变形镜简介
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高功率工业CO2激光器及其发展状况分析页数:15
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光学系统仿真软件Seelight在自适应光学上的应用
收稿 日期 ：２０１８－０１＿０９； 收到修改稿 日期 ：２０１８－０２—２８ 基金项 目：嗣家 ｆ１然科学基金资助项 目（６１５０５２７） 作者简介 ：孙￣（１９８０·）．男，博一Ｉ ，讲 师，主要从事 自适应 光学和光学系统仿真的研究 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｕｎｑｕａｎ８０３＠ １６３． ｃｏｍ 通信作者 ： ￣（１９７９一）．女．博 一Ｉ：．副研究 员 ，主要从事 自适应 ）匕学和空间 光学的研究 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｎｉｎｇｙｕ ０２０５＠１２６．ｃｏｍ
．
Ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａｎ ｅｆｅｃｔｉｖｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｏｏｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄｓ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ．ｗｅ ｉｎ ．
ｔｒｏｄｕｃｅ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｓｅｅｌｉｇｈｔ ｓｏｆ ｔｗａｒｅ，ｔｈｅ ｒｕｎｎｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｍｏｄｕｌｅｓ ｏｆ ｍｏｄｅＩ ｆｉｂｒａｒｉｅｓ ． Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ａｄａｐｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃｓ ｔｏ ｂｕｉｌｄ ａｄａｐｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ＰＺＴ ｄｅｆｏｒｍ ａｂｌｅ ， ｍｉｒｒｏｒ ｍｏｄｕｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ Ｈａｒｔｍａｎｎ ｗａｖｅｆｒｏｎｔ ｓｅｎｓｏｒ ｍｏｄｕｌｅ，ｗｈｉｃｈ ｉｍ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｂｅａｍ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｒ ｆｉｅｌｄ ｂｙ ｃｏｒ． ｒｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｗａｖｅｆｒｏｎｔ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ ｄｕｅ ｔｏ ｂｅａｍ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｔｈｒｏｕｇｈ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ Ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｅｆｅｃｔ ｏｆ ａｄａｐｔｉｖｅ ． ｏｐｔｉｃｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｉｔ ｉｓ ｃｌｅａｒ ｔｈａｔ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｒｅｓｉｄｕａＩ ｇｒｅａｔｌｙ ， ｌｎｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ．Ｔｈｅ Ｓｅｅｌｉｇｈｔ ｓｏｆ ｔｗａｒｅ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｖａｒｉｏｕｓ ｏｐｔｉｃａｌ
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反射望远镜
折轴望远镜是光线通过光学元件沿轴射出的望远镜。这种望远镜的焦点称为折轴焦点。各种装置型式（赤道 式﹑地平式等）的折射望远镜﹑反射望远镜﹑折反射望远镜都可以配置成折轴望远镜。
发展史
牛顿 詹姆斯·格雷果里
卡塞格林 威廉·赫歇尔
海尔 罗斯伯爵
现在
折射望远镜产生的像差，主要是因为光线通过透镜以后再聚焦而产生的，那么能不能不通过透镜折射后聚焦 而通过镜面的反射而聚焦成像呢?为此英国的物理学家、天文学家牛顿首先提出用一定形状的反射镜，也可以把平 行光线会聚在一起而聚焦成像。
1668年牛顿亲自动手磨制了一块凹球面镜。镜子材料选用合金(铜、锡、砷)，颜色为白色，镜面直径为2．5 厘米，镜筒为15厘米长的金属筒，在镜筒末端安装了物镜。当来自天体的平行光束，投射到物镜上，经过反射后 会聚到焦点处，然后可以看到天体的像。此焦点又称主焦点，在主焦点前安放一个小平面镜，使它与主轴光线之 间夹角为45°。把光线转向90°，然后在镜筒一侧聚焦成像，此焦点称为牛顿焦点。在牛顿焦点后安放目镜便可 以进行观测了，这是牛顿制作的第一架反射望远镜。这种望远镜外形上短粗矮胖，产生的物像可以被放大40倍。
