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哈特曼波前探測技術及其應用
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哈特曼波前探測技術及其應用 版權信息
- ISBN：9787030741011
- 條形碼：9787030741011 ; 978-7-03-074101-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：
哈特曼波前探測技術及其應用 本書特色
本書可供光學領域的高年級本科生、研究生做為教材使用，也可以供高校與科研院所的科研工作者、企業研發的科研人員使用和參考。
哈特曼波前探測技術及其應用 內容簡介
本書首先從哈特曼探測技術的發展歷程、裝置組成和應用進行分析，并從波前相差和光學系統性能進一步解釋哈特曼探測技術；然后介紹哈特曼波前探測技術原理中和其波前復原方法，并對哈特曼波前探測器的波前標定方法、質心計算方法、斜率計算方法和波前復原方法進行理論分析；其次從系統靈敏度、絕對精度、重復精度、動態范圍和噪聲等效溫度差對哈特曼波前探測器性能評估；*后從微透鏡陣列對波前的空間采樣誤差、質心探測誤差、高速光斑質心探測閾值選取對哈特曼波前探測器誤差分析，并哈特曼波前探測器應用及未來挑戰進行總結和展望。
哈特曼波前探測技術及其應用 目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1波 前像差理論 1
1.1.1 初級像差理論 1
1.1.2 波前探測的原理 8
1.1.3 波前探測技術分類 8
1.2 哈特曼波前探測技術 10
1.2.1 哈特曼波前傳感器結構 10
1.2.2 哈特曼波前探測技術發展歷程 15
1.2.3 哈特曼波前傳感器的性能指標 18
1.2.4 哈特曼波前傳感器的應用 20
參考文獻 23
第2章 哈特曼波前傳感器原理 29
2.1 哈特曼波前傳感器波前復原方法 29
2.1.1 模式法波前重構 29
2.1.2 區域法波前重構 31
2.1.3 混合模式法波前重構 34
2.2 哈特曼波前傳感器斜率計算方法 36
2.2.1 波前估計方程 36
2.2.2 哈特曼波前斜率測量理論模型 36
2.3 哈特曼波前傳感器的誤差組成 40
2.3.1 系統誤差 40
2.3.2 重構誤差 42
參考文獻 48
第3章 哈特曼波前傳感器的光斑標定 50
3.1 哈特曼波前傳感器的標定方法 50
3.1.1 自適應標定方法 50
3.1.2 反卷積標定方法 52
3.2 基于CCD相機的哈特曼波前傳感器光斑*佳標定位置 55
3.2.1 采樣誤差與光斑質心位置的關系 55
3.2.2 位移敏感度與標定時光斑質心位置的關系 58
3.2.3 不同標定位置的開環動態范圍 60
3.2.4 標定光斑質心*佳位置 60
3.3 基于四象限探測器的哈特曼波前傳感器光斑*佳標定位置 61
3.3.1 基于四象限探測器的波前傾斜傳感器的原理 61
3.3.2 四象限探測器的性能分析 63
3.3.3 光斑*佳標定位置 69
參考文獻 71
第4章 哈特曼波前傳感器質心探測 72
4.1 質心與斜率的關系 72
4.2 哈特曼波前傳感器質心計算方法 73
4.2.1 傳統質心計算法 74
4.2.2 基于微分的方法 83
4.2.3 基于配準的方法 86
4.3 哈特曼波前傳感器質心探測誤差分析 89
4.3.1 點源目標質心探測方法及主要誤差源 89
4.3.2 CCD相機對高斯光斑質心探測誤差的理論推導 90
4.3.3 CCD相機對sinc光斑質心探測誤差 94
4.3.4 哈特曼波前探測精度分析 98
4.4 *佳閾值計算 104
4.4.1 閾值對**類誤差源的影響 104
4.4.2 閾值對第二類誤差源的影響 106
4.4.3 質心探測誤差與閾值的關系 107
參考文獻 109
第5章 基于擴展目標的相關哈特曼波前傳感器 113
