（光学专业论文）全光路像差校正自适应光学技术和双变形镜自适应光学技术研究.pdf

摘要 摘要 本文主要对全光路像差校正自适应光学技术和双变形镜自适应光学技术两方 面作了全面而系统的理论研究和实验验证。 自适应光学对光束大气传输波前畸变校正时，要求系统必须能同时校正激光束 自身像差和大气湍流扰动造成的像差，并且能够同时有效地克服出射系统的制造 误差、重力变形、光学元件工作过程的受热变形以及光路内部气体扰动的影响， 得到接近衍射极限的输出激光光束。常规自适应光学系统仅能有针对性地校正其 中一部分，而全光路像差校正自适应光学系统可以实现全光路像差的探测与校正。 全光路像差校正自适应光学技术与常规自适应光学技术相比，不仅具有全光路像 差校正的特点，而且可以提高系统的集成性和可靠性。 论文首先阐述了光波在介质中的传播规律，然后在此基础上，详细推导了全 光路像差校正自适应光学系统的工作过程，明确了出射信标经全系统校正后，到 达目标的是角锥棱镜阵列本身像差的远场光斑，这个像差是系统的原理性误差。 随后，提出了一套波前校正器全光路像差校正自适应光学系统和两套波前校正器 全光路像差校正自适应光学系统的两种工作方式，它们分别是：“使用两束标准平 行光分别标定共模哈特曼传感器”和“使用两种信标光之一的标准光标定共模哈 特曼传感器 。在“使用两束标准平行光分别标定共模哈特曼传感器”工作方式中， 全系统校正后到达目标的远场光斑与标定光的光束质量相关，在“使用两种信标 光之一的标准光标定共模哈特曼传感器 工作方式中，全系统校正后到达目标的 远场光斑与角锥棱镜阵列本身的像差相关。然后根据两种工作方式标定哈特曼传 感器的繁简程度，认为“使用两束标准平行光分别标定共模哈特曼传感器 是一 种耗时且耗力的工作方式，“使用两种信标光之的标准光标定共模哈特曼传感 器”可以在系统光路中随时对其标定，是一种节省时间的优选工作方式。因为全 系统校正后的残差与角锥棱镜阵列的像差有关，所以论文对角锥棱镜阵列的像差 进行了相应分析，认为影响角锥棱镜阵列像差的主要因素是综合角误差，这种综 合角误差将导致角锥棱镜阵列像差的高阶化，因此控制单个角锥棱镜的综合角误 差是减少角锥棱镜阵列像差的关键因素。论文从仿真和实验的角度，验证了对于 0 6 3 2 8l am 波长的系统，单个角锥棱镜的综合角误差在1 左右时，角锥棱镜阵列 摘要 的像差可以忽略不计。论文还分析了角锥棱镜阵列与哈特曼传感器的误差匹配问 题，认为角锥棱镜阵列与哈特曼传感器必须严格对准，才能保证哈特曼传感器探 测的准确性，从而保证系统校正的有效性。 除此之外，论文还从工程应用的角度，分析了一套波前校正器全光路像差校 正自适应光学系统和两套波前校正器全光路像差校正自适应光学系统采用的数据 融合方法，前者可以采用直接斜率数据差分融合方法，后者可以采用把两套波前 校正器探测的像差各自交给两套波前校正器校正的方法，不需要进行数据差分融 合。最后成功实现了全光路像差校正自适应光学系统的室内闭环实验。 论文研究的另一方面是双变形镜自适应光学技术。目前，在功率不断提高的 激光器、天文观测、人眼像差校正、惯性约束聚变( i n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n ) 等 领域，自适应光学要校正的像差可能同时包含大尺度低阶像差和小尺度高阶像差。 这些像差对变形反射镜提出了较高要求，要求变形反射镜需要同时具有大行程和 高空间频率两个特征。但是由于变形镜加工工艺等原因造成的物理限制，要求同 一个变形镜同时具有较大行程和高空间频率是非常苛刻的要求。因此论文采用了 双变形镜自适应光学技术，即在一套自适应光学系统中，采用两个变形镜对待校 正像差进行校正，其中的一个变形镜是大行程低空间频率变形反射镜，另一个是 高空间频率变形反射镜。 但是由于系统中存在的两个变形反射镜均具有校正像差的功能，如果两个变形 镜的解耦不好，可能造成校正过头或校正紊乱。因此论文提出了两种双变形镜的 解耦算法，分别是分离模式系数校正算法和限定校正算法，论文对这两种校正算 法均作了详细的理论推导和数值仿真；两种校正算法中，通过对离焦限定和像散 限定的仿真，证明两个变形镜可以各司其职，大行程变形镜可以只校正大行程的 低阶像差，高空间频率变形镜可以只校正除低阶像差以外的其他像差。最后，根 据实际变形反射镜的驱动器由于材料和加工等原因造成的响应不一致，论文进一 步作了详细的理论推导。最终用实验证明了系统中的两个变形反射镜可以按照期 望分别校正大的低阶像差和相对较小的高阶像差，同时也验证了系统的校正效果， 双变形镜自适应光学系统可以把大约1 0 6 倍衍射极限的开环远场光斑校正到4 8 倍衍射极限，这与采用双变形镜自适应光学系统中的高空间频率变形镜的常规自 适应光学系统的校正效果相当。 