传输型详查相机微小自适应光学系统研究

论文摘要

自适应光学可以用来校正波前畸变对望远镜的影响,获得接近衍射极限的成像;也可以用于激光的有效传输,获得极大的激光能量输出,因此获得了越来越多的关注,目前自适应光学系统已经成为大型天文望远镜的标准配置。上世纪末MEMS技术出现,自适应光学借着MEMS技术获得了新的发展,基于MEMS技术的自适应光学系统具有低功耗、小体积等等独特优点,在星载相机、望远镜系统、激光核聚变、空间光调制器、眼科视网膜自动检查仪等等军用、民用项目中获得广泛的应用,对其进行研究不仅具有很好的市场前景,而且是国防现代化的必然要求。它的研制在国际上仍处于起步阶段,同时在国内并没有在星载成像系统领域中展开自适应光学系统的研究,所以在国内首家提出并开展基于MEMS-DMs的星载自适应光学系统实验平台研发,保持了与国际研发的步调一致。围绕自适应光学系统的理论、结构、模拟和实验开展了一系列系统、深入的研究工作。首先系统地介绍了自适应光学的起源、研究现状和发展趋势,对国内外研究工作进行调研和总结。由于Zernike多项式在自适应光学系统中应用广泛,具有多种不同的表述形式,为了避免错误的使用,介绍了项目中使用的Zernike多项式的定义、性质,以及波前的Zernike分解方法和波前的评价标准,为之后的讨论奠定数学基础。首次引入数字图像处理中的矩技术,对即将送入波前重构计算的CCD数据进行预处理,从而提高整个自适应光学系统的鲁棒性:利用Zernike矩的旋转不变性,减小波前传感器装配时径向对准带来的误差,降低器件的装配精度要求;利用Zernike矩的噪声不敏感特性,提高波前探测器的抗噪能力。一般地,一个自适应光学系统主要由波前探测器、波前校正器和波前重构三个部分改成。系统地讲解、分析了这三个部分中各种传统、新兴方案的原理,并比较其异同,对构造一个完整的闭环自适应光学系统提供指导。特别地,详细论述了使用基于Zernike多项式的模式法重构波前的算法、多项式项数的选取原则。通过软件模拟哈特曼波前-夏克探测器和模式法波前重构,验证了算法选取的有效性,程序的正确性。对项目使用的Φ25mm、37电极MEMS-DMs的相关参数进行测试,获取了联系电极电压与镜面变形的影响函数矩阵,为实现自适应光学系统实验平台做好充分准备。最后在前面各章节的基础上,实现了一个自适应光学系统实验平台,并对其开环、闭环性能进行实测,测试了系统对畸变波前的校正能力和对成像质量的改善作用。测试结果表明,该自适应光学系统能够将畸变波前校正为预设的目标波前,极大地提高望远镜成像系统的斯特列尔比,改善成像质量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 自适应光学概述
• 1.1 引言
• 1.2 自适应光学系统研究的现状、前景和意义
• 1.3 课题的来源及其主要研究内容
• 1.4 本文的结构安排
• 2 Zernike 多项式和波前的Zernike 分解
• 2.1 Zernike 多项式
• 2.2 Zernike 多项式的性质
• 2.3 波前的Zernike 多项式分解
• 2.4 本章小结
• 3 数字图像的矩
• 3.1 数字图像及数字图像处理技术
• 3.2 数字图像处理中的矩技术
• 3.3 数字图像的Zernike 矩
• 3.4 Zernike 矩的实验研究
• 3.5 Zernike 矩提高自适应光学系统鲁棒性的实验研究
• 3.6 实验研究结论
• 3.7 本章小结
• 4 波前传感器
• 4.1 波前传感器概述
• 4.2 光栅剪切干涉仪（SI）
• 4.3 曲率传感器（CS）
• 4.4 哈特曼波前传感器（HWS）
• 4.5 哈特曼－夏克波前传感器（HSWS）
• 4.6 金字塔传感器（PWFS）
• 4.7 微透镜阵列板
• 4.8 CCD 器件
• 4.9 本章小结
• 5 波前重构算法
• 5.1 区域法波前重构
• 5.2 模式法重构波前
• 5.3 解卷积重构图像
• 5.4 本章小结
• 6 波前校正器
• 6.1 波前校正器概述
• 6.2 MEMS-DMs 器件
• 6.3 MEMS-DMs 的参数测试
• 6.4 本章小结
• 7 自适应光学系统的模拟和实验研究
• 7.1 自适应光学系统的模拟研究
• 7.2 自适应光学系统的实验研究
• 7.3 本章小结
• 8 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录
• 附录2 主要源程序
• 附录3 项目验收意见