哈特曼波前探测器波面重构精度研究

活体人眼波前像差的精确探测一直是人眼自适应成像系统波前探测和波前校正的难点。以Shark-Hartman波前探测器(S-H)和液晶空间光调制器(LCOS)搭建了一套活体人眼像差探测及眼底自适应成像系统。对Shark-Hartman波前探测器(S-H)波面探测精度的影响进行研究。在液晶空间光调制器LCOS施加同阶等大小的波前畸变,探测不同情况下的哈特曼波前探测器上的波面重构值并且加以分析,并对当前波前探测精度的自适应像差校正及成像结果进行对比分析。利用优化参数的哈特曼波前探测器进行自适应校正成像实验。实验证明,人眼动态像差的精确探测是自适应系统像差校正的基础。哈特曼波前传感器的波前探测及重构精度是获得人眼眼底视网膜的衍射极限分辨的根本,哈特曼波前传感器的子孔径数选择及子孔径大小对眼底自适应成像系统起到关键作用。     

基于频域分析的波前像差快速重建

波前重构是测量自由曲面面型及人眼像差中的重要环节,随着微机械制造的发展,波前传感器的微透镜阵列不断扩展,为了保持自适应光学系统中像差的重建精度并提高重建速度,实现波前像差的实时测量,本文提出一种通过快速傅里叶变换的波前重构方法并进行仿真,并与求广义逆矩阵最小二乘解法进行对比.结果表明：该方法在提高重构速度的条件下,能够保持一定的重构精度.从而可以在现有的技术条件下通过该方法实现波前像差的实时测量.     

模型人眼的视网膜自适应成像系统

为了更好的进行人眼视网膜成像探测及人眼像差校正,建立了一套基于液晶波前校正器的模型,模拟人眼眼底的自适应成像系统。该系统采用Shark-Hartman波前探测器进行波面探测,将探测所得波前畸变经过计算处理转化为灰度图通过电脑施加到LCOS上进行波面校正,通过校正人眼像差的方式来提高系统成像质量。经过校正后,系统波误差从1．92μm降低到0．048μm系统分辨率接近70lp／mm已经到达该光学系统衍射极限分辨。可以满足低阶大像差情况下的模拟人眼视网膜成像要求。     

利用动态跟踪原理进行质心计算的新方法

分析H-S(Hartmann-Shack)波前传感器在扩展动态范围及抑止噪声方面存在的不足,提出了根据大气湍流的时间特性确定在一次采样时间间隔内质心移动的变化范围,对质心进行连续动态跟踪测量的新方法.该方法在大气扰动较强时,可以扩展波前传感器动态范围,有效地降低CCD读出噪声和散弹噪声对质心探测精度的影响,并为动态质心计算方法提供理论论证及仿真结果.     

波前像差引导的激光眼屈光手术中角膜切削模型

基于改变角膜厚度可以改变眼屈光系统波前像差的原理,提出了一种矫正眼波前像差的角膜切削模型．首先给出理想参考平面波前和实际波前之间的位置关系,用一个通用的数学模型表示了波前像差;其次用Zernike多项式系列来描述眼像差结构,将波前像差表示成带权重的Zernike多项式系列累加和的形式;最后将眼波前像差转换为光程差的形式,用光程差表示了角膜切削厚度。并进一步得出角膜切削厚度同波前像差之间转换的数学模型(像差矫正模型)．该像差矫正模型在理论上能矫正包括低阶像差(近视、远视、散光)和高阶像差在内的35项像差．     

弱光Hartmann-Shack波前传感器的阈值选取

研究以像增强CCD为光电探测器的弱光Hartmann-Shack(H-S)波前传感器在质心同探测过程中阈值选取对质心探测精度的影响,首先给出了阈值选取对质心探测系统误差和随机误差的影响,一义质心测量精度的评价指标,并根据此指标指出阈值选取的最佳范围为－3σr≤Tm≤-σr,并以实验验证了理论分析结果。     

列车交会空气压力波测量的影响因素

研究了连接动态压力传感器的信号线长度、放大器的滤波频率和数据采集系统的采样频率对空气压力波测量的影响.研究结果表明,当传感器信号线长度小于100 m时,对传感器输出的动态信号影响不大于1%,满足列车交会空气压力波实车测量要求;放大器的滤波频率和数采系统采样频率对空气压力波的测试结果均有较大影响,应采用带低通的应变放大器,滤波频率以100 Hz为宜;随着采样频率的增加,测量得到的空气压力波幅值增大,采样频率增加到1 kHz后,测量结果趋于稳定.在列车交会空气压力波实车测试中,为保证测试的准确性,节省设备内存空间,采样频率取1 kHz较合适.     

