频响特性优化的夏克-哈特曼波前测量技术与应用研究
发布时间：2021-07-23 14:02
夏克-哈特曼波前测量技术具有测量光路简单、光能利用率高、测量动态范围大、动态测量、对光源相干性不做要求等优点,已广泛应用于自适应光学、光学加工及装调检测、眼科医疗和激光参数诊断等领域。随着超精密光学元件加工制造的精度越来越高,以及高功率激光装置建设规模越来越大,都对波前测量精度提出了更高的要求。根据夏克-哈特曼波前测量原理可知,影响波前测量精度的因素主要包括波前斜率测量精度和波前重构算法精度。同时,夏克-哈特曼波前传感器的微透镜阵列与探测器之间的位置误差以及参数绝对定标精度也将影响到波前测量精度。目前夏克-哈特曼波前测量精度的空域评价手段无法与高精度光学元件表面不同频段加工精度及高功率激光装置不同频段波前畸变测量精度的评价直接建立关系,故如何全面客观的评价及提高夏克-哈特曼波前测量精度来满足当今对高精度波前测量的需求是目前亟需解决的科学问题。论文首先研究了夏克-哈特曼波前重构的频率响应特性,推导了基于传统区域法和模式法波前重构的系统频率响应函数理论模型。在此基础上,提出了频响特性优化的夏克-哈特曼波前重构方法,从而提高了全频段范围内的波前测量精度。同时,对夏克-哈特曼波前传感器的系统误...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)陕西省
【文章页数】：174 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
夏克-哈特曼波前测量原理示意图
频响特性优化的夏克-哈特曼波前测量技术与应用研究10探测到的波前畸变误差大小相等符号相反的波前校正量，来实时补偿大气湍流的动态干扰，从而获得接近衍射极限的成像质量。国内中科院成都光电所姜文汉院士为云南天文台研制的1.2米望远镜61单元自适应光学系统中也采用的是夏克-哈特曼波前传感器进行波前测量[79]。杨文波[80]对基于夏克-哈特曼波前传感器的大气湍流参数测量方法进行了研究。图1.4自适应光学系统工作原理示意图Figure1.4Schematicdiagramadaptiveopticssystem在光学元件加工及检测方面，Neal[81,82]将夏克-哈特曼波前传感器应用于光学加工及检测中，并利用夏克-哈特曼波前传感器对口径300mm的大像差光学系统的波像差进行了测量，波前测量动态范围达到了100λ@632.8nm，波前测量精度优于λ/20@632.8nm。Lee[83]提出了基于夏克-哈特曼波前传感器测量高数值孔径物镜透射波前的方法，如图1.5所示，激光光源耦合入单模光纤输出，经过整形镜入射到半径纳米量级的微圆孔上，产生标准的衍射球面波前，其经过被测高数值孔径物镜、出射波前由瑞利镜头成像至夏克-哈特曼波前传感器的微透镜阵列面上，最后通过波前重构方法得到高数值孔径物镜的透射波前。美国布鲁克海文国家实验室和法国ImagineOptic公司联合研制的基于夏克-哈特曼波前测量拼接技术的光学元件表面面形检测系统，测量精度达到50μrad[84]。俄国学者Nikitin等[85]采用夏克哈特曼波前传感器对大口径光学元件的面形进行了检测。国内，中科院成都光电所的饶学军[86]将夏克-哈特曼波前传感器应用于非球面光学元件加工检测当中。中科院长春光机所的张金平[87]利用夏克-哈特曼波前传感器对350mm口径旋转对称双曲面反射镜的面形进行了测量，与干涉仪测量结
第1章绪论11哈特曼波前传感器的子孔径拼接波前测量技术实现了大口径光学系统的波像差检测。中科院西安光机所的段亚轩[89]等提出了基于夏克-哈特曼波前传感器的长焦距激光光学系统焦距测量方法，利用此方法对焦距为7171m的激光光学系统焦距测量，测量扩展不确定度为13.48mm（k=2）。图1.5基于夏克-哈特曼波前传感器的高数值孔径物镜透射波前测量Figure1.5WavefrontmeasurementofhighnumericalapertureobjectivebasedonShack-Hartmannwavefrontsensor（a）(b)图1.6a)基于夏克-哈特曼波前传感器的人眼像差测量光路；b)人眼像差探测仪Figure1.6a)OpticalpathofhumaneyeaberrationmeasurementbasedonS-Hwavefrontsensor;b)Humaneyeaberrationdetector在眼科医疗方面，Bille提出了基于夏克-哈特曼波前测量原理实现人眼像差测量的概念，随后他的学生J.Liang等将夏克-哈特曼波前测量技术应用于人眼像差测量[90-92]。与以往技术完全不同，这项技术测量人眼出瞳面的波前，同时可给出不同瞳孔直径的MTF，测量光路及研制的仪器实物如图1.6所示。He-Ne激光经过中性密度片、空间小孔滤波器和透镜L1准直为平行光，经过分光镜反射，且聚焦到人眼视网膜上，然后被视网膜反射后，经过人眼瞳孔，分光镜和透镜L2和L3组成的f4系统入射到夏克-哈特曼波前传感器的微透镜阵列上，人眼瞳孔跟微透镜阵列要保持共轭关系。这种技术能够高精度测量人眼的初级像差和不规则的高级像差。国内，中科院成都光电所的凌宁、张雨东、饶学军等[93-96]率先展开这方面的研究，并开发了基于夏克-哈特曼波前传感器的人眼像差测量仪。