关键词：自适应光学，全光路像差校正，角锥棱镜阵列，双变形反射镜，大行程， 高空间频率 a b s t r a c t a bs t r a c t t h ep r i n c i p l ea n dw o r k i n g so ft h ea d a p t i v eo p t i c ss y s t e mf o ra l lp a t ha b e r r a t i o n c o r r e c t i o na n dt h ed o u b l ed e f o r m a b l em i r r o r s ( d m s ) a d a p t i v eo p t i c ss y s t e ma r es t u d i e d t h e o r e t i c a l l y , n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a r ea l s oc o n d u c t e di nt h i s d i s s e r t a t i o n a d a p t i v eo p t i c sg u a r a n t e e s t h eb e a m q u a l i t y o fl a s e r p r o j e c t i n gs y s t e m ， a t m o s p h e r i ct u r b u l e n c ec o m p e n s a t i o n ，c o r r e c t i o no fa n yd i s t u r b a n c ea n df a b r i c a t i o n e r r o r b u tc o n v e n t i o n a la d a p t i v eo p t i c ss y s t e mc a no n l yc o r r e c t i o no n eo ft h e m t h e a d a p t i v eo p t i c ss y s t e mf o ra l lp a t ha b e r r a t i o nc o r r e c t i o ni st h en e ww a y t of u l f i l lt h e c o r r e c t i o no f t h e ma 1 1 t h ea d a p t i v eo p t i c ss y s t e mf o ra l lp a t ha b e r r a t i o nc o r r e c t i o ni san e wd i r e c t i o no f a d a p t i v eo p t i c st e c h n o l o g y a p a r tf r o mt h e a l lp a t ha b e r r a t i o nc o r r e c t i o n ，h i g h l y i n t e g r a t i o na n dr e l i a b i l i t yl i e i n t h i ss y s t e m b a s e do nt h ep r e v i o u s r e s e a r c h ，t h e p r i n c i p l e ，e r r o rr e s u l t i n gf r o mt h ep r i n c i p l ea n dw o r k i n g so f t h ea d a p t i v eo p t i c ss y s t e m f o ra l lp a t ha b e r r a t i o nc o r r e c t i o na r ed e e p l ys t u d i e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fw a v e f r o n tp r o p a g a t i n gi no p t i c sm e d i u m ，t h ep r i n c i p l e o ft h ea d a p t i v eo p t i c ss y s t e mf o ra l l p a t ha b e r r a t i o nc o r r e c t i o nw a sa n a l y z e di nd e t a i l ， a n dt h ep r i n c i p l ee r r o ro ft h i ss y s t e mw a sc l e a r , w h i c hi st h a tt h ea b e r r a t i o no na i mi s t h ea b e r r a t i o no ft h er e t r o r e f i e c t o ra r r a y b a s e do nt h ep r i n c i p l ea n dt h ep r i n c i p l ee r r o r o ft h i ss y s t e m ，t w ok i n d so fw o r k i n g so fa d a p t i v eo p t i c sf o ra l lp a t ha b e r r a t i o n c o r r e c t i o na r ep r o p o s e d ，o n ei sc a l i b r a i t i n gt w ow a v e f r o n ts e n s o r su s i n gt w on o r m a l p a r a l l e lb e a mr e s p e c t i v e l y , t h eo t h e ri sc a l i b r a t i n gt w ow a v e f r o n ts e n s o r su s i n go n eo f t w on o r m a lp a r a l l e lb e a m w h i l eu s i n gt h ef i r s tw o r k i n g ，t h ef a r f i e l do na i mi st h e a b e r r a t i o no ft h en o r m a lp a r a l l e lb e a ma f t e ra d a p t i v eo p t i c sc o r r e c tt h ea b e r r a t i o n w h i l eu s i n gt h es e c o n dw o r k i n g , t h ef a r f i e l do na i mi st h e t h ea b e e r a t i o no ft h e r e t r o r e f l e c t o r a r r a ya f t e ra d a p t i v eo p t i c sc o r r e c tt h ea b e r r a t i o n a c c o r d i n g t ot h e o p e r a t i o no ft w ow o r k i n g ，w et h i n kt h a tt h es e c o n dw o r d i n g i st h eb e s tm e t h o d t h er e s i d u a le r r o ra f t e rt h ea d a p t i v eo p t i c sc o r r e c tt h ea b e r r a t i o ni sc o n n e c t e dw i t h t h ea b e r r a t i o no ft h er e t r o r e f l e c t o ra r r a y , s ot h e a b e r r a t i o nw a sa n a l y z e di nt h i s d i s s e r t a t i o n t h em a i nf a c t o ro fa b e r r a t i o no ft h er e t r o r e f l e c t o ra r r a yi st h ea l la n g l e e r r o r , w h i c hw i l lm a k et h ea b e r r a t i o no ft h er e t r o r e f l e c t o ra r r a yb eh i g ho r d e r i no r d e r i i a b s t r a c t t or e d u c et h ea b e r r t i o no ft h er e t r o r e f l e c t o ra r r a y , w em u s tc o n t r o lt h ea l la n g l ee r r o ro f t h es i n g l er e t r o r e f l e c t o r i nt h i sd i s s e r t a t i o ns i m u l a t i o na n de x p e r i m e n to ft h ea b e r r a t i o n o ft h er e t r o r e f l e c t o ra r r a yw e r ea c h i v e d t h er e s u l ti n d i c a t e sw h i l et h ea l la n g l ee r r o ro f t h es i n g l er e t r o r e f l e c t o ri s1 ”，t h ea b e r r a t i o no ft h er e t r o r e f l e c t o ra r r a yc a nb en e g l e c t e d m e a n w h i l et h ee r r o rm a t c h i n gb e t w e e nt h er e t r o r e f l e e t o ra r r a ya n dw a v e f r o n t s e n s o rw a sa n a l y z e di nt h i sd i s s e r t a t i o n i no r d e rt og u a r a n