无波前传感器自适应光学在生物成像中的应用

获取生物体的高质量图像对生命科学的研究至关重要,但成像光学系统和生物体本身都含有像差,导致成像分辨率和对比度下降.由于不同生物体引入的像差不同且可能随时间变化,因此无法通过传统的光学设计手段进行补偿.发端于天文成像观测的自适应光学技术具有克服动态像差影响的能力,因此也可以用于生物成像中提高成像质量.传统自适应光学一般用波前传感器(如夏克-哈特曼传感器)测量波前误差,而近年来发展的无波前传感器自适应光学技术则省去了专用的波前传感器,不但简化了系统结构,降低了成本,还可以克服传统自适应光学的一些限制,具有良好的应用前景.本文在介绍无波前传感器自适应光学原理的基础上,重点讨论该技术在眼底成像和荧光显微成像方面的应用并对未来的发展提出展望.     

基于数字图像技术的桥梁动态位移测量应用研究

文章开发了一套基于数字图像处理技术的桥梁动态位移测量系统。该系统对采集的光斑图像进行二值化及图像滤波处理,进而搜索光斑中心在像素坐标下的变化来求其空间坐标,以达到识别桥梁动态位移的目的。为证实该系统测量的可行性与准确性,在实验室进行了精度实验,静载、动载测量以及实桥测试。同时用该系统采集的位移数据进行频谱分析,频谱结果与其理论基频吻合。结果表明,在测量环境不变的前提下,该系统的测量结果与其对比方法测量结果基本一致,系统测量精度在毫米级情况下频谱分析所求得的频率结果较为准确,满足桥梁位移测量与基本动态特性分析的需要。     

液晶自适应校正在眼底成像中的应用

眼底视网膜的病变不仅会导致眼睛本身的大部分疾病,而且可以反映人体的其他疾病。对人眼视网膜的精确观察可以对这些疾病进行早期诊断和预防,但由于人眼波前像差的存在会使获得的眼底图像难以达到临床诊断的要求,因此与自适应像差校正技术相结合的眼底视网膜成像课题具有极重要的研究意义。研究了自适应光学在眼底成像中的应用,并分析了自适应成像系统存在的问题及未来的发展方向。基于自适应技术的人眼视觉科学设备难以普及和商业利用的原因是缺少一种有效而且低成本的波前校正器。液晶自适应光学技术能够有效校正眼底成像系统的实时波前误差,提升系统的成像质量。介于自适应光学技术在眼底成像广阔的应用前景,自适应眼底成像系统将逐步走向产业化。     

Aero-optical wavefront measurement technique based on BOS and its applications

A collimated light beam will be refracted if it propagates through a flow-field with index-of-refraction variations,and its wavefront will be distorted.If we measure the deflection angle of the light beam,the gradient of the wavefront can be obtained using the Malus law,and the wavefront aberration can be computed with a reconstruction algorithm.Two characteristics of background oriented schlieren(BOS) are conducive to wavefront aberration measurement:BOS can be used to measure the deflection angle of a light beam by measuring the displacement field between the reference image and the experiment image.Moreover,in a BOS system of Schlieren mode,only the ray perpendicular to the background image can be captured with a camera.This is helpful to measure wavefront aberrations that occur after a planar wavefront has passed through the flow-field.Based on these characteristics of BOS of Schlieren mode,a new wavefront measurement technique,which is called the BOS-based wavefront technique(BOS-WT),is proposed in this paper.It works by constructing the relationship between the displacement of the background image and the aero-optical wavefront gradient and uses the Southwell wavefront reconstruction algorithm.A BOS-WT system was assembled,and its temporal resolution was found to be 6 ns,and its temporal-correlation resolution reached 0.2 μs.A BOS-WT can measure the time-correlation transient wavefront quantitatively.It is simple and easy to operate.In this paper,we also present a study of the aero-optical performance of supersonic mixing layer based on our BOS-WT transient wavefronts at an interval of 5 μs.The results showed the wavefront was transient and distorted after it had passed through the mixing layer.Through the analysis of the data at the 5 μs interval,the temporal evolution of wavefront can be obtained.     

