波前曲率探测自适应光学控制技术
发布时间：2021-03-31 02:15
自适应光学是一项探测并校正光束波前畸变的技术,能够有效提升光学系统的性能,在激光核聚变、激光通信、天文成像、医疗等领域发挥着重要作用。基于波前曲率探测的自适应光学具有结构简单、成本低等特点,在天文成像领域得到广泛应用。针对曲率型自适应光学的波前控制问题,通过理论分析、数值仿真和实验手段,主要研究了拉普拉斯算子本征模式型控制算法和深度神经网络控制算法。波前探测和复原是进行波前控制和校正的前提。论文首先介绍了光栅型波前曲率传感器的工作原理,分析了基于拉普拉斯算子本征模式的波前复原算法。在此基础上,针对传感器光斑信号提取问题,提出一种最大类间方差法和质心法相结合的光斑自动定位提取算法,并搭建了基于离轴菲涅尔波带片的光栅型波前曲率传感器实验装置,实验验证了该算法的可行性。针对波前曲率传感器,为了实现便捷的波前测量功能,设计了波前测量软件。在Visual Studio 2013平台下,基于Open CV库函数和MFC库函数,利用C++语言开发了通用性较强的波前测量软件,实现了基于拉普拉斯算子本征模式法的波前在线测量和离线数据处理等功能。实验研究了基于拉普拉斯算子本征模式的波前控制算法。首先分析了...
【文章来源】：华北理工大学河北省
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Subaru望远镜上采用的188单元变形镜Fig.4(a)Electrodedistributionof188elementd
第1章文献综述-9-显然，这种区域型空间解耦方法是一种“硬件”解耦法，需要借助微透镜阵列进行分区探测，因此主要存在三个不足：1）由于传感器得到的是曲率信号，因此这种直接控制方法要求系统只能采用曲率型校正器，从而限制了曲率传感器与其他类型校正器的组合使用；2）由于采用分区探测和校正方式，要求校正器和传感器驱动单元在数量和分布上一致，并且对准精度较高，从而给装配带来了一定的挑战；3）由于校正器边沿驱动单元的控制信号与孔径边沿的法向斜率成正比，因此边沿控制信号耦合较大，影响校正性能。上述不足在欧洲南方天文台的60单元MACAO系统上得到明显体现，如图5和图6所示[54]。由图5可以看出：当微透镜阵列和波前校正器间存在4度的相对旋转误差时，校正后SR(Strehlratio)下降5%；当微透镜阵列和波前校正器间存在0.06倍孔径直径的平移误差时，SR下降超过50%。因此可以得出，随着传感器和校正器单元数的增加，对准误差对系统性能的影响也越大。国防科技大学宁禹博士在研究Bimoph变形镜时也得到类似的结果[27]。图6为各个驱动电极的空间分布和测量出的控制矩阵。可以看出边沿驱动器之间的耦合较大。图5欧洲南方天文台60单元MACAO中的失配误差Fig.5Mismatcherrorinthe60unitMacaooftheEuropeanSouthernObservatory图6驱动电极的空间分布和控制通道之间的相关矩阵Fig.6Correlationmatrixbetweenspatialdistributionofdrivingelectrodesandcontrolchannels
第2章波前复原算法及软件设计-17-光斑自动定位后，需要根据传感器参数计算截取光斑的直径。光栅型波前曲率传感器中FZP的一级焦距和短聚焦透镜的焦距分别为Ff和lf，其中Ff远大于lf,二者的组合焦距为()FlFlffff。假设入射平行光束直径为0d，不考虑衍射效应，可以计算出探测面上1I和2I直径0lFddff。2.4实验及结果分析基于图7所示曲率传感器原理设计搭建波前曲率传感器，其中自行设计并制作了相位型菲涅尔波带片，材质为石英玻璃。波长为635nm、直径为25.4mm、一级焦距为3米的波带片的二元结构如下图10(a)所示（沿光轴方向直视图），红色部分与蓝色部分间的光程差为半个波长，剖面图如图10(b)所示。图10(a)菲涅尔波带片结构示意图，(b)波带片各级圆环的剖面示意图Fig.10(a)StructurediagramofFresnelzoneplate,(b)Sectiondiagramofringatalllevelsofzoneplate图10设计的菲涅尔波带片结构示意图中心蓝色实心圆为1级次，向外第一个红色圆环为2级次，接着向外是蓝色圆环记为3级次，以此类推。每级圆环的外径（半径）计算公式为（其中n为级次）：r=3mn635nm，由此计算出n=1到80级圆环（1级为实心圆）的外半径数据如图11所示。图11n=1到80级圆环（1级为实心圆）的外半径Fig.11n=1tolevel80outerradiusofring(Level1issolidcircle)