t e et h ep r e c i s i o no ft h e w v e f r o n ts e n s o rd e t e c t i n gw a v e f r o n ta n dt h ee f f e c to ft h es y s t e m ，t h ee r r o rm u s tb ez e r o b e t w e e nt h er e t r o r e f l e c t o ra r r a ya n dw a v e f r o n ts e n s o r t h e nt h ed a t af u s i o nm e t h o d sf o rs i n g l ew a v e f r o n tc o r r e c t o ra os y s t e ma n dd o u b l e w a v e f r o n tc o l t e c t o r sa os y s t e ma r ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h e d i r e c t i o ns l o p ed a t af u s i o nc a nb eu s ei nt h es i n g l ew a v e f r o n tc o r r e c t o ra os y s t e mf o r a l l p a t ha b e r r a t i o nc o r r e c t i o n ，a n dt h ed a t af u s i o nc a nn o tb eu s ei nt w ow a v e f r o n t c o r r e c t o r sa os y s t e mf o ra l l p a t ha b e r r a t i o nc o r r e c t i o n a tl a s tac l o s e l o o pe x p e r i m e n t o ft h es y s t e mi sr e a l i z e ds u c c e s s f u l l y n o wi nm a n yf i e l d s ，s u c ha sh i g hp o w e rl a s e r , c o r r e c t i o no fa b e r r a t i o no fh u m a n b e i n g se y e s ，a n di n c 强 t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n ( i c f ) ，l a r g es c a l el o wo r d e ra b e r r a t i o n a n ds m a l ls c a l eh i g ho r d e ra b e r r a t i o nm a yl i ei nt h ea b e r r a t i o nt ob ec o r r e c t e db y a d a p t i v eo p t i c ss y s t e ms i m u l t a n e o u s l y t h i sk i n do fa b e r r a t i o nr e q u i r e st h ed e f o r m a b l e m i r r o ri na d a p t i v eo p t i c sh a v el a r g es t r o k ea n dh i g hs p a t i a lf r e q u e n c ys i m u l t a n e o u s l y b u ti ti sv e r yd i f f i c u l tt h a tt h et h ed e f o r m a b l em i r r o ri na d a p t i v eo p t i c sh a v el a r g es t r o k e a n dh i 曲s p a t i a lf r e q u e n c ys i m u l t a n e o u s l y s od o u b l ed m s a d a p t i v eo p t i c st e c h n o l o g y w a sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，i nw h i c ho n ed m ss t r o k ei sl a r g ea n da n o t h e r s s p a t i a lf r e q u e n c yi sh i 曲d o u b l ed m sa d a p t i v eo p t i c st e c h n o l o g ya i m st oc o r r e c tt h e a b e r r a t i o nw i t hl a r g es c a l el o wo r d