19世纪中叶，制作反射望远镜口径最大的是英国天文学家罗斯伯爵，他出身贵族喜好天文，在1842年他开始 筹措制造口径184厘米的大反射望远镜，历经三年的磨制，从四次失败目前在天文观测中，反射望远镜已成为现 代天文观测的常用工具。世界上已建造口径在2米以上的反射望远镜有15台之多，超过5米口径以上的反射望远镜， 已有三台。最著名的是安装在美国帕洛马山的天文台内的508厘米反射望远镜。制造这架望远镜，曾经历了许多 风风雨雨。
在反射望远镜加工制造者中，最为突出的是英国天文学家威廉·赫歇尔(1738—1822年)。赫歇尔生于德国的 汉诺威，1757年迁居英国。起初在英国生活时，由于能吹一手好号，先是担任音乐教师，但他的兴趣很广泛，特 别渴望观测浩翰的宇宙、观测美丽的行星和神奇的恒星。他曾租了一架长60厘米的格雷果里式望远镜，对星空进 行观测，但效果不好。若要购置较好的望远镜，因为经济条件窘困又难以实现。于是赫歇尔下决心自己磨制望远 镜了。1772年，他把妹妹卡罗琳从汉诺威接到英国，照料他的生活，自己则专心投入磨镜子的工作。他磨制第一 块镜子时非常刻苦顽强，一天连续磨制好几个小时，有一次竟达16小时，连吃饭都顾不上，只好让妹妹给他喂饭 吃。凭着这种坚韧不拔的精神，终于磨制出了第一块直径为15厘米的反射镜，并制作了一架长2．1米，可放大40 倍的牛顿式反射望远镜。他用这架望远镜观看了猎户座大星云，并且清楚地观测到了土星光环。特别是在1781年 3月13日，赫歇尔在观测天体时，偶然在望远镜中看到的天体不是个光点而呈现出一个圆面。开始他认为发现了 新彗星，但进一步观测，发现这个天体像行星那样环绕太阳运动，以后证实这是一颗远离太阳28亿千米的新行星， 被命名为天王星。
什么是光的光学反射镜和光学棱镜
什么是光的光学反射镜和光学棱镜？光学反射镜和光学棱镜是光学器件中常见的两种类型，它们在光的传播、反射和折射过程中起着重要的作用。
下面将详细介绍光学反射镜和光学棱镜的原理、结构和应用。
一、光学反射镜1. 原理光学反射镜是利用反射现象实现光线的反射和调控的光学器件。
它由一片平面或曲面的反射介质构成，如玻璃、金属或光学涂层。
当入射光线碰到反射镜表面时，根据反射定律，光线会以相同的角度反射出去。
根据反射镜的形状和反射介质的不同，光学反射镜可以分为平面镜、球面镜、折射镜等。
2. 结构光学反射镜的结构根据其用途和设计需求而有所不同。
平面镜是最简单的光学反射镜，由一面光滑的平面反射介质构成。
球面镜则由一个或两个球面构成，可以实现光线的聚焦或发散。
折射镜由透明介质构成，利用光线在介质中的折射和反射来实现光的调控。
3. 应用光学反射镜在许多领域中都有广泛的应用。
其中最常见的应用是光学显微镜和望远镜中的反射镜，用于将入射光线反射到观察者的眼睛或光学器件上。
反射镜也被广泛应用于激光器、光纤通信、光学测量和光学传感等领域。
其中，激光反射镜可以实现激光的反射和调控，光纤反射镜用于光纤通信中的光信号的调制和解调。
二、光学棱镜1. 原理光学棱镜是利用折射现象实现光线的折射和调控的光学器件。
它由透明介质构成，如玻璃或水晶。
当入射光线从一个介质进入另一个介质时，光线会发生折射。
根据折射定律和棱镜的几何形状，光线的传播方向和角度可以被调控。
2. 结构光学棱镜的结构主要由两个或多个平面构成，通过透明介质的折射来实现光线的调控。
常见的光学棱镜有三棱镜、矩形棱镜、楔形棱镜等。
三棱镜是最简单的棱镜，由三个平面构成，可以将光线分散成不同的颜色。
矩形棱镜由两个平行的矩形面和两个斜面构成，可以改变光线的传播方向。
楔形棱镜的斜面不平行，可以实现光线的偏转和调制。
3. 应用光学棱镜在许多领域中都有重要的应用。
其中最常见的应用是光谱学中的光谱分析，通过棱镜将白光分散成不同的颜色，从而研究物质的光谱特性。
四大顶级望远镜知识荟萃
四大顶级望远镜知识荟萃》★（整理完毕）声明：以下文章属于个人收藏的资料分享，资料全部来源于互联网！本人不能保证帖子中介绍的所有知识都正确无误！请阅帖者辨证看待，仅作参考。
如有谬误和歧义，本人不承担任何责任，也不参与辨论（因为文章不是我写的），也请不要恣意指责（因为进行整理、上传图片、编辑帖子、格式等花了俺很多的精力、时间和辛勤劳动！！只是为了把自己收藏的知识集中起来方便大家参考使用,不想费力不讨好,换来一片指责声,给自己找不愉快!！）特此声明！望理解！谢谢！！另:由于资料是零散收集的,我也不知道原文作者的姓名，如果您是原文作者及图片的所有者，请您用站内短信联系我，如您同意在此转帖，我会将您的姓名注明于文章之前；如您不同意在此转帖，我会及时将帖子撤下，谢谢！！说明：以下四种望远镜的介绍顺序是依照本人的整理顺序排列，不具有任何先后排名的意义！！由于资料杂而乱，整理过程中难免出现错误，欢迎大家发现后指出，我会尽快修改！一、《四大顶级望远镜之一——德国LEICA（徕卡）望远镜篇》第一篇：《LEICA(徕卡)望远镜基础指南》放大倍率每一架双筒望远镜都有标有两个数字，第一个数字是指放大倍率。
它告诉我们通过望远镜观测时，被观测物能被拉近多少，例如使用8倍放大倍率的望远镜，可以让一只距离100米的鸟，看上去只有12.5米。
物镜直径双筒望远镜第二个特性数字指的是物镜直径（双筒望远镜入射通光孔径），是毫米做单位。
一架设计标准为10X50的双筒望远镜的物镜直径为50毫米。
物镜直径越大，双筒望远镜采集光线的能力越强。
如果在弱光条件下观测，那么理想的选择是物镜直径为42或者50毫米的望远镜（woodlande补充：另外倍数也不能太高，10倍以下较适宜）。
物镜直径为20或者32毫米的双筒望远镜比较合适在日光条件下观测。
出瞳直径当你距离双筒望远镜目镜30厘米左右观察目镜时，可以看到两个形如瞳孔的亮点，它的直径就是出瞳直径，出瞳直径等于以毫米为单位的物镜直径除以放大倍率。
自适应光学图像事后重建技术研究进展