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于高斯-洛伦兹分峰拟合的线结构光条中心的提取方法[J]. 李涛涛,杨峰,李石庚,何宇. 激光与光电子学进展. 2019(07)
[2]计算扩展目标夏克-哈特曼波前传感器子图像偏移量的相关函数质心法研究[J]. 李臣亮,胡新奇. 光学学报. 2017(09)
[3]基于改进最大类间方差法的手势分割方法研究[J]. 李擎,唐欢,迟健男,邢永跃,李华通. 自动化学报. 2017(04)
[4]波前曲率传感器的实时波前重构方法[J]. 李小阳,陈波,张湧涛,杨旭,孙天齐. 激光杂志. 2017(01)
[5]光栅型波前曲率传感自适应光学的基本参数分析[J]. 张湧涛,李小阳,陈波,杨旭,孙天齐. 激光与光电子学进展. 2016(08)
[6]波前曲率传感自适应光学两种闭环控制方法的对比[J]. 陈波,杨靖,李新阳,李小阳,杨旭. 光学学报. 2016(03)
[7]波前曲率传感自适应光学的模式型控制技术[J]. 陈波,杨靖,李新阳,李小阳,杨旭. 光学学报. 2016(02)
[8]基于液晶空间光调制器的光栅型波前曲率传感器[J]. 陈波,杨靖,李新阳,李小阳,杨旭. 激光与光电子学进展. 2015(08)
[9]哈特曼波前分析仪校准方法研究[J]. 王艳萍,王茜蒨,马冲. 中国激光. 2015(01)
[10]深度学习研究进展[J]. 刘建伟,刘媛,罗雄麟. 计算机应用研究. 2014(07)
博士论文
[1]相位差波前探测技术及其在拼接镜共相检测中的应用研究[D]. 罗群.国防科学技术大学 2012
[2]双压电片变形反射镜的性能分析与应用研究[D]. 宁禹.国防科学技术大学 2008
硕士论文
[1]基于卷积神经网络的深度学习算法与应用研究[D]. 张效荣.西安电子科技大学 2015
[2]基于光强传感的相位恢复方法与实验研究[D]. 李洋.西安电子科技大学 2014
本文编号：3110582
【文章来源】：华北理工大学河北省
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Subaru望远镜上采用的188单元变形镜Fig.4(a)Electrodedistributionof188elementd
第1章文献综述-9-显然，这种区域型空间解耦方法是一种“硬件”解耦法，需要借助微透镜阵列进行分区探测，因此主要存在三个不足：1）由于传感器得到的是曲率信号，因此这种直接控制方法要求系统只能采用曲率型校正器，从而限制了曲率传感器与其他类型校正器的组合使用；2）由于采用分区探测和校正方式，要求校正器和传感器驱动单元在数量和分布上一致，并且对准精度较高，从而给装配带来了一定的挑战；3）由于校正器边沿驱动单元的控制信号与孔径边沿的法向斜率成正比，因此边沿控制信号耦合较大，影响校正性能。上述不足在欧洲南方天文台的60单元MACAO系统上得到明显体现，如图5和图6所示[54]。由图5可以看出：当微透镜阵列和波前校正器间存在4度的相对旋转误差时，校正后SR(Strehlratio)下降5%；当微透镜阵列和波前校正器间存在0.06倍孔径直径的平移误差时，SR下降超过50%。因此可以得出，随着传感器和校正器单元数的增加，对准误差对系统性能的影响也越大。国防科技大学宁禹博士在研究Bimoph变形镜时也得到类似的结果[27]。图6为各个驱动电极的空间分布和测量出的控制矩阵。可以看出边沿驱动器之间的耦合较大。图5欧洲南方天文台60单元MACAO中的失配误差Fig.5Mismatcherrorinthe60unitMacaooftheEuropeanSouthernObservatory图6驱动电极的空间分布和控制通道之间的相关矩阵Fig.6Correlationmatrixbetweenspatialdistributionofdrivingelectrodesandcontrolchannels