e ra b e r r a t i o na n ds m a l ls c a l eh i 曲o r d e ra b e r r a t i o n s i m u l t a n e o u s l yi ti sn o tn e c e s s a r yt h a tt h e r ea r el a r g es t r o k ea n dh i 曲s p a t i a lf r e q u e n c y i ns i n g l ed m t w ok i n d so fd e c o u p l i n ga l g o r i t h mo ft w od m s ，t h a ti ss e p a r a t i n gm o d e l c o e f f i c i e n tc o r r e c t i o na l g o r i t h ma n dc o n f i n e dc o r r e c t i o na l g o r i t h m ，a r ep r e s e n t e d t w o k i n d so fa l g o r i t h m sa r ed e d u c e di nd e t a i l ，a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sg l v e d d e f o c u s l i m i t a t i o na n da s t i g m a t i s ml i m i t a t i o ni nc o n f i n e dc o r r e c t i o na l g o r i t h ma r es i m u l a t e d r e s p e c t i v e l y a tl a s te x p e r i m e n t sw e r ea c h i v e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h er e s u l ti n d i c a t e s t h a tt w od e f o r m a b l em i r r o r sc a l lc o r r e c tt h el a r g es c a l el o wo r d e ra b e r r a t i o na n dh i g h o r d e ra b e r r a t i o nr e s p e c t i v e l y 1 v a b s t r a c t k e yw o r d s ：a d a p t i v eo p t i c s ，a l lp a t ha b e r r a t i o nc o r r e c t i o n , t h er e t r o r e f l e c t o ra r r a y , d o u b l ed e f o r m a b l em i r r o r s ，l a r g es c a l es t r o k e ，h i 曲s p a t i a lf r e q u e n c y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：竭塑 叁一 日期： 厶弩年三月2 口日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：盟西乏导师签 日期： 第一章前言 第一章前言 在透过大气的高分辨率成像光学系统，以及高质量的激光大气传输光学系统 中，大气湍流造成的光学波前随机畸变、光学系统内部和外部的各种静态像差和 动态像差极大的降低了光学系统的成像质量或传输光束的光束质量。天文观测是 透过大气成像的典型光学。大约四百年前，当伽利略用他的望远镜首次发现木星 时，其使用的望远镜口径只有4 4 c m ，而且透镜的质量很差，无法分辨小于1 0 ”的 细节。如果伽利略望远镜的透镜质量十分好，而且观测的大气宁静度很好，那么， 他使用的4 4 e m 的望远镜的理论分辨率可达到3 ”。根据物理光掣l 】我们知道，光 学系统的分辨能力反比于它的口径，也就是说，口径越大，其观测能力越强，但 是在过去的几百年间，使用大口径望远镜观测的遥远目标仍然与小口径望远镜的 目标的清晰度差别不大。这是因为在目标与观测望远镜之间的地球大气湍流严重 地影响了望远镜的成像质量，使观测质量严重退化【2 3 】。 不仅大气湍流影响了光学系统的成像质量，而且，在大口径光学系统内存在的 镜面加工误差，光学系统的结构晃动、受热变形等引起的慢变化的波前像差等因 素也同样对其成像质量有较大影响。虽然这些因素可以通过光学设计、加工或装 校来减低其影响，或者保持光学系统处于恒温状态下工作来改善温度变化的影响， 或者通过减轻光学系统自身重量来改善重力变换的影响，但是对于光学系统内部 和外部的动态扰动像差、地球大气等介质造成的快速随机像差，则没有相应的办 法，最多只能通过选择在宁静的大气环境下工作。 