收稿 日期 ：２０１７－１２－２７； 收到修改稿 日期 ：２０１８－０２－０７ 基金项 目：国家 自然科学基金项 目资助（１１１７８００４，１１７２７８０５） 作 者简介 ：鲍华（１９８１一），男 ，博士 ，副研究员 ，主要研 究 自适 应光 学图像事后处理及相位差法波前探测 。Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｂａｏ＠ｉｏｅ．ａｃ．ｃｎ 通信作者 ：饶长辉（１９７１一），男 ，博士 ，研 究员 ，主要从 事大 口径高分辨力 光学成像望远镜技术研究和系统研制工作。 Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｒａｏ＠ ｉｏｅ．ａｃ．ｃｎ
在 光学成像系统 中，ｈ可 以使用 点扩散 函数（ｐｏｉｎｔ ｓｐｒｅａｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ＰＳＦ）来代替 。ＰＳＦ作为一种数学公式描 述 了理想 光源下的光束经过光学路径所发生 的畸变 。 通 常情 况下 图像 是 由许多点源发出 的光与 ＰＳＦ卷积后 叠加所 组成 的 。因此 确定 了 ＰＳＦ就可 以使用其逆 函数 与实际观测到 的图像进行解卷积 ，从而将真实 图像 复 原 出来 。而实 际系统 中找出精确 的点扩散 函数几乎是 不可能 的 ，真实的光学系统在不 同的空 间点可能有不 同的 ＰＳＦ，同时 ＰＳＦ可能非线性 ，无法用有理 函数 的 形式表 达出来 ，因此对 ＰＳＦ的估计精度将决定 图像后 处理 问题结果 的优劣 。
进后的 图像处理技术可 以有效提 高 自适应光 学图像 的质量和分 辨力，较好 的满足 了自适应 光学系统对 图像 事后 处理的
需 求
关键词 ： 自适应光 学；图像重建；盲解卷积；相 位差法；斑点重建
中图分 类号 ：０４３６．３
文献标志码 ：Ａ
引用格式 ：鲍华，饶 长辉 ，田雨，等 ．自适应光 学图像事后重建技术研究ＬｔＬ￣［Ｊ］．光电工程 ，２０１８，４５（３）：１７０７３０
电阻阵列红外景物产生器微桥结构的研制及仿真
料 来获 得高 的辐射 效率 ． 当电流 流过 电阻时产 生热
＊ 收 稿 日期 ：０ ２０ ８ ２ １—５１
基金资助 ： 陕西省教育厅专项科研计划项 目（０ ０ Ｋ５ ０ ； ２ １Ｊ ９ ） 陕西省重点实验室开放基金项 目（Ｚ ＫＪｏ ９ ４ ； Ｓ ２ ｏ ０ ）
西安 工业大学“ 薄膜技术与光学检测 ” 科研创新 团队建设计划资助
构．利 用 Ｓ（ｚ与 ＴＷＮ 分 别 作 为微桥 结 构的介 电材 料 与 电 阻材料 ； 用表 面工 艺技 术 制作 ｉ ） ｉ 利 １０ ２ 列微 桥 结构 ； ６ ×１０阵 并对微 桥 结 构 进 行 了热 学性 能的 仿真 分 析．研 究 结果 表 明： 设 计 所 的工 艺流程 可行 ， 成功 制作 了微桥 结构 阵列 ； 制作 的 微桥 桥 面具 有 良好 的 温度 分布 均 匀性 ； 在 相 同电功 率下 ， 采用低 热 导率 的 ＳＯ ｉ 薄膜取 代 ＳＮ 薄膜 能够 显著提 高桥 面温度 ． ｉ
第 ３ 卷第 ８期 ｚ ２１ ０ ２年 Ｏ ８
学
报
Ｖ０ ． ２ ＮＯ ８ １３ ．
Ａｕ ｇ．２ ２ ０１
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＸｉａ ｃ ｎ ｌｇｃ ｌＵｎｖ ｒｉ ｏ ｒ ａ ’ｎ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｉａ ｉｅ ｓｔ ｏ ｙ
文章 编号 ： １ ７— ９ ５ ２ １ ） ８６ ３０ ６ ３９ ６ （ ０ ２ ０ —１ —４
的选 择及微 桥结 构 的制作 尤为 关键 ， 直接 影 响到器 件 的最终 性能 ． 桥结 构 中 ， 微 常用 介 电材 料 与 电阻 材料 分 别 为 Ｓ 与 Ｔｉ ． Ｓ 材 料 相 比， ｉ Ｎ 与 ｉ
路芯片上制作微桥阵列， 可以获得高 的填充 因子． 通 过合 理设 计光 学谐 振腔 、 择 电阻材 料及介 电材 选
＊ 收 稿 日期 ：０ ２０ ８ ２ １—５１
基金资助 ： 陕西省教育厅专项科研计划项 目（０ ０ Ｋ５ ０ ； ２ １Ｊ ９ ） 陕西省重点实验室开放基金项 目（Ｚ ＫＪｏ ９ ４ ； Ｓ ２ ｏ ０ ）
西安 工业大学“ 薄膜技术与光学检测 ” 科研创新 团队建设计划资助
构．利 用 Ｓ（ｚ与 ＴＷＮ 分 别 作 为微桥 结 构的介 电材 料 与 电 阻材料 ； 用表 面工 艺技 术 制作 ｉ ） ｉ 利 １０ ２ 列微 桥 结构 ； ６ ×１０阵 并对微 桥 结 构 进 行 了热 学性 能的 仿真 分 析．研 究 结果 表 明： 设 计 所 的工 艺流程 可行 ， 成功 制作 了微桥 结构 阵列 ； 制作 的 微桥 桥 面具 有 良好 的 温度 分布 均 匀性 ； 在 相 同电功 率下 ， 采用低 热 导率 的 ＳＯ ｉ 薄膜取 代 ＳＮ 薄膜 能够 显著提 高桥 面温度 ． ｉ
第 ３ 卷第 ８期 ｚ ２１ ０ ２年 Ｏ ８
学
报
Ｖ０ ． ２ ＮＯ ８ １３ ．
Ａｕ ｇ．２ ２ ０１
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＸｉａ ｃ ｎ ｌｇｃ ｌＵｎｖ ｒｉ ｏ ｒ ａ ’ｎ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｉａ ｉｅ ｓｔ ｏ ｙ
文章 编号 ： １ ７— ９ ５ ２ １ ） ８６ ３０ ６ ３９ ６ （ ０ ２ ０ —１ —４
的选 择及微 桥结 构 的制作 尤为 关键 ， 直接 影 响到器 件 的最终 性能 ． 桥结 构 中 ， 微 常用 介 电材 料 与 电阻 材料 分 别 为 Ｓ 与 Ｔｉ ． Ｓ 材 料 相 比， ｉ Ｎ 与 ｉ
路芯片上制作微桥阵列， 可以获得高 的填充 因子． 通 过合 理设 计光 学谐 振腔 、 择 电阻材 料及介 电材 选
光场相机在湍流下的清晰成像和点云计算