波前编码成像系统浅析

波前编码成像技术是一种景深延拓非常有效的方法,本文在简单介绍波前编码成像原理的基础上,并具体介绍了波前编码成像系统在实际光学系统如显微镜、红外成像系统以及虹膜识别系统中的应用,最后指出波前编码成像系统实际存在的问题。     

象差波面光束内部干涉的研究

运用惠更斯原理分析了象差波面传播变形和内部干涉的现象,提出了由原始波面求得新波面的计算方法,并以此方法计算了球差波面的传播过程中的波面演化,揭示了象差波面内部干涉的内在机理.     

零球差与负球差的非球面人工晶体植入术后视觉质量临床研究

目的对植入两种不同球差非球面人工晶体白内障患者术后矫正视力、对比敏感度、波前像差进行了对比研究,评价两组非球面人工晶体植入术后视觉质量,进而指导白内障患者选择人工晶体.方法选取行白内障超声乳化摘除术联合非球面人工晶体植入术的白内障患者40人(64只眼),植入AKreos Ao Iol(零球差非球面人工晶体)16例(30眼)列入AO组;植入Acryof IQ Iol(负球差非球面人工晶体)24例(34眼)列入IQ组.随诊3个月,对两组患者术后矫正视力、对比敏感度、波前像差应用SPSS 16.0统计学软件进行统计分析.结果两组术后3个月最佳矫正远视力无统计学意义,IQ组近视力优于AO近视力.在明视、暗视环境下和暗视合并周边眩光环境下对比敏感度,两组无差异.在波前像差检查中发现,AO组总球差(0.04±0.03)高于IQ组(0.15±0.06),垂直慧差IQ组(-0.13±0.06)高于AO组(-0.21±0.07).结论零球差非球面人工晶体保留部分角膜球差,有助于提高远视的视觉质量,而负球差非球面人工晶体保留部分垂直慧差,有助于近视的视觉质量.     

仿生原型毫-微牛级力测试技术研究进展

许多动物依靠自然进化形成能够展现优异功能的身体结构,以其作为仿生原型,可为工程领域存在的复杂问题提供有效解决途径。仿生原型毫-微牛级力测试技术可为揭示仿生原型运动力学机制提供必要的测试手段。从呈现优异功能特性的典型仿生原型入手,综述了用于仿生原型运动功能与材料物理特性定量表征的毫-微牛级力测试技术研究进展,重点分析了传感器测力系统、离心运动测力系统、图像处理测力系统的原理与功能,指出仿生原型毫-微牛级力测试技术后续研究应重点关注以下3个方面:1)传感器测力系统应提升其动态响应特性与测试精度,以精确表征仿生原型的运动特性;2)离心运动测力系统应提升测试平台转速信息采集精度与高速摄像机图像清晰度,以准确表征微小仿生原型与材料表面的交互作用;3)图像处理测力系统应考虑如何从图像中精确提取微位移信息,以提高测力系统的测试精度与准确度。     

两种提高扩展信标波前探测信噪比的方法

为了空对地观测相机在工作时达到接近衍射极限的高分辨率成像,采用扩展信标和相应的H-S波前传感器探测成像系统入瞳面上的波前畸变,以实现动态补偿.基于这种波前探测、重构的模式下,推导和分析了波前探测系统焦面上子孔径图像信噪比的估算公式.根据模拟实际的一组参数值,表明该图像信噪比过低,不能满足探测精度的要求,继而提出减小探测系统的垂轴放大率和增加测量次数提高图像信噪比的方法,实例计算验证了其可行性.     

Aero-optical aberration measuring method based on NPLS and its application

The existing methods for measuring aero-optical aberration suffer from several problems, such as low spatiotemporal resolution, sensitivity to environment, and integral effects. A new method for measuring aero-optical aberration of supersonic flow is proposed. Based on the self-developed measuring method of supersonic density field, the wavefront aberration induced by a cross-section of supersonic flow field could be measured by ray-tracing. Compared with other methods, the present one has three significant innovations: (1) high spatiotemporal resolution. Its time resolution is 6 ns, and the spatial resolution can reach up to micrometers; (2) it can avoid the integral effects and study the wavefront aberration induced by the flow field of interest locally; (3) it can also avoid the influence from the test section wall boundary layers and environmental disturbances. The present method was applied to supersonic flow around an optical bow cap. The results of high spatiotemporal resolution reveal fine wavefront structures, and show that shock waves, expansion waves and turbulent boundary layers have different impacts on the wavefront aberration.