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。     

自适应光学技术在天文观测中的研究进展

自适应光学技术克服大气湍流的干扰,使大口径光学望远镜的角分辨率不再受限于大气相干长度,成像接近光学系统的衍射极限.自适应光学技术在波前探测、校正和提高成像视场等方面的不断进步,极大地促进了天文学的发展.目前,天文观测中的自适应光学技术按应用主要分为三类:传统的大视场高分辨率天文观测、系外行星观测和太阳观测等.它们对自适应光学技术的要求各不相同,本文分别对自适应光学技术在这三方面的应用和其他关键单元技术的进展,进行了详细的总结与展望,这些对未来我国发展大口径自适应光学望远镜有参考价值.     

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。     

自适应光学在生物荧光显微成像技术中的应用

显微成像是开展微观生命科学研究的重要手段,其中荧光显微成像以其可特异性标记、暗场对比度高、动态示踪性能出色等优势在生物成像领域占据重要地位.由于活体生物组织通常是非透明、非均匀、各向异性的复杂三维结构,激发光和发射荧光在生物组织内传播时均会由于折射、散射、吸收等作用使得光波波前发生明显畸变,造成激发光点扩散函数以及荧光成像点扩散函数的性能显著降低.借助自适应光学技术可对上述经由生物组织传播产生的波前畸变进行实时探测和精确校正,从而提升激发光照明和发射荧光成像的空间分辨率和深度.本文归纳了生物荧光显微成像中的不同像差来源,介绍了自适应光学波前传感和校正的方法,概括了不同成像方式下波前校正的要求,重点讨论了自适应光学技术在不同类型荧光显微成像中的运用和实现方法,并对其今后的应用目标和发展方向提出展望.     

兴隆2.16m望远镜自适应光学系统

自适应光学系统是大口径天文望远镜克服大气湍流,提高望远镜成像质量的必备手段之一.本文针对兴隆2.16 m望远镜及其所在台址的大气视宁度,研制了一套自适应光学系统.系统的主要部件包括具有109个压电陶瓷驱动器的变形镜,具有100个子孔径的Shack-Hartmann波前传感器,以及基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的高速波前控制平台等.实验结果表明,该系统可以把大气扰动引起的波前像差的均方根值校正到0.1λ以下,获得接近衍射极限的成像质量.     

消像差光栅的波像差分析

波像差方法是M.Chrisp在研究超环面光栅的像差分析时提出的,采用像散面作为参考波阵面,发展了多元件系统波像差理论,是目前为止可以用来研究多元件系统像差分析的很好方法.在Chrisp波像差理论基础上,推导出二次曲面面型的变线距光栅的波像差表达式,讨论光栅面型和刻槽分布对成像特性的影响,最后介绍波像差方法在光学系统设计中的应用.     

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.     

自适应光学的眼科学应用

简述了自适应光学的基本原理，结合实验室的工作，介绍了自适应光学技术在人眼成像及视觉研究领域的应用，总结了在人眼像差测量和眼底泛光照明成像方面的工作，详细报道了在自适应光学相干层析技术和自适应光学视觉仿真器这两方面进展，给出了最新的实验结果．     

基于有限衍射波的合成孔径三维超声成像

现有的三维(3D)超声成像由于受到二维(2D)传感器工艺复杂和传统聚焦成像中声波传播时间的限制,成像系统帧率和分辨率都比较低.为此提出了基于有限衍射波的合成孔径成像方法,该方法使用一维(1D)传感器发射有限衍射波声场,采用合成孔径技术对整个目标区域回波信号综合处理,利用Fourier变换进行成像.计算机仿真结果表明,该方法可以用来成像.在当前成像方法中,该方法可以同时获得较高的帧率和分辨率,并且降低了对传感器的要求,具有较大的发展应用空间.     

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。     

光栅波像差理论的推广

克服M.Chrisp光栅波像差理论中存在的限制,使其适用范围得到推广.首先,用广义多项式表示光栅的面形方程,推导光栅的波像差系数,使该理论不仅适用于超环面,而且可适用于二次圆锥曲面等面形光栅的优化设计和成像分析;其次,以像散面作为参考波阵面,推导出光学系统出射波阵面为像散面,像面在非聚焦面处的几何像差计算公式;最后,应用Shadow光学追迹程序验证所得结论的正确性.     