第49卷第11期Vol.49No.ll红外与激光工程Infrared and Laser Engineering2020年11月Nov. 2020光场相机在湍流下的清晰成像和点云计算张烜喆u’3,王彦3,王佳华3,侯再红杜少军3(1.中国科学院合肥物质科学研究院，安徽合肥230031;2.中国科学技术大学科学岛分院，安徽合肥230026;3.国防科技大学前沿交叉学科学院，湖南长沙410073)摘要：无变形镜条件下抵抗大气湍流影响获取几百米至几十公里外目标的清晰成像和点云数据具有重要意义。
光场相机是清晰成像和点云计算领域的有力工具，但是它在湍流条件下无法正常工作。
同时光场相机支术的主要研究方向集中在如何提高点云的精度和密度，暂无人将其应用于湍流清晰成 像。
基于相空间光学原理改进了光场相机的信息提取算法，在湍流条件下完成了清晰成像和点云计算。
这种算法使用四维密度函数来描述复眼结构，对原始数据的使用更加充分，能够提取物点完整的低阶相位信息，因而，可以抵抗湍流对局部子孔径的影响，稳健地获取目标点云，解算深度图并得到全聚焦清晰成像。
根据这一原理设计了光场相机系统，探测室内湍流池后方的目标以及室外湍流下500m处目标，均获得了 4 k以上个物点的准确低阶相位分布，给出了目标的三维点云图和清晰成像。
结果表明，该方法无需变形镜系统，也不需要先验信息，是一种稳定工作的解析算法。
关键词：去瑞流清晰成像；三维点云；光场相机；相空间光学中图分类号：0439 文献标志码：A DOI：10.3788/IRLA20200053Image clarification and point cloud calculation underturbulence by light field cameraZhang Xuanzhe1，2'3, Wang Yan3, Wang Jiahua3, Hou Zaihong1’2, Du Shaojun3(1.Hefei I n s t i t u t e s of Physical Science, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China;2.Science Island Branch, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China;3.College of Advanced I nterdisciplinary Studies, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)Abstract:It is of great significance to obtain clear imaging and point cloud data of targets from hundreds to dozens of kilometers away under atmospheric turbulence without deformable mirror.Light field cameras are powerful tools in the field of image clarification and point cloud calculation,but they don't work well in turbulent conditions.Meanwhile,the main research direction of light field camera technology focuses on how to improvethe precision and density of point cloud,and no one applies it to turbulence image clarification temporarily.Thisjob was finished by improving information extraction algorithm of light field camera based on phase space optics. This algorithm was more fully to use RAW data,because of adopting four dimensional density functions to describe the structure of compound eye,and therefore,it could resist the influence of turbulence on local sub-aperture images,acquire target point cloud steady,calculate the depth map and clarify turbulence-degraded image. Light field camera based on such method acquired more than 4 k accurate wavefront distribution,when it was used for detecting indoor target behind the turbulence pool and outdoor target500 m far from the camera,and3D收稿日期:2020-02-16;修订日期:2020-03-20作者简介:张烜喆（1981-)，男，助理研究员，博士生，主要从事光场相机和相空间光学方面的研究。
SciAO-自适应光学建模与仿真概要
第20卷第11期2008年6月系统仿真学报@Journal of System Simulation、,01.20No.1lJun..2008 SciAO:自适应光学建模与仿真陈京元,甘光勇,陶应学(北京应用物理与计算数学研究所。
北京100088●摘要:SciAO(Scilab/Scicos Adaptive Optics是Scilab/Scicos环境下为满足波动光学,尤其是白适应光学的走模和仿真需要而建立的工具箱,它具有源代码完全公开、支持跨平台(Windows,G-nu/Linux等运行,使用简单方便等特点。