【参考文献】：
期刊论文
[1]夏克-哈特曼波前探测器的距离-幂指数加权质心探测算法[J]. 葛睿,申文,刘超,苏宙平,朱华新,李大禹,鲁兴海,穆全全,曹召良,宣丽,胡立发. 激光与光电子学进展. 2018(04)
[2]基于相位调制的单次曝光波前测量在高功率激光驱动器中的应用[J]. 潘兴臣,陶华,刘诚,朱健强. 中国激光. 2016(01)
[3]利用标记分水岭法实现夏克-哈特曼波前传感器质心探测[J]. 程利群,王晓曼,景文博. 光学精密工程. 2014(06)
[4]基于液晶电控可调夏克-哈特曼波前传感器的研究[J]. 李晖,吴云韬,潘凡,蔡敦波,张彦铎. 光学学报. 2013(12)
[5]长焦距激光光学系统焦距测试方法[J]. 段亚轩,陈永权,赵建科,李坤,田留德,张洁. 中国激光. 2013(04)
[6]Shack-Hartmann波前传感器检测大口径圆对称非球面反射镜[J]. 张金平,张学军,张忠玉,郑立功. 光学精密工程. 2012(03)
[7]提高波前探测精度的高阶矩方法[J]. 夏爱利,马彩文. 红外与激光工程. 2012(02)
[8]增大夏克-哈特曼波前传感器动态范围的算法研究[J]. 张金平,张忠玉,张学军,李锐钢. 光学学报. 2011(08)
[9]用夏克-哈特曼探测器测量人眼波前像差[J]. 程少园,曹召良,胡立发,穆全全,李鹏飞,宣丽. 光学精密工程. 2010(05)
[10]基于哈特曼原理的薄膜应力在线测量系统[J]. 王华清,薛唯,卢维强,李夏,张楠. 红外与激光工程. 2009(01)
博士论文
[1]基于扫描哈特曼的大口径空间光学系统检测技术[D]. 魏海松.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[2]夏克—哈特曼波前传感器检测大口径非球面应用研究[D]. 张金平.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2012
[3]高精度人眼像差哈特曼探测器的研制[D]. 夏明亮.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2011
硕士论文
[1]基于哈特曼—夏克传感器的大气湍流参数测量方法研究[D]. 杨文波.长春理工大学 2010
本文编号：3299428
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)陕西省
【文章页数】：174 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
夏克-哈特曼波前测量原理示意图
频响特性优化的夏克-哈特曼波前测量技术与应用研究10探测到的波前畸变误差大小相等符号相反的波前校正量，来实时补偿大气湍流的动态干扰，从而获得接近衍射极限的成像质量。国内中科院成都光电所姜文汉院士为云南天文台研制的1.2米望远镜61单元自适应光学系统中也采用的是夏克-哈特曼波前传感器进行波前测量[79]。杨文波[80]对基于夏克-哈特曼波前传感器的大气湍流参数测量方法进行了研究。图1.4自适应光学系统工作原理示意图Figure1.4Schematicdiagramadaptiveopticssystem在光学元件加工及检测方面，Neal[81,82]将夏克-哈特曼波前传感器应用于光学加工及检测中，并利用夏克-哈特曼波前传感器对口径300mm的大像差光学系统的波像差进行了测量，波前测量动态范围达到了100λ@632.8nm，波前测量精度优于λ/20@632.8nm。Lee[83]提出了基于夏克-哈特曼波前传感器测量高数值孔径物镜透射波前的方法，如图1.5所示，激光光源耦合入单模光纤输出，经过整形镜入射到半径纳米量级的微圆孔上，产生标准的衍射球面波前，其经过被测高数值孔径物镜、出射波前由瑞利镜头成像至夏克-哈特曼波前传感器的微透镜阵列面上，最后通过波前重构方法得到高数值孔径物镜的透射波前。美国布鲁克海文国家实验室和法国ImagineOptic公司联合研制的基于夏克-哈特曼波前测量拼接技术的光学元件表面面形检测系统，测量精度达到50μrad[84]。俄国学者Nikitin等[85]采用夏克哈特曼波前传感器对大口径光学元件的面形进行了检测。国内，中科院成都光电所的饶学军[86]将夏克-哈特曼波前传感器应用于非球面光学元件加工检测当中。中科院长春光机所的张金平[87]利用夏克-哈特曼波前传感器对350mm口径旋转对称双曲面反射镜的面形进行了测量，与干涉仪测量结