第2章波前复原算法及软件设计-17-光斑自动定位后，需要根据传感器参数计算截取光斑的直径。光栅型波前曲率传感器中FZP的一级焦距和短聚焦透镜的焦距分别为Ff和lf，其中Ff远大于lf,二者的组合焦距为()FlFlffff。假设入射平行光束直径为0d，不考虑衍射效应，可以计算出探测面上1I和2I直径0lFddff。2.4实验及结果分析基于图7所示曲率传感器原理设计搭建波前曲率传感器，其中自行设计并制作了相位型菲涅尔波带片，材质为石英玻璃。波长为635nm、直径为25.4mm、一级焦距为3米的波带片的二元结构如下图10(a)所示（沿光轴方向直视图），红色部分与蓝色部分间的光程差为半个波长，剖面图如图10(b)所示。图10(a)菲涅尔波带片结构示意图，(b)波带片各级圆环的剖面示意图Fig.10(a)StructurediagramofFresnelzoneplate,(b)Sectiondiagramofringatalllevelsofzoneplate图10设计的菲涅尔波带片结构示意图中心蓝色实心圆为1级次，向外第一个红色圆环为2级次，接着向外是蓝色圆环记为3级次，以此类推。每级圆环的外径（半径）计算公式为（其中n为级次）：r=3mn635nm，由此计算出n=1到80级圆环（1级为实心圆）的外半径数据如图11所示。图11n=1到80级圆环（1级为实心圆）的外半径Fig.11n=1tolevel80outerradiusofring(Level1issolidcircle)
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于高斯-洛伦兹分峰拟合的线结构光条中心的提取方法[J]. 李涛涛,杨峰,李石庚,何宇. 激光与光电子学进展. 2019(07)
[2]计算扩展目标夏克-哈特曼波前传感器子图像偏移量的相关函数质心法研究[J]. 李臣亮,胡新奇. 光学学报. 2017(09)
[3]基于改进最大类间方差法的手势分割方法研究[J]. 李擎,唐欢,迟健男,邢永跃,李华通. 自动化学报. 2017(04)
[4]波前曲率传感器的实时波前重构方法[J]. 李小阳,陈波,张湧涛,杨旭,孙天齐. 激光杂志. 2017(01)
[5]光栅型波前曲率传感自适应光学的基本参数分析[J]. 张湧涛,李小阳,陈波,杨旭,孙天齐. 激光与光电子学进展. 2016(08)
[6]波前曲率传感自适应光学两种闭环控制方法的对比[J]. 陈波,杨靖,李新阳,李小阳,杨旭. 光学学报. 2016(03)
[7]波前曲率传感自适应光学的模式型控制技术[J]. 陈波,杨靖,李新阳,李小阳,杨旭. 光学学报. 2016(02)
[8]基于液晶空间光调制器的光栅型波前曲率传感器[J]. 陈波,杨靖,李新阳,李小阳,杨旭. 激光与光电子学进展. 2015(08)
[9]哈特曼波前分析仪校准方法研究[J]. 王艳萍,王茜蒨,马冲. 中国激光. 2015(01)
[10]深度学习研究进展[J]. 刘建伟,刘媛,罗雄麟. 计算机应用研究. 2014(07)
博士论文
[1]相位差波前探测技术及其在拼接镜共相检测中的应用研究[D]. 罗群.国防科学技术大学 2012
[2]双压电片变形反射镜的性能分析与应用研究[D]. 宁禹.国防科学技术大学 2008
硕士论文
[1]基于卷积神经网络的深度学习算法与应用研究[D]. 张效荣.西安电子科技大学 2015
[2]基于光强传感的相位恢复方法与实验研究[D]. 李洋.西安电子科技大学 2014
本文编号：3110582
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