简要介绍了SciAO的基本设计目标和设计思想,基本结构及可用功能模块,并给出几个简单应用实例。
关键词:建模与仿真;自适应光学;Scilab/Scicos;开放源代码.中图分类号:TP391.9文献标识码:A文章编号l1004.731X(200811-2864.04 SciAO:Modeling and Simulation ofAdaptive OpticsCHENJing-yuan,GAN Guang-yong,TAO Ying-xue(Institute ofApplied Physics and Computational MatIlematics,Beijing100088,ChihaAbstract:SciAO(Scilab/Scicos Adaptive Opticsis all open-sourced,cross-platform,and user-friendly toolbox based on the Scilab/Scicos environment for modeling and simulation of wave optics,especially for that of adaptive optics system.Thegoals,schemes,structure,and the functionality now available in SciAO WCTe described.Some application examples were given using SciAO to model and simulate optical systems.Key words:modeling and simulation;adaptive optics;Scilab/Scicos;open source引言经过近四十余年的发展,自适应光学(AO目前已经广泛应用于天文望远镜,高能激光系统等现任光学系统的设计中。
自适应光学系统几种随机并行优化控制算法比较
无需利用波前传感 随机并行优化控制技术是一种对系统性能指标直接进 行优化 的自 适应光学 控制技 术 ， 使得系统复杂性大大降低 ， 该控制方法适用于大多数类型的自适应光学系统 。 随着自适应 信息进行相位重构 ， 光学应用领域的扩展 ， 如在大气光通信等没有信标光的应用场景 ， 以及存在强闪烁现象的大气长程传输应用场 基于波前传感器的常规自适应光学控制技术的应用受到限制 。 近年来 ， 基于系统性能指标直接优化的自 景中 ， 适应光学控制技术 ， 由于其硬件实现上的简单性及对闪烁等复杂环境条件的适应性 ， 越来越受到自适应光学研 究领域的重视 。
２ 随机并行优化控制算法
２． １ 随机并行梯度下降算法 ［］ 以迭 Ｐ Ｇ Ｄ 算法 ２ 利用性能指标测量值的变化量 Δ 犑 与控制参数的变化量 Δ 狌 进行控制参 数的梯 度估 计 ， Ｓ 代方式在梯度下降方向上进行控制参数的搜索 。 第 犽 次迭代时 ， 电压向量 狌＝ ｛ …， 的计算公式为 狌 狌 狌 １， ２， ３ ２｝
Ｆ ｉ ． ２ Ａ ｃ ｔ ｕ ａ ｔ ｏ ｒ ｓ ｌ ｏ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ ３ ２ ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔｄ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｂ ｌ ｅｍ ｉ ｒ ｒ ｏ ｒ ｇ 图 ２ ３ ２ 单元变形镜驱动器位置排布
Ｆ ｉ ． ３ Ｉ ｎ ｉ ｔ ｉ ａ ｌ ｄ ｉ ｓ ｔ ｏ ｒ ｔ ｅ ｄｗ ａ ｖ ｅ ｆ ｒ ｏ ｎ ｔ ｇ 图 ３ 原始畸变波前
自适应光学系统正是这样一个多维控制系统本文基于同样的仿真平台从算法的收敛性校正效果收敛速度等出发比较随机并行梯度下降算法遗传算法模拟退火算法在自适应光学系统中的应用情况寻找收敛速度和校正性能相对较好的算法为把随机并行优化控制算法应用到实际自适应光学系统中去进行初步的探索
自适应光学系统随机并行梯度下降算法
第22卷第6期强激光与粒子束Vo l.22,No.6 2010年6月H IGH POWER LASER AND PART ICLE BEAM S Jun.,2010 文章编号: 1001-4322(2010)06-1206-05自适应光学系统随机并行梯度下降算法*马慧敏, 张鹏飞, 张京会, 范承玉, 王英俭(中国科学院安徽光学精密机械研究所大气成分与光学重点实验室,合肥230031) 摘 要: 随机并行梯度下降(SPG D)算法可以对系统性能指标直接优化来校正畸变波前。
对基于SPG D算法的61单元自适应光学系统进行仿真模拟,分析了对不同初始静态畸变波前的校正能力,并比较了不同性能指标情况下的算法增益系数、扰动幅度值的选取及校正情况。
仿真结果表明:算法收敛速度很大程度上依赖于增益系数和扰动幅度值,对畸变较大的波前,随机扰动幅度在0.50~0.85范围内,性能指标采用焦斑平均半径比采用斯特列尔比取得的校正效果好。
关键词: 自适应光学; 随机并行梯度下降算法; 数值仿真; 波前畸变中图分类号: T P273.2 文献标志码: A doi:10.3788/H PL P B20102206.1206传统的自适应光学系统是利用波前传感器探测畸变波前信息,再控制波前校正器补偿像差。
随着该技术的发展以及应用领域的扩展,传统的自适应光学系统由于波前探测困难而表现出一定的局限性。
近几年来,利用优化算法直接优化系统性能指标的无波前自适应光学控制技术,越来越受到自适应光学领域的重视。
1997年,M. A.Vo rontsov 等人[1-2]基于SPSA 算法和随机逼近理论提出了SPGD 算法,此后SPGD 算法经过多次改进和完善,针对不同单元数、不同校正器类型、高分辨力波前校正等方面也进行了数值模拟和实验研究,验证了随机并行梯度下降算法对波前畸变的校正能力。