第1章绪论11哈特曼波前传感器的子孔径拼接波前测量技术实现了大口径光学系统的波像差检测。中科院西安光机所的段亚轩[89]等提出了基于夏克-哈特曼波前传感器的长焦距激光光学系统焦距测量方法，利用此方法对焦距为7171m的激光光学系统焦距测量，测量扩展不确定度为13.48mm（k=2）。图1.5基于夏克-哈特曼波前传感器的高数值孔径物镜透射波前测量Figure1.5WavefrontmeasurementofhighnumericalapertureobjectivebasedonShack-Hartmannwavefrontsensor（a）(b)图1.6a)基于夏克-哈特曼波前传感器的人眼像差测量光路；b)人眼像差探测仪Figure1.6a)OpticalpathofhumaneyeaberrationmeasurementbasedonS-Hwavefrontsensor;b)Humaneyeaberrationdetector在眼科医疗方面，Bille提出了基于夏克-哈特曼波前测量原理实现人眼像差测量的概念，随后他的学生J.Liang等将夏克-哈特曼波前测量技术应用于人眼像差测量[90-92]。与以往技术完全不同，这项技术测量人眼出瞳面的波前，同时可给出不同瞳孔直径的MTF，测量光路及研制的仪器实物如图1.6所示。He-Ne激光经过中性密度片、空间小孔滤波器和透镜L1准直为平行光，经过分光镜反射，且聚焦到人眼视网膜上，然后被视网膜反射后，经过人眼瞳孔，分光镜和透镜L2和L3组成的f4系统入射到夏克-哈特曼波前传感器的微透镜阵列上，人眼瞳孔跟微透镜阵列要保持共轭关系。这种技术能够高精度测量人眼的初级像差和不规则的高级像差。国内，中科院成都光电所的凌宁、张雨东、饶学军等[93-96]率先展开这方面的研究，并开发了基于夏克-哈特曼波前传感器的人眼像差测量仪。
【参考文献】：
期刊论文
[1]夏克-哈特曼波前探测器的距离-幂指数加权质心探测算法[J]. 葛睿,申文,刘超,苏宙平,朱华新,李大禹,鲁兴海,穆全全,曹召良,宣丽,胡立发. 激光与光电子学进展. 2018(04)
[2]基于相位调制的单次曝光波前测量在高功率激光驱动器中的应用[J]. 潘兴臣,陶华,刘诚,朱健强. 中国激光. 2016(01)
[3]利用标记分水岭法实现夏克-哈特曼波前传感器质心探测[J]. 程利群,王晓曼,景文博. 光学精密工程. 2014(06)
[4]基于液晶电控可调夏克-哈特曼波前传感器的研究[J]. 李晖,吴云韬,潘凡,蔡敦波,张彦铎. 光学学报. 2013(12)
[5]长焦距激光光学系统焦距测试方法[J]. 段亚轩,陈永权,赵建科,李坤,田留德,张洁. 中国激光. 2013(04)
[6]Shack-Hartmann波前传感器检测大口径圆对称非球面反射镜[J]. 张金平,张学军,张忠玉,郑立功. 光学精密工程. 2012(03)
[7]提高波前探测精度的高阶矩方法[J]. 夏爱利,马彩文. 红外与激光工程. 2012(02)
[8]增大夏克-哈特曼波前传感器动态范围的算法研究[J]. 张金平,张忠玉,张学军,李锐钢. 光学学报. 2011(08)
[9]用夏克-哈特曼探测器测量人眼波前像差[J]. 程少园,曹召良,胡立发,穆全全,李鹏飞,宣丽. 光学精密工程. 2010(05)
[10]基于哈特曼原理的薄膜应力在线测量系统[J]. 王华清,薛唯,卢维强,李夏,张楠. 红外与激光工程. 2009(01)
博士论文
[1]基于扫描哈特曼的大口径空间光学系统检测技术[D]. 魏海松.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[2]夏克—哈特曼波前传感器检测大口径非球面应用研究[D]. 张金平.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2012
[3]高精度人眼像差哈特曼探测器的研制[D]. 夏明亮.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2011
硕士论文
[1]基于哈特曼—夏克传感器的大气湍流参数测量方法研究[D]. 杨文波.长春理工大学 2010
本文编号：3299428
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/xxkjbs/3299428.html