在自适应光学技术出现之前的几百年间，这些困扰光学界的动态干扰一直是传 统光学技术无法根本消除的老问题。所以，自适应光学技术在克服传统光学技术 不能实时补偿影响光学成像质量误差的弱点下应运而生，并成为当前光学领域极 其活跃的前沿研究方向之一。例如在激光器的光束质量校正、大型天文望远镜高 高分辨率成像、惯性约束聚变( i c f ) 光束质量校正、人眼像差校正等领域，自适 应光学已经成为不可或缺的关键技术之一。 本章将对自适应光学的发展动态和发展概况进行简要介绍，然后介绍本文的研 究背景和研究内容。 电子科技大学博士学位论文 1 1 自适应光学的发展动态 自适应光学1 4 】( a d a p t i v eo p t i c s ) 是- - i 1 集科学性和工程性的综合学科，是研 究实时自动改善光波波前质量的理论、系统、技术和工程。它利用光电子技术实 时测量波前误差，用快速的电子系统计算和控制，用能动波前校正器件进行实时 波前校正，是改善成像系统的分辨能力和激光传输系统光束质量的有力保证。 自适应光学的发展可以概括为三个阶段：5 0 年代到7 0 年代概念的提出和原理 验证阶段，7 0 年代到8 0 年代末期的技术发展初期阶段，8 0 年代末期至现在的推 广应用阶段。目前，自适应光学技术在天文领域获得巨大发展并同时拓展到了工 业、医疗等其他领域。 自适应光学的概念和工作原理是上世纪5 0 年代初，由美国天文学家胡瑞斯拜 博库克【5 】( h w b a b o c o c k ) 在地基天文望远镜上校正由于大气湍流扰动所造成的光 学波前畸变提出来的。但是自适应光学所需的各方面技术均超越了当时技术所能 达到的极限，并且当时人们对大气湍流对光波波前相位扰动的影响尚不清楚。虽 然此方案一直未能付诸实施，但却成为自适应光学的开端。从上世纪5 0 年代起， 电子技术和自动控制技术得到了较大发展，在军事、科技、工业等领域引起了一 场技术革命，发生了许多具有里程碑意义的重大科技实践。直到上世纪7 0 年代， 美国的某项计划中需要对空间目标进行精确观测，并且需要把高能激光在大气中 进行高效率传输，这些应用场合需要实时克服大气湍流对光学系统的影响。这种 需要与天文学家的想法不谋而合。在相关理论技术和其他支撑技术相对成熟的基 础上，上世纪7 0 年代初第一套自适应光学实时大气补偿系统诞生后，该领域受到 了高度的重视和关注。由于自适应光学在空间监测和激光能量传输方面的巨大应 用潜力，美国开始投入大量资金，自适应光学技术在美国得以迅速发展1 6 ，7 】。上世 纪8 0 年代末期至现在，自适应光学技术得到了更广泛的推广应用哺j 。目前，自适 应光学技术在天文研究、激光能量传输、卫星对地观测等领域中获得了巨大发展， 此外在激光核聚变、大型光学系统误差校正、光束整形、激光腔内像差校正、人 眼像差的检测与校正等其他许多方面都得到了较好的应用，并且，在通讯、遥感 以及激光相干层析等方面的应用也得到了积极研究。正是因为自适应光学技术的 应用领域不断扩展，随着光电技术、计算机技术、电子技术等相关技术的快速发 展下，自适应光学技术也随之快速发展，并不断出现一些新理论、新技术，推动 自适应光学系统的组成结构不断发生变化。 2 第一章前言 1 2 自适应光学的基本工作原理 自适应光学的基本原理是对光场相位进行共轭( p h a s ec o n j u g a t i o n ) 【9 】的补偿技 术。对于存在相位误差的光场巨= i e l e ，自适应光学系统产生一个与之相位共轭 的光场最= l e l e i # ，两个光场叠加的结果就是相位误差被补偿掉了。根据光学原理， 没有相位误差的平面波的成像质量将达到光学系统的衍射极限。自适应光学技术 是采用波前传感器实时测量入射光的位相、波前校正器实时补偿入射光的波前像 差，使入射光经波前校正器后输出平面波。校正式自适应光学系统有多种结构形 式，但从实时相位补偿的基本原理上看，由三部分组成：波前探测、波前控制、 波前校正，系统的基本组成结构如图1 1 所示。 图1 - 1 校正式自适应光学系统结构示意图 1 3 自适应光学系统的基本组成 自适应光学技术可以对动态、静态像差进行探测和校正，它是采用传感技术跟 踪测量波前像差，并通过控制执行校正元件校正波前像差的，所以，自适应光学 系统是一个主要由波前传感器、波前校正器，以及波前处理机组成的反馈闭环伺 服控制系统【l 0 1 。 完整的自适应光学系统【1 1 1 2 】一般由波前探测、波前校正、波前复原和控制运 算等三个部分组成。由于哈特曼波前传感器具有实时性和稳定性好的优点，自适 应光学系统一般采用这种传感器测量波前；波前校正部分使用高速倾斜反射镜和 变形反射镜【l3 1 4 】作为波前校正器，其中的倾斜反射镜可以使反射镜产生整体倾斜， 在系统中起着校正倾斜像差的作用，而变形反射镜在工作时整个镜面可以主动实 时改变，是自适应光学系统中的核心器件。波前控制部分是系统的灵魂，从哈特 3 电子科技大学博士学位论文 曼传感器探测到波前的子光斑信息到波前校正器控制信号的给出都是在波前控制 部分进行运算的，所以，为了满足系统的校正要求，波前处理机的运算速度有非 常高的要求。哈特曼传感器、波前校正器和波前处理机构成闭环反馈控制系统。 