5.1 基于擴展目標的相關哈特曼波前傳感器國內外研究進展 113
5.2 相關哈特曼波前傳感器的波前探測原理 116
5.3 基于擴展目標的相關哈特曼波前傳感器的相關算法 117
5.3.1 平方差算法 118
5.3.2 互相關因子算法 119
5.3.3 絕對差分算法與絕對差分平方算法 119
5.3.4 頻域中的相關算法 120
5.4互 相關因子算法位移測量誤差分析 121
5.4.1 互相關因子算法測量誤差公式理論推導 122
5.4.2 任意采樣條件下的測量誤差公式 126
參考文獻 131
第6章 基于光場相機的波前傳感器 134
6.1 光場相機波前傳感器的發展歷程 134
6.2 光場相機波前傳感器的基本結構與成像原理 135
6.2.1 光場相機波前傳感器的基本結構 135
6.2.2 光場的四維表示 135
6.2.3 光場相機波前傳感器的成像原理 136
6.2.4 光場相機波前傳感器的波前復原理論 139
6.3 光場相機波前傳感器與哈特曼波前傳感器的波前探測對比 141
參考文獻 144
第7章 基于光纖激光相控陣的哈特曼波前探測方法 147
7.1 分布式孔徑與光纖激光相干合成 147
7.1.1分 布式孔徑光纖激光相控陣技術簡介 147
7.1.2 分布式孔徑光纖激光相控陣的激光傳輸和波前操控機理 151
7.2 基于光纖耦合的分布式孔徑哈特曼波前像差探測 153
7.2.1 基于光纖耦合的分布式孔徑像差探測原理 153
7.2.2 分布式孔徑對模擬湍流像差探測 159
7.3 分布式孔徑哈特曼波前探測實驗驗證 165
7.3.1 實驗裝置 165
7.3.2 實驗結果及分析 167
7.4 基于分布式孔徑哈特曼波前探測的像差校正 172
7.4.1 基于分布式孔徑哈特曼波前探測的像差校正工作原理 172
7.4.2 實驗裝置 175
7.4.3 實驗結果及分析 176
參考文獻 181
第8章 基于哈特曼波前傳感器的應用 184
8.1 哈特曼波前傳感器在自適應光學中的應用 184
8.1.1 自適應光學的基本概念 184
8.1.2 大氣湍流相關概念 190
8.1.3 哈特曼測量大氣湍流原理及測量精度計算 196
8.1.4 實驗系統原理 198
8.2 哈特曼波前傳感器在人眼像差中的應用 199
8.2.1 人眼像差檢測原理與方法 199
8.2.2 哈特曼波前傳感器在人眼像差檢測中的研究 202
8.3 哈特曼波前傳感器在鏡片面形檢測中的應用 206
8.3.1 哈特曼掃描拼接檢測平面鏡原理 206
8.3.2 哈特曼法非零位檢測旋轉對稱非球面反射鏡 207
8.4 哈特曼波前傳感器在非制冷光力學紅外成像系統中的應用 214
8.4.1 非制冷光力學紅外成像原理 214
8.4.2 系統性能分析 216
8.4.3 實驗結果及分析 219
參考文獻 222
第9章 基于哈特曼波前傳感器的開發實例 224
9.1 基于哈特曼波前傳感器的面形檢測系統設計 224
9.1.1 主要功能與設計指標 224
9.1.2 結構設計 224
9.1.3 分系統設計說明 225
9.1.4 探測精度檢測 228
9.2 基于哈特曼波前傳感器的自適應光學高分辨率成像系統 231
9.2.1 自適應光學系統組成 231
9.2.2 自適應光學系統功能 232
9.2.3 自適應光學系統設計方案 233
9.2.4 高階校正子系統設計方案 237
9.2.5 AO操控子系統設計方案 246
9.2.6 高分辨率成像探測自適應光學樣機及實驗結果 247
第1章 緒論 1
1.1波 前像差理論 1
1.1.1 初級像差理論 1
1.1.2 波前探測的原理 8
1.1.3 波前探測技術分類 8
1.2 哈特曼波前探測技術 10
1.2.1 哈特曼波前傳感器結構 10
1.2.2 哈特曼波前探測技術發展歷程 15
1.2.3 哈特曼波前傳感器的性能指標 18
1.2.4 哈特曼波前傳感器的應用 20
參考文獻 23
第2章 哈特曼波前傳感器原理 29
2.1 哈特曼波前傳感器波前復原方法 29