国内对基于该算法的自适应光学技术的研究目前处于起步阶段,中国科学院成都光电研究所的杨慧珍[3-4]、国防科学技术大学的靳冬欢[5]分别对以32单元和37单元变形镜作为校正器的基于SPGD 算法的自适应光学系统做了部分研究。
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1966 NASA first active mirrors 1970 Perkin Elmer Corporation first thin , continuous facesheet mirror 1975 UTOS first 52 actuator water cooled deformable mirror 1981 Itek
基本原理和性能指标
4 【谐振频率】 变形镜镜面的谐振频率，一般要求高于其工作频率 的10倍 5 【迟滞】 迟滞会使变形镜的精确控制变得更为困难 6 【响应函数和耦合系数】 影响函数为变形镜任一驱动器施加电压所产生的镜 面形貌 连续镜面变形镜各个致动器通过镜面联动，耦合系 数代表致动器之间的机械耦合程度
薄膜变形镜
原理：利用薄膜的电致形变效应
薄膜静态形变
2
−������(������) ������ ������ = ������������ P(r)为与控制电压有关的薄膜所 受应力（������������−2 ）, ������������ 为薄膜线 性张力（ ������������−1 ）
图12 OKO的37单元薄膜 变形镜
Adaptive Optics Product Guide. 2nd. Netherlands:Flexible Optical BV, 2006
双压电变形镜
原理：压电陶瓷横向压电效应 结构： 由两片压电陶瓷粘结在一起，陶瓷片中间排列有控制电极，陶瓷 片上下端面设置公共电极。 一面陶瓷面上粘结一薄光学玻璃作为反射镜。
常用锆钛酸铅Pb（Zr, Ti）O3制成的 致动器称为PZT
图5、一种数字式压电陶瓷 致动器概念
电致伸缩陶瓷致动器
原理（电致伸缩效应）：在外电场作用下电介质所产生的与场强二 次方成正比的应变 层叠电致伸缩致动器形变量
������ ∆������ = ������������( ) 2 ������ t为叠层厚度，m为电致伸缩常数
A 4096 element continuous facesheet MEMS deformable mirror for high-contrast imaging.
SPIE,2008,6888
液晶技术空间光调制器
特点
• 通过控制光程差进行光学相位补偿
原理
• 液晶材料具有电控双折射效应。光入射到液晶
low voltage
multilayer actuators
1984 Western Research Corporation replaceable, segmented module
SPIE, 1991，1543：2-34
各种类型的变形镜
分离促动器连续表面变形镜
变 形 镜 分 类
拼接子镜变形镜
双压电片变形反射镜样镜的设计与研制。 光学学报2009,29（6）：1437-1442 Adaptive optics ophthalmologic systems using dual deformable mirrors SPIE,2007,6467:64670H
MEMS（微电子机械系统）变形镜
分离促动器连续表面变形镜
促动器：50X50 间距1mm PZT横向压电效应 最大变形量3um
CILAS公司的MiniDM原型
Deformable mirror technologies for astronomy at CILAS, SPIE, 2008, 7015:701501
分离促动器连续表面变形镜
图8 Xinetics研制的4356单元变形镜，采用了多块促动器 阵列的拼接。
Innovative deformable mirror for Palomar Observatory SPIE Newsroom, 2010,10. 1117/2. 1201002.002633
拼接子镜变形镜
结构： 镜面由多个小的子镜拼接而成 子镜下的致动器分为两种：一、 只有一个致动器，做沿光束传 输方向的piston运动。二、三 个致动器，包括piston和2D 倾斜调整tip/tilt. 优点：各致动器之间无耦合
自适应光学与空间光学
变形镜
变形镜
基本原理和性能指标 发展历史 不同类型的变形镜介绍 技术发展展望
基本原理和性能指标
器件
• 变形镜
方法
• 1、改变光波前传输光程 • 2、改变传输媒质折射率
目标
• 校正波面相位
基本原理和性能指标
1 【致动器单元数】 致动器个数越多可校正空间频率越高
2 【变形灵敏度及最大变形量】 灵敏度为单位电压使变形镜产生的变形量。灵敏度越 高所需电压越低。 最大变形量反映所能校正的光学像差最大幅值 3 【响应时间】 变形镜对施加电压的响应时间
发展历史
1953年，美国天文学家 Babcock首次提出用闭 环校正波前误差的方法 来补偿天文视宁度
图1 Publication of the Astronomical Society of the Pacific, 1953,65(386):229-236
发展历史
Deformable mirrors
传统加工：体积大，能耗高 手工装配：不能批量生产，成本高（349变形镜单元的Keck光学系统， 每个变形镜单元造价约1000美元） 微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）： 也叫做微电子机械系统。是在微电子技术（半导体制造技术）基 础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅 微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。 MEMS变形镜：用类似电子芯片光刻技术制成的含有多个微小校正单 元的变形镜 优点：体积小，可批量生产，成本低（4吋硅片上加工20000个变形 镜单元的微变形镜阵列，总造价只有约10000美元）
