畸变校正算法研究,为薄膜点目标成像应用提供算法研究和实验积累。论文分析了基于搜索的盲优化算法和基于模型的通用模式校正算法在波前像差校正中的局限性,提出了基于模型的无波前传感自适应光学同步校正算法。论文采用数值仿真的方法,验证了同步校正算法对静态和动态波前像差的校正能力,分析了算法的噪声特性,提出了基于动态区域提取的波前校正算法。在对校正算法充分研究的基础上,论文详细介绍了点目标透镜成像波前像差校正实验,并从成像效果和校正速度两个方面,分析了同步校正算法和随机并行梯度下降(Stochastic Parallel Gradient Descent,SPGD)算法的校正能力。实验结果表明,同步校正算法能获得1.1DL近衍射成像,其收敛速度是SPGD算法的4倍。随后,论文开展了扩展目标成像波前像差校正算法研究,为薄膜扩展目标成像应用提供算法研究和实验积累。论文首先介绍了扩展目标SPGD算法和基于目标图像频域分析的模型校正算法,并分析其局限性;然后从理论上推导了基于图像空域的同步校正算法。针对目标成像探测对相机大视场与全靶面需求和自适应光学对相机高帧频要求之间的矛盾,提出了基于目标图像局部区域提取的波前像差校正与图像复原算法。最后,论文详细介绍了扩展目标透镜成像波前像差校正实验,分析了不同算法复原目标图像的能力。实验结果表明基于图像局部区域提取算法的静态波前像差校正速度是传统方法的近20倍;其动态波前像差校正速度是传统方法的4倍;该算法的快速收敛性有利于薄膜成像的动态波前像差校正。论文在对点目标和扩展目标波前像差校正算法研究与实验积累的基础上,开展了基于自适应光学的薄膜成像实验研究。首先介绍了典型薄膜成像元件——菲涅尔波带片(Fresnel zone plates,FZP)的成像特性,分析其波前像差和强背景噪声双重退化因素,然后开展了基于传统自适应光学的点目标FZP成像实验研究,讨论了传统自适应光学改善薄膜成像性能的有效性和局限性;随后,论文详细介绍了基于无波前传感自适应光学的点目标和扩展目标FZP成像实验研究;重点分析和讨论了同步校正算法、SPGD算法、局部区域提取算法应用于薄膜成像的有效性和必要性。FZP点目标获得了1.1DL近衍射成像,同步校正算法的校正速度为SPGD算法的4倍;系统调制传递函数MTF的中频分量明显提高,表明无波前传感自适应光学有效改善了薄膜成像系统的性能。FZP扩展目标成像波前像差校正后,目标图像分辨率获得了明显提高,局部区域提取算法的收敛速度提高了近3倍。最后,论文初步探索了基于自适应光学薄膜成像的图像后处理算法,目标图像经后处理后,图像强背景噪声得到了有效去除,图像分辨率明显提高。论文工作从算法理论和实验研究证实了自适应光学应用于薄膜成像的有效性和必要性。研究结果表明自适应光学实时波前像差校正协同图像后处理是薄膜高性能成像的有效途径。
【图文】：

哈勃望远镜,黑洞

宇宙奥秘的脚步从未停止。新一代太空望远镜——詹姆斯韦伯太空望远镜（/ames<ebb8pace9elescope，/<89）将探测宇宙大爆炸后发出的第一缕光，探索银河系、恒星、行星以及太阳系进化过程，揭示宇宙和生命的起源23]。可见，从微观世界的组织细胞到浩渺的宇宙天体，光学成像无疑是人类认知世界的重要手段。天基成像系统摆脱了大气湍流的影响，具有机动性、灵活性和全天候等特点因此光学成像卫星、空间望远镜如雨后春笋般出现在浩渺的星空中。而空间望远镜具有大视场、暗弱目标、超远距离成像探测能力，已经成为人类认知宇宙的重要工具。空间望远镜成像主镜的口径越大，目标图像的分辨率越高，探测暗弱目标能力越强。在哈勃望远镜米直径的成像主镜下，人类获得了距离地球亿光年的正在快速生长的黑洞/ 45]、闪闪发光的蝴蝶星云（9win /et 3ebula）6]、婴儿星系]等个天体，，对研究恒星的形成与死亡、暗物质、黑洞和宇宙形成产生了深远的意义。

主镜,韦伯,望远镜,成像

薄膜成像中的自适应光学技术研究拼接大口径成像主镜成了空间望远镜的重要发展方向。年，劳伦斯利佛莫尔实验室的天基“眼睛”项目研制了硅基米的单体成像主镜78]，随后开展米折叠主镜的研究9]；韦伯望远镜成像主镜口径进一步增大到米10]。然而，成像主镜口径增大亦使望远镜质量急剧增加，哈勃望远镜的质量达到了吨。如果采用传统主镜技术，韦伯望远镜将因质量导致发射困难，因而其成像主镜由块轻质基镀金拼接子镜辅以波前控制组成，以减小主镜的质量与火箭发射的体积与载荷限制1112]。即便如此，韦伯望远镜每块拼接子镜的质量也有千克（含致动器），其拼接成像主镜质量接近吨，算上成像次镜等后端成像系统和支撑系统的质量，韦伯望远镜成像系统质量达吨13]，成像主镜的大口径与其体积质量之间的矛盾是一个难解的问题。因此轻量化的大口径成像成为未来空间望远镜的关键技术。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.41;O484

【参考文献】