2.1.1 模式法波前重構 29
2.1.2 區域法波前重構 31
2.1.3 混合模式法波前重構 34
2.2 哈特曼波前傳感器斜率計算方法 36
2.2.1 波前估計方程 36
2.2.2 哈特曼波前斜率測量理論模型 36
2.3 哈特曼波前傳感器的誤差組成 40
2.3.1 系統誤差 40
2.3.2 重構誤差 42
參考文獻 48
第3章 哈特曼波前傳感器的光斑標定 50
3.1 哈特曼波前傳感器的標定方法 50
3.1.1 自適應標定方法 50
3.1.2 反卷積標定方法 52
3.2 基于CCD相機的哈特曼波前傳感器光斑*佳標定位置 55
3.2.1 采樣誤差與光斑質心位置的關系 55
3.2.2 位移敏感度與標定時光斑質心位置的關系 58
3.2.3 不同標定位置的開環動態范圍 60
3.2.4 標定光斑質心*佳位置 60
3.3 基于四象限探測器的哈特曼波前傳感器光斑*佳標定位置 61
3.3.1 基于四象限探測器的波前傾斜傳感器的原理 61
3.3.2 四象限探測器的性能分析 63
3.3.3 光斑*佳標定位置 69
參考文獻 71
第4章 哈特曼波前傳感器質心探測 72
4.1 質心與斜率的關系 72
4.2 哈特曼波前傳感器質心計算方法 73
4.2.1 傳統質心計算法 74
4.2.2 基于微分的方法 83
4.2.3 基于配準的方法 86
4.3 哈特曼波前傳感器質心探測誤差分析 89
4.3.1 點源目標質心探測方法及主要誤差源 89
4.3.2 CCD相機對高斯光斑質心探測誤差的理論推導 90
4.3.3 CCD相機對sinc光斑質心探測誤差 94
4.3.4 哈特曼波前探測精度分析 98
4.4 *佳閾值計算 104
4.4.1 閾值對**類誤差源的影響 104
4.4.2 閾值對第二類誤差源的影響 106
4.4.3 質心探測誤差與閾值的關系 107
參考文獻 109
第5章 基于擴展目標的相關哈特曼波前傳感器 113
5.1 基于擴展目標的相關哈特曼波前傳感器國內外研究進展 113
5.2 相關哈特曼波前傳感器的波前探測原理 116
5.3 基于擴展目標的相關哈特曼波前傳感器的相關算法 117
5.3.1 平方差算法 118
5.3.2 互相關因子算法 119
5.3.3 絕對差分算法與絕對差分平方算法 119
5.3.4 頻域中的相關算法 120
5.4互 相關因子算法位移測量誤差分析 121
5.4.1 互相關因子算法測量誤差公式理論推導 122
5.4.2 任意采樣條件下的測量誤差公式 126
參考文獻 131
第6章 基于光場相機的波前傳感器 134
6.1 光場相機波前傳感器的發展歷程 134
6.2 光場相機波前傳感器的基本結構與成像原理 135
6.2.1 光場相機波前傳感器的基本結構 135
6.2.2 光場的四維表示 135
6.2.3 光場相機波前傳感器的成像原理 136
6.2.4 光場相機波前傳感器的波前復原理論 139
6.3 光場相機波前傳感器與哈特曼波前傳感器的波前探測對比 141
參考文獻 144
第7章 基于光纖激光相控陣的哈特曼波前探測方法 147
7.1 分布式孔徑與光纖激光相干合成 147
7.1.1分 布式孔徑光纖激光相控陣技術簡介 147
7.1.2 分布式孔徑光纖激光相控陣的激光傳輸和波前操控機理 151
7.2 基于光纖耦合的分布式孔徑哈特曼波前像差探測 153
7.2.1 基于光纖耦合的分布式孔徑像差探測原理 153
7.2.2 分布式孔徑對模擬湍流像差探測 159
7.3 分布式孔徑哈特曼波前探測實驗驗證 165
7.3.1 實驗裝置 165
7.3.2 實驗結果及分析 167
7.4 基于分布式孔徑哈特曼波前探測的像差校正 172
7.4.1 基于分布式孔徑哈特曼波前探測的像差校正工作原理 172
7.4.2 實驗裝置 175
7.4.3 實驗結果及分析 176
參考文獻 181
第8章 基于哈特曼波前傳感器的應用 184
8.1 哈特曼波前傳感器在自適應光學中的應用 184
8.1.1 自適應光學的基本概念 184