薄膜变形镜 双压电片变形镜 微电子机械系统（MEMS）
基于液晶技术的空间光调制器 自适应次镜
分离促动器连续表面变形镜
组成： 基低 促动器
连续镜面波片
薄片面形由促动器推拉改变 要求基地刚度远大于薄片刚度
图2、分离促动器连续表面变形镜
New York: Oxford University Press, 1998:186-192
美国空军研究实验室（AFRL） 美国Boston大学精密工程研究实验室
Texas Instrument公司
加州大学Berkeley分校 荷兰OKO Technologies公司
MEMS变形镜
每个单元尺寸400um， 其最大变形量3um，工作 带宽2.5kHz。
图18 Boston 大学研制的4096 单元MEMS变形镜
MEMS（微电子机械系统）变形镜
图16 平行板电容器结 构原理
图17 可变形反射镜结构示 意图
原理：给电容器下电极施加一个电压时，静电力拉动台柱向下移动， 而台柱和硅膜镜面是一个整体，就可带动相应硅膜镜面产生形变
一种新的Mems变形反射镜结构设计的研究——刘喜斌
MEMS变形镜
国际 上主 要研 究单 位
图7
长光所137单元变形镜
通光口径90mm,致动器间距 7mm，最大形变量2.5um， 非线性迟滞<5%,整体谐振频 率>12kHz，耦合系数 22%~26%（2012年）
61单元自适应光学系统【J】量子学报，1998,15（2）：193-199 137单元变形镜性能测试及校正能力的实验研究[R],长春光机所，2012
图13 双压电片变形镜横截面示意图
双压电变形镜
利用kokorow ski导出的自由边界条件下双压电变形镜表面位移—电压所满 足的偏微分方程，分别运用Gauss迭代法和Monte-Carlo法求解该方程的第一边 界条件，得出变形镜的静态影响函数矩阵Z（x,y）；按不同电极设计情况划分， 以13组Z(x,y)为基准，对Zemike多项式低阶模进行逐项拟合，得出变形镜控制 电极的大小、形状等优化参数，从而得到最佳静态影响函数矩阵以及反演电 压矩阵。
常用铌镁酸铅材料Pb（Mg, Nb）O3制成，称为PMN PMN相比于PZT的优点：灵敏度高、磁滞极低、热膨胀系数极小、弹 性模量高
分离促动器连续表面变形镜
致动器长度改变引起镜面局部面形发生类似高斯函数的形变，整 体镜面面形变化可简化为： ������ ������, ������ =
������
当施加电压时，一片压电陶瓷横 向扩张，另一片横向收缩。整体 效果使镜面发生弯曲。弯曲形变 可表示为： ������ 4 ������ ������, ������ = −������������ 2 ������(������, ������) ������(������, ������)为陶瓷片平面上电极电压 分布。A是常量，与材料特性有 关。
������������ ������������ (������, ������)
������������ 为施加给第i个致动器的电压，������������ (������, ������)为第i个致动器处镜面的 响应函数
分离促动器连续表面变形镜
图6
成光所，61单元变形镜的促动器布 局和传感器子孔径对应关系。 通光口径120mm，最大形变量3um， 非线性迟滞<5%，谐振频率>2kHz,耦 合系数8%~12%（1998提出，）
变形镜表面微分方程
静态影响 函数矩阵
反Hale Waihona Puke 电压矩阵Gauss迭代和 Monte-Carlo法
对泽尼克多项 式逐项拟合
北理：13单元压电晶片变形反射控制电极的优化设计光学技术，1996（5）：15-20
双压电变形镜
图14 中科院与国防科大合作 的20单元双压电片变形镜
图15 美国Aoptix公司研制的 用于校正人眼大幅值的低阶 波像差的双压电片变形镜 通光孔径10mm，最大校正量 18um
基本原理和性能指标
4 【谐振频率】 变形镜镜面的谐振频率，一般要求高于其工作频率 的10倍 5 【迟滞】 迟滞会使变形镜的精确控制变得更为困难 6 【响应函数和耦合系数】 影响函数为变形镜任一驱动器施加电压所产生的镜 面形貌 连续镜面变形镜各个致动器通过镜面联动，耦合系 数代表致动器之间的机械耦合程度
薄膜变形镜
原理：利用薄膜的电致形变效应
薄膜静态形变
2
−������(������) ������ ������ = ������������ P(r)为与控制电压有关的薄膜所 受应力（������������−2 ）, ������������ 为薄膜线 性张力（ ������������−1 ）
图12 OKO的37单元薄膜 变形镜
Adaptive Optics Product Guide. 2nd. Netherlands:Flexible Optical BV, 2006
双压电变形镜
原理：压电陶瓷横向压电效应 结构： 由两片压电陶瓷粘结在一起，陶瓷片中间排列有控制电极，陶瓷 片上下端面设置公共电极。 一面陶瓷面上粘结一薄光学玻璃作为反射镜。
常用锆钛酸铅Pb（Zr, Ti）O3制成的 致动器称为PZT
图5、一种数字式压电陶瓷 致动器概念
电致伸缩陶瓷致动器
原理（电致伸缩效应）：在外电场作用下电介质所产生的与场强二 次方成正比的应变 层叠电致伸缩致动器形变量
������ ∆������ = ������������( ) 2 ������ t为叠层厚度，m为电致伸缩常数
A 4096 element continuous facesheet MEMS deformable mirror for high-contrast imaging.