在不同的应用领域，自适应光学研究的侧重点各有不同，比如大气校正自适应 光学系统是对湍流引起的波前像差进行校正的，由于像差实时变化的特点，闭环 控制带宽和像差校正能力需同时满足一定的技术指标才能达到期望的校正效果。 同样，对激光输出光束像差校正的自适应光学系统是对激光的输出波前进行校正 的，由于激光输出过程中，激光光束受增益介质、所经光路的热变形、光路通道 像差等影响也一样会引起光束像差的实时变化，所以，也同样对自适应光学系统 的控制带宽和像差校正能力提出了较高要求。许多研究工作者对系统的闭环带宽、 像差校正能力对系统校正效果的影响等方面进行了深入研究【l5 1 6 】0 除此之外，文 献【1 7 】通过分析哈特曼传感器子孔径与变形反射镜驱动器布局匹配关系以及对 z e m i k e 多项式表示的低阶像差拟合能力，研究了自适应光学系统的优化设计和像 差校正能力，并根据这一方法，分析、设计了自适应光学系统哈特曼传感器与变 形反射镜驱动器的优化布局等问题 1 8 ，1 9 】。 1 3 1 波前传感器 为了对不断变化的畸变波前进行校正，自适应光学系统必须对其进行实时探 测。自适应光学系统中对波前进行实时探测的部分称为波前传感器，是自适应光 学系统的重要组成部分。目前的波前传感器主要有：剪切干涉仪、哈特曼一夏克 波前传感器和波前曲率传感器【2 0 】等。剪切干涉波前传感技术是利用光栅衍射效应 产生的波前横向剪切干涉测量波前的相位分布。动态交变剪切干涉式波前传感器 以其高信噪比、可以在白光下工作、抗干扰能力强、可以方便调整灵敏度和动态 范围等优点，于7 0 年代成功实现了实时测定大气湍流造成的波前位相畸变，并用 于大气补偿成像，是早期自适应光学波前传感技术发展的成功实例。但是光能利 用率低、结构繁琐和不适用于激光导引星等缺点又限制了它的应用范围。波前曲 率探测器是一种只适用于低阶像差模式的波前传感技术，它是通过测量离焦面上 的光强分布求得波前的曲率和位相分布，以波前曲率( 标量) 测量代替传统的波 前斜率测量。由于波前曲率的分布与位相分布的联系和自适应光学中变形镜的控 制信号与镜面变形量的关系都可以用泊松方程表示，因此曲率探测器的信号可直 接用于变形镜的控制，从而节省计算的时间，这一点对自适应光学至关重要。但 对高阶像差曲率探测器的测量精度较低，使得它的应用受到了限制。 4 第一章前言 在自适应光学系统中广泛采用的是哈特曼一夏克波前传感器，基本原理如错 误! 未找到引用源。2 所示。它由孔径分割元件( 一般采用微透镜阵列【2 1 1 ) 、匹配 透镜和c c d 相机组成，通过测量阵列透镜焦面上畸变波前所成像光斑的质心坐标 位置与参考波前质心位置之差，根据简单的几何光学关系求出畸变波前上被各阵 列透镜分割的子孔径范围内波前的平均斜率，从而最终求得全孔径波前的相位分 布。 光斑位置偏移量定义为光斑质心偏移，光斑质心坐标( x c ，y o ) 的计算公式为： 五厶y ，毛 t 2 前c 。前 q 。1 其中：x i ，y i 为c c d 靶面上该子孔径内第( i ，j ) 个像素的坐标；i i j 为该像素接受 到的光强信号。 哈特曼一夏克波前传感器由于具有结构紧凑、实时性好、抗干扰能力强、光能 利用率高、测量动态范围大等优点【2 2 1 ，已经成为自适应光学系统中波前传感器的 主要形式 2 3 ，2 4 1 。如在天文观测和激光大气传输中的波前像差测量校正【2 5 ，2 6 1 、激光 光束控制2 7 ，2 8 1 、人眼眼底成像【2 9 ，3 0 1 、激光通讯【3 l 】、光纤耦合控制【3 2 】等领域有广泛 应用。 i n o d f i l l f w a v e f r o n f m i c r o t e n s a r r a y 1 3 2 波前校正器 图1 2h a r t m a 皿s h a c k 波前传感器工作原理 波前校正器包含高速倾斜反射镜和变形反射镜，它们是自适应光学波前校正的 5 e owad，w0 口 印叫0 电子科技大学博士学位论文 执行元件，可以将波前控制器提供的控制信号转变为波前相位变化，以校正光波 波前畸变，是自适应光学系统的核心。高速倾斜反射镜可以使反射镜产生整体倾 斜，在自适应光学系统中是校正倾斜误差的波前校正器。而变形反射镜在静止时 完全具有普通反射镜的性能，在工作时其镜面可以实时可控的改变，是自适应光 学系统中必不可少的关键器件之一。 1 3 2 1 高速倾斜反射镜 高速倾斜反射镜( 简称倾斜镜) 的功能是使反射镜产生整体倾斜，以使光束到 达方向产生变化，是高精度光学跟踪的重要元件畔】。错误l 未找到引用源。3 ( a ) 所示的是倾斜反射镜结构示意图。其反射镜由驱动器支撑在基板上，其驱动器一 般呈直角排列，可以推动反射镜在两个方向进行正反转动。这种器件要求有毫秒 级的响应速度和十分之一角秒的角分辨率，由于一般的机电结构满足不了这种要 求，所以采用压电陶瓷( p z t ) 驱动器。高速倾斜镜在高精度光学跟踪、光束稳定、 激光通讯等领域中都是关键器件，具有非常广泛的用途和应用前景。 ( a )c o ) 图1 - 3 倾斜反射镜与变形反射镜的工作原理 ( a ) 倾斜镜的工作原理( b ) 变形反射镜的工作原理 1 3 2 2 变形反射镜 变形反射镜是自适应光学系统中的核心器件，它不仅在静止时具有普通反射镜 的性能，而且在工作时整个镜面可以主动实时改变。变形镜的分类很多3 3 1 ，但均 要求镜面与待校正畸变波前间适配误差小、工作带宽高、自然谐振频率高以及有 一定要求的波前校正动态范围。目前最常使用的变形反射镜是采用玻璃表面材料 和压电陶瓷驱动器构成的连续表面分立驱动器结构，如错误l 未找到引用源。3 0 , ) 所示。 针对不同的校正对象，可以选择和设计变形反射镜的驱动器数目，这些驱动器 按照一定规律粘结到表面材料上。驱动器的数目可以从几十到几百不等。驱动器 6 第一章前言 数量较少的变形反射镜，对像差的拟合能力不如驱动器数量较多的变形反射镜【3 4 3 5 】。如果自适应光学系统校正的波前包含的像差以低阶像差为主，那么其驱动器数 目可以偏少，这种驱动器少的变形反射镜我们称之为低空间频率变形反射镜；如 果校正的波前包含较多的高阶像差，那么就应该根据需要设计成驱动器数目较多 的变形反射镜，这种变形反射镜我们称之为高空间频率变形反射镜。由于变形反 射镜的制作工艺复杂，其校正行程又主要受制作工艺限制，所以低空间频率变形 反射镜驱动器少，可以有相对较高的行程，而高空间频率变形反射镜由于驱动器 数量较多，驱动器间隔较小，其行程往往较小。但是不管是低空间频率变形反射 镜，还是高空间频率变形反射镜，当对各个驱动器施加不同电压时，都可以使变 形反射镜镜面产生不同的变形，从而在自适应光学系统中对畸变的波前产生相位 补偿作用。假设驱动器对电压的响应是线性的，那么变形镜镜面面形为： - 苎巳 ( z ，y ) = ：e r f ( x ，y ) ( 1 - 2 ) ，= 1 其中k 是第i 个驱动器的控制电压，r ，y ) 是第i 个驱动器施加单位控制电压后 对光束波前的影响函数，m 是变形反射镜的驱动器个数。对玻璃材料的力学分析 结果，以及干涉仪实际测量结果表明，变形镜驱动器的光学影响函数近似为高斯 或超高斯函数形式： r ( z ，y ) = e x p 卜1 1 1 烈( z 一五) 2 + ( y 一乃) 2 d ) 口】 ( 1 3 ) 其中，( t ，y ，) 是第i 个驱动器的位置，d 为驱动器的间距，口是高斯函数指数，c o 为驱动器交联值。交联值是指驱动器影响函数间距处的值与中心最大值的比。口和 国的大小与变形镜镜面材料的刚度、厚度和驱动器连接方式等有关。变形镜的驱 动器数目、布局和影响函数决定了其拟合各种像差的能力。 波前校正器件还有微机械变形镜3 7 1 、液晶空间光调制器件【3 8 ，3 9 3 和其他相位 共轭非线性光学晶体等。本文研究中的变形镜主要是连续表面分离驱动器变形反 射镜。 1 - 3 3 波前处理机 自适应光学系统中，哈特曼波前传感器测量待校正波前的畸变信息，波前处理 机把哈特曼波前传感器探测的波前畸变信息转化成波前校正器的控制信号，以实 7 电子科技大学博士学位论文 现自适应光学系统的闭环控制，主要完成波前处理和产生控制信号两个任务。在 这个过程中，波前处理机首先从子孔径光斑信息计算得到子孔径斜率信号，该信 号再经波前复原和波前控制计算，得到需要的波前校正器驱动器控制电压。 一般情况下，波前处理机需要有适当的带宽和增益，以使系统能够满足待校正 波前的校正要求和保持系统本身的稳定。系统的控制带宽受制于波前探测器c c d 的采样频率和处理机的运算速度。在c c d 的采样频率一定的情况下，为了提高系 统的控制带宽，必须提高波前处理机的运算速度，尽量减少系统延时，这就需要 运算速度非常快的专用计算机。 1 4 自适应光学技术的发展概况和研究应用 从上世纪7 0 年代开始，自适应光学首先被研制用于国防需要；9 0 年代后，自 适应光学的相关理论和单元技术日趋成熟，开始向民用领域拓展，以期获得社会 经济效益。目前的自适应光学技术正向大、小两个方向发展。某些应用领域，为 了追求更高的性能，投以巨资建立大型自适应光学系统；在另一些领域，又力求 以最小的成本获得一定性能、满足一定需要的小型自适应光学系统。 自适应光学的研究基础首先源于与天文学有关的大气湍流特性等问题。自适应 光学技术的主要目的是克服大气湍流对光学系统的影响【他4 1 1 ，用于对大气湍流扰 动所造成的光学波前畸变进行校正【4 2 1 。美国在7 0 年代研制出第一套实时大气补偿 成像实验系统【4 3 1 ，这个系统在3 0 0 米水平大气中进行了一系列大气湍流校正实验。 在验证了自适应光学的一些基本原理后，于1 9 7 7 年公布了自适应光学研究的第一 批研究成果，建立了自适应光学技术的许多基本概念，如变形镜、倾斜镜、波前 探测、波前复原、波前控制等【6 】。1 9 8 2 年在夏威夷毛伊岛光学观测站( a m o s ) 上， 安装了世界上第一台实用的1 6 米自适应光学望远镜，用于对空间目标的监测，在 这套系统上，进行了大气补偿实验( a c e ) 和短波长自适应光学技术( s w a t ) 实验 【删。除美国之外，8 0 年代末期，欧洲南方天文台( e s o ) 德法联合小组的c