基于Shack-Hartmann波前传感器的自适应光学系统研究
The Study of Adaptive Optical System Based on Shack-hartmann Wavefront Sensor
自适应光学是一种实时测量和校正波前畸变的光学新技术,目前已广泛应用于天文观测、激光核聚变、人眼视网膜成像等领域,并成为这些研究领域的重点.在大气激光通信(大气层内的激光通信)中,大气湍流的影响成为阻碍其实用化的最主要因素之一.为了抑制大气湍流对激光通信的影响,人们借鉴自适应光学技术在其他领域的成果,开始研究自适应光学对激光通信中光束的质量改善问题.本文紧跟这个研究热点,以大气激光通信应用为背景,开展了自适应光学系统校正波前畸变的理论分析和实验研究.本文详细分析了大气湍流对激光传输以及成像系统的影响,根据自适应光学的基本原理,从波前探测、波前重构和波前控制三个方面对自适应光学系统进行了深入研究.在理论分析的基础上,建立了自适应光学系统的数值模型,用于自适应光学系统校正波前畸变的模拟研究.为了提高自适应光学系统的校正精度,本文在质心计算和波前重构两个方面,分别提出质心计算的高阶矩方法和最优重构阶数的选取方法,并通过数值模拟验证了两种方法的性能.实验结果证明:在质心计算中使用高阶矩方法可以有效地提高质心位置的精度;在波前重构中使用合适的重构阶数可以使重构误差最小.为了满足自适应光学系统的实时性,利用帧内流水线和并行处理的结构设计了波前控制器,并根据双流水线的思想,使波前控制器中的波前斜率计算在CCD图像输出结束时就基本完成了,保证了系统的实时性.根据波前补偿原理,建立了一套基于Shack-Hartmann波前传感器和连续面型变形镜的自适应光学实验系统,采用自校正和相对校正两种方法,验证了系统对波前畸变的校正能力.由于实验条件所限,该系统采用计算机作为控制单元,系统的工作带宽较窄,不利于波前的实时校正.但是,该系统可以很好地校正静态的波前畸变.为克服传统控制算法对控制精度的影响,本文提出一种改进的迭代控制算法,使用波前的rms作为判断依据,使经过校正的输出波前逐渐收敛于所预期的参考波前,实验通过开环和闭环校正验证了整个系统的性能.结果表明:该自适应光学平台能够基本消除系统自身带来的波前畸变,使校正之后的光束接近理想的平面波前;对于变形镜校正范围之内的畸变波前,系统可以很好的校正.
- 作者：
- 夏爱利
- 学位授予单位：
- 中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)
- 专业名称：
- 光学工程
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2011年
- 导师姓名：
- 马彩文
- 中图分类号：
- TN929.1
- 关键词：
- 自适应光学；Shack-Hartmann；波前传感器；泽尼克多项式；波前重构；波前控制；高阶矩
- Adaptive Optics；Shack-Hartmann wavefront sensor；Zernike polynomial；wavefront reconstruction；wavefront control；the higher moment