SPIE,2008,6888
液晶技术空间光调制器
特点
• 通过控制光程差进行光学相位补偿
原理
• 液晶材料具有电控双折射效应。光入射到液晶
low voltage
multilayer actuators
1984 Western Research Corporation replaceable, segmented module
SPIE, 1991，1543：2-34
各种类型的变形镜
分离促动器连续表面变形镜
变 形 镜 分 类
拼接子镜变形镜
双压电片变形反射镜样镜的设计与研制。 光学学报2009,29（6）：1437-1442 Adaptive optics ophthalmologic systems using dual deformable mirrors SPIE,2007,6467:64670H
MEMS（微电子机械系统）变形镜
分离促动器连续表面变形镜
促动器：50X50 间距1mm PZT横向压电效应 最大变形量3um
CILAS公司的MiniDM原型
Deformable mirror technologies for astronomy at CILAS, SPIE, 2008, 7015:701501
分离促动器连续表面变形镜
图8 Xinetics研制的4356单元变形镜，采用了多块促动器 阵列的拼接。
Innovative deformable mirror for Palomar Observatory SPIE Newsroom, 2010,10. 1117/2. 1201002.002633
拼接子镜变形镜
结构： 镜面由多个小的子镜拼接而成 子镜下的致动器分为两种：一、 只有一个致动器，做沿光束传 输方向的piston运动。二、三 个致动器，包括piston和2D 倾斜调整tip/tilt. 优点：各致动器之间无耦合
自适应光学与空间光学
变形镜
变形镜
基本原理和性能指标 发展历史 不同类型的变形镜介绍 技术发展展望
基本原理和性能指标
器件
• 变形镜
方法
• 1、改变光波前传输光程 • 2、改变传输媒质折射率
目标
• 校正波面相位
基本原理和性能指标
1 【致动器单元数】 致动器个数越多可校正空间频率越高
2 【变形灵敏度及最大变形量】 灵敏度为单位电压使变形镜产生的变形量。灵敏度越 高所需电压越低。 最大变形量反映所能校正的光学像差最大幅值 3 【响应时间】 变形镜对施加电压的响应时间
发展历史
1953年，美国天文学家 Babcock首次提出用闭 环校正波前误差的方法 来补偿天文视宁度
图1 Publication of the Astronomical Society of the Pacific, 1953,65(386):229-236
发展历史
Deformable mirrors
传统加工：体积大，能耗高 手工装配：不能批量生产，成本高（349变形镜单元的Keck光学系统， 每个变形镜单元造价约1000美元） 微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）： 也叫做微电子机械系统。是在微电子技术（半导体制造技术）基 础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅 微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。 MEMS变形镜：用类似电子芯片光刻技术制成的含有多个微小校正单 元的变形镜 优点：体积小，可批量生产，成本低（4吋硅片上加工20000个变形 镜单元的微变形镜阵列，总造价只有约10000美元）
薄膜变形镜 双压电片变形镜 微电子机械系统（MEMS）
基于液晶技术的空间光调制器 自适应次镜
分离促动器连续表面变形镜
组成： 基低 促动器
连续镜面波片
薄片面形由促动器推拉改变 要求基地刚度远大于薄片刚度
图2、分离促动器连续表面变形镜
New York: Oxford University Press, 1998:186-192
美国空军研究实验室（AFRL） 美国Boston大学精密工程研究实验室
Texas Instrument公司
加州大学Berkeley分校 荷兰OKO Technologies公司
MEMS变形镜
每个单元尺寸400um， 其最大变形量3um，工作 带宽2.5kHz。
图18 Boston 大学研制的4096 单元MEMS变形镜
MEMS（微电子机械系统）变形镜
图16 平行板电容器结 构原理
图17 可变形反射镜结构示 意图
原理：给电容器下电极施加一个电压时，静电力拉动台柱向下移动， 而台柱和硅膜镜面是一个整体，就可带动相应硅膜镜面产生形变
一种新的Mems变形反射镜结构设计的研究——刘喜斌
MEMS变形镜
国际 上主 要研 究单 位
图7
长光所137单元变形镜
通光口径90mm,致动器间距 7mm，最大形变量2.5um， 非线性迟滞<5%,整体谐振频 率>12kHz，耦合系数 22%~26%（2012年）
61单元自适应光学系统【J】量子学报，1998,15（2）：193-199 137单元变形镜性能测试及校正能力的实验研究[R],长春光机所，2012
图13 双压电片变形镜横截面示意图
双压电变形镜
利用kokorow ski导出的自由边界条件下双压电变形镜表面位移—电压所满 足的偏微分方程，分别运用Gauss迭代法和Monte-Carlo法求解该方程的第一边 界条件，得出变形镜的静态影响函数矩阵Z（x,y）；按不同电极设计情况划分， 以13组Z(x,y)为基准，对Zemike多项式低阶模进行逐项拟合，得出变形镜控制 电极的大小、形状等优化参数，从而得到最佳静态影响函数矩阵以及反演电 压矩阵。
常用铌镁酸铅材料Pb（Mg, Nb）O3制成，称为PMN PMN相比于PZT的优点：灵敏度高、磁滞极低、热膨胀系数极小、弹 性模量高
分离促动器连续表面变形镜
致动器长度改变引起镜面局部面形发生类似高斯函数的形变，整 体镜面面形变化可简化为： ������ ������, ������ =
������
当施加电压时，一片压电陶瓷横 向扩张，另一片横向收缩。整体 效果使镜面发生弯曲。弯曲形变 可表示为： ������ 4 ������ ������, ������ = −������������ 2 ������(������, ������) ������(������, ������)为陶瓷片平面上电极电压 分布。A是常量，与材料特性有 关。
������������ ������������ (������, ������)
������������ 为施加给第i个致动器的电压，������������ (������, ������)为第i个致动器处镜面的 响应函数
分离促动器连续表面变形镜
图6
成光所，61单元变形镜的促动器布 局和传感器子孔径对应关系。 通光口径120mm，最大形变量3um， 非线性迟滞<5%，谐振频率>2kHz,耦 合系数8%~12%（1998提出，）
变形镜表面微分方程
静态影响 函数矩阵
反Hale Waihona Puke 电压矩阵Gauss迭代和 Monte-Carlo法
对泽尼克多项 式逐项拟合
北理：13单元压电晶片变形反射控制电极的优化设计光学技术，1996（5）：15-20
双压电变形镜
图14 中科院与国防科大合作 的20单元双压电片变形镜
图15 美国Aoptix公司研制的 用于校正人眼大幅值的低阶 波像差的双压电片变形镜 通光孔径10mm，最大校正量 18um