自适应光学随机并行梯度下降控制算法的研究

随机并行梯度下降算法(SPGD)是一种比较有潜力的自适应光学的系统的控制算法,它具有速度快、无需信标光且不需要依赖波前传感器就可以对畸变波前进行校正的优点,近年来受到人们的广泛关注。本文应用zernike多项式模拟大气湍流畸变波前,以32单元变形镜为校正器,利用SPGD算法对畸变波前进行了初步校正研究。结果表明,SPGD算法可以用于校正波前畸变,且不同的参数如扰动幅值、增益系数的选取都会影响校正的效果,此外本文提出的分段增益方法可以在一定程度上优化该算法。     

基于59单元自适应光学系统的脉冲板条固体激光光束净化研究

光束质量是激光器的关键技术指标之一,利用自适应光学系统可以显著提升激光器的输出光束质量.本文研究了一种脉冲板条固体激光近场光强分布特性,利用哈特曼传感器测量了波前像差并进行了波前复原,修正了衍射极限倍数β值的计算方法.介绍了变形镜校正波前像差的理论模型,仿真计算了59单元变形镜对测量波前的校正情况,仿真计算校正后的远场峰值光强提高了3.2倍,衍射极限倍数β值提高了近3倍,校正效果明显.搭建了脉冲板条固体激光光束净化实验平台,开展了验证性实验研究,实验结果表明,利用59单元变形镜的自适应光学系统可以有效提升脉冲板条固体激光的输出光束质量,远场峰值光强提高了3倍,衍射极限倍数β值提高了约3倍,与仿真分析结果基本一致.本文的研究结论为后续将脉冲固体激光光束质量提升到近衍射极限水平提供了参考.     

激光散斑引起的波前探测误差及误差消除研究

激光具有较高的能量且单色性较好,因此被广为应用在弱光波前探测系统中。但激光的强相干性产生的像面散斑会造成CCD面阵上的光强无规律分布,导致波前重构质心算法的错误,进而降低波前像差探测的精度。分析了激光散斑降低波前探测精度的原因,并尝试用旋转散射体、多模光纤耦合及随机位相板等多种组合方法消除激光散斑,提升波前探测精度。评估几种方法对光强、光均匀性及消除散斑的效果进行对比分析、优化设计激光为光源的波前探测消散斑系统。最后利用随机位相板与多模光纤耦合的方法有效消除激光散斑,并进行消散斑前后的波前探测。该消散斑系统可有效消除激光散斑并提升波前探测精度,大幅提升了激光光源在自适应光学领域的应用性。     

基于Hartmann-Shack波前传感器的实时人眼像差测量

为实时、准确地测量人眼的像差,保证人眼像差校正时数据的准确性,依据Hartmann-Shack波前传感器测量像差探测原理,设计搭建了一套基于Hartmann-Shack波前传感器的人眼像差实时测量系统。用该系统对人眼的动态像差进行了测量实验,对实验的结果进行了分析。实验结果表明:为了满足传感器获取光斑图及保证人眼的安全,入瞳的激光功率80μW较为合适;像差测量的结果折算成屈光度与主观方法验光值结果基本相符;动态像差连续测量观察像差波动的时间约在0.2~0.5 s,与人眼的波前像差变化频率在5 Hz左右的结论基本相符。结果表明该系统满足了人眼像差测量的可行性和准确性要求。     

二元光学在透镜设计中的应用

根据光的衍射原理，采用二元光学技术制作光学元件．分析了透镜成像的标量衍射理论，研究了二元光学元件的制作方法，讨论了二元光学在透镜设计中的应用．研究表明，采用折射面和衍射面组合技术，可以校正单个透镜的球差和色差，从而使剩余的高阶像差很小．     

狭缝滤波对自适应光学校正性能影响的实验验证

搭建了一个光栅光谱仪系统,并在系统中集成了一套自适应光学系统,用于验证狭缝滤波对单阶Zernike像差的校正影响。实验结果表明,相对于传统的自适应光学校正方法,考虑狭缝滤波的影响可以降低自适应光学系统的校正要求,且闭环校正的迭代次数并没有明显增加,为自适应光学校正方法提供参考。     

无球差的光学曲面

当今光学仪器中,大都使用球面透镜,而这种透镜易形成较大像差,非球面透镜能够克服球面透镜的缺点,具有很高的实用价值.本文给出几种无球差光学曲面和无球差透镜,利用这种透镜能提高光学仪器的成像质量、简化内部结构.     

潜望镜照相窗口光学系统二级光谱校正分析

潜艇潜望镜光学系统的二级光谱非常大,严重影响潜望镜照相窗口照片的清晰度和分辨率.根据二级光谱像差理论,将多光谱CVD硫化锌光学材料应用于潜望镜照相窗口光学系统.采用光学设计软件ZEMAX进行优化设计,结果表明这种材料在潜望镜照相窗口光学系统中具有良好的消像差作用,成像质量优良,能满足较高的使用要求.最后进行了环境变化对光学系统的影响分析,确定了该光学系统的环境自适应区间.     

中红外波伪装效果检测光学设计

本设计可用于中红外波伪装效果的检测,它以中红外波光学成像为原理,通过分析目标辐射源和计算外形尺寸,确定镜头初始结构,校正像差,使辐射源清晰地成像在探测器上,完成检测。