8.1.2 大氣湍流相關概念 190
8.1.3 哈特曼測量大氣湍流原理及測量精度計算 196
8.1.4 實驗系統原理 198
8.2 哈特曼波前傳感器在人眼像差中的應用 199
8.2.1 人眼像差檢測原理與方法 199
8.2.2 哈特曼波前傳感器在人眼像差檢測中的研究 202
8.3 哈特曼波前傳感器在鏡片面形檢測中的應用 206
8.3.1 哈特曼掃描拼接檢測平面鏡原理 206
8.3.2 哈特曼法非零位檢測旋轉對稱非球面反射鏡 207
8.4 哈特曼波前傳感器在非制冷光力學紅外成像系統中的應用 214
8.4.1 非制冷光力學紅外成像原理 214
8.4.2 系統性能分析 216
8.4.3 實驗結果及分析 219
參考文獻 222
第9章 基于哈特曼波前傳感器的開發實例 224
9.1 基于哈特曼波前傳感器的面形檢測系統設計 224
9.1.1 主要功能與設計指標 224
9.1.2 結構設計 224
9.1.3 分系統設計說明 225
9.1.4 探測精度檢測 228
9.2 基于哈特曼波前傳感器的自適應光學高分辨率成像系統 231
9.2.1 自適應光學系統組成 231
9.2.2 自適應光學系統功能 232
9.2.3 自適應光學系統設計方案 233
9.2.4 高階校正子系統設計方案 237
9.2.5 AO操控子系統設計方案 246
9.2.6 高分辨率成像探測自適應光學樣機及實驗結果 247
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哈特曼波前探測技術及其應用 節選
第1章緒論 1.1波前像差理論 光學系統的像差以幾何光學和波動光學為基礎進行描述。幾何像差以光線經過光學系統的實際光路相對于理想光路的偏差來描述，從而評價成像系統像質的優劣。但光線本身是抽象的近似概念，像質評價的問題常需要基于光的波動本質才能解決，幾何光學的光線相當于波動光學中波陣面（波前）的法線。 對于實際的光學系統，由于像差的存在，經光學系統形成的波面已不是理想波面，這種實際波面與理想波面的偏差稱為波前像差。波前像差通常由實際波面到像方參考點的光程減去理想波面到同一參考點的光程來度量。 1.1.1初級像差理論 實際光學系統不可能對物體理想成像，光學系統的成像缺陷用像差來衡量。幾何像差法和波像差法均可用于衡量光學系統內的成像缺陷，兩者之間也存在一定的映射關系。其中幾何像差法具有簡單、直觀的優點，但僅由幾何光線的密集程度來評價像質的優劣，有時與實際情況并不符合。像質評價和像差容限問題常須基于光的波動本質才能解決[1]。 1.1.1.1幾何像差法 幾何像差法以高斯光學為基礎，以光學系統出射光線相對高斯像的偏離來衡量光學系統的成像缺陷。單色波成像時，根據像差對像面缺陷的影響方式不同，分為五種單色像差：球差、彗差、像散、場曲和畸變，初級單色像差可以用Seidel系數來表示。復色波成像時還有位置色差和倍率色差。光學系統中同時存在各種像差，它們共同影響光學系統的成像性能。 計算光學系統的初級像差，需要對**近軸光線和第二近軸光線進行追跡，然后逐面計算像差分布系數。為了通過近軸光線的光路計算來校正像差，需要把初級像差表示成結構參數的函數，根據初級像差和結構參數之間的關系建立一系列像差方程式，然后求解這些像差方程式，得到滿足像差要求的初始結構參數。有的像差只和透鏡的光焦度、透鏡間隔、光線入射高度等外部參數有關，有的像差還和透鏡的曲率半徑、材料的折射率等內部參數有關。光學系統初級像差的計算如公式（1.1）～（1.5）所示。 （1.1） （1.2） （1.3） （1.4） （1.5） 2nui其中，δL0′表示初級球差，KS0表示初級弧矢彗差，x′sp表示初級像散，x′p表示初級像面彎曲，δy′p表示初級畸變，n是物空間折射率，n′是透鏡的折射率，u是物方傾斜角，u′是像方傾斜角，SⅠ表示初級球差分布系數，SⅡ表示初級弧矢彗差分布系數，SⅢ表示初級像散分布系數，SⅣ表示初級像面彎曲分布系數，SⅤ表示初級畸變分布系數，l是物方截距，i是入射光線與法線的夾角，i′是折射光線與法線的夾角，r是折射面的曲率半徑，J是拉赫不變量。 以透鏡的球差為例，圖1.1是球差示意圖，邊緣光線和光軸交于點A′，近軸光線和光軸交于點A，O是折射球面的頂點，C是折射球面的曲率中心，h是光線在折射面上的入射高0度，l′是像方截距。單個折射球面的球差是點A′與點A0之間的距離δL0′，單個薄透鏡的初級球差是前后兩個折射球面的球差和： （1.6） 根據幾何光學知識可得 （1.7） （1.8） （1.9） 其中，Q是近軸光纖的阿貝不變量。由此，單個薄透鏡初級球差系數SⅠ可以表示為 （1.10） 所以單個薄透鏡初級球差可以表示為 （1.11） 根據初級球差要求，可以由公式（1.11）求解單透鏡的初始結構參數，由于沒有考慮高級像差的影響，且把透鏡當作薄透鏡，所以只能獲得近似解，這個解的近似程度和系統孔徑有關。 1.1.1.2波像差法 波像差法以波動光學為基礎，以像空間的實際成像波面相對于理想球面波的偏離來衡量光學系統的成像缺陷。如圖1.2所示，通常在光學系統出瞳處研究波像差。Wsp表示理想的球面波，Wab表示實際發生畸變的波面。波像差W(x，y)定義為實際波面與理想波面沿著半徑R方向的光程差（optical path difference，OPD），在直角坐標系中表示為 （1.12） 其中，x為出瞳平面的橫坐標，y為出瞳平面的縱坐標。 波像差通常用兩種多項式來描述。一種是光學設計者常用的Seidel多項式，另一種是光學測試者常用的Zernike多項式。Zernike系數和Seidel系數之間存在聯系，可相互推導。 1）Seidel多項式 考慮五種單色波像差，用Seidel多項式表示的波像差公式[2]如下所示： （1.13） 如圖1.3所示，ρ是出瞳處經過歸一化的徑向坐標，θ是出瞳處徑向坐標按照逆時針方向和y軸的夾角，H是像平面的歸一化像高，Wijk是波像差系數。出瞳處的徑向坐標除以出瞳半徑就可得到歸一化徑向坐標，像平面上某一像點的物理像高除以像的*大半徑就可得到歸一化像高。 當i+j=4時，Wijk對應五種Seidel波像差系數，即球差系數W040、彗差系數W131、像散系數W222、場曲系數W220和畸變系數W311，同時W020表示離焦系數。 （1.14） 對于薄透鏡而言，兩個表面的入射光線高度和出射光線高度是一樣的，所以薄透鏡球差系數W040[3]可以表示為 （1.15） 其中，.表示光焦度；h表示入射光線和出射光線的高度；D表示入瞳直徑；F#表示光學系統的F數；表示透鏡結構系數。在結構系數的表達式中，a、b、c和d是只與折射率有關的常值，X是和薄透鏡兩個表面曲率有關的量，Y是和系統放大率有關的量。如果保持F數不變，將透鏡的尺寸縮放M倍，則結構系數可以看作是不變的常數。 2）Zernike多項式光學系統像差、大氣湍流像差等靜態和動態的波前像差都可以用Zernike多項式來描述。Zernike多項式是由荷蘭科學家Frederick Zernike在20世紀提出的，之后經過完善用來描述波前像差。Zernike多項式中每項有明確的像差物理意義，并且在圓域內相互正交。Zernike多項式的上述特性使其成為目前應用*廣泛的光學波前像差的描述方法。該多項式序列在單位圓內完備正交，而極坐標在描述圓域空間時比較方便。以下關于Zernike多項式的描述均在極坐標下進行，如果使用前J階Zernike多項式描述波前Wzρθ，則其可表述為 （1.16） 式中，aj為第j階Zernike多項式的系數。其表示形式為 （1.17） 式中，0≤ρ1，0≤θ≤2π；徑向頻率數n和角向頻率數m應滿足m≤n，且m-n為偶數；j為多項式項數；滿足 （1.18） Zernike多項式的正交性意味著當內積在單位圓上執行時，任何不同階數Zernike多項式之間的內積都為零，本身內積為1，即 （1.19） 表1.1和表1.2分別為前36項Zernike正交多項式的表達式和前65階Zernike模式的二維圖。
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