1 江南大学 理学院，江苏 无锡 214122
2 江苏省轻工光电工程技术研究中心，江苏 无锡 214122
3 光电对抗测试评估技术重点实验室，河南 洛阳 471003
自适应光学技术被广泛应用于人眼像差的校正，从而实现眼底细胞和微血管进行高分辨率成像。传统自适应光学系统受夏克哈特曼波前探测器的动态范围限制，只对部分人群适用，无法对高屈光不正人群进行眼底高分辨率成像。为了提高眼底自适应光学成像系统普适性，本文设计了一种基于音圈变形镜高分辨率眼底自适应光学成像系统：引入Badal调焦系统，能够对人眼屈光度在-8~8 D的眼底进行高分辨率成像；用轴锥透镜组代替传统的环形光阑，控制正、负轴锥透镜间距可以调节环形光内径，以适应不同人眼的角膜，同时避免角膜反射的杂光；通过视标引导实现大视场成像。仿真结果表明，照明子系统在眼底视网膜照度分布均匀；在设定的公差范围内，至少有90%的MTF值在25 lp/mm达到0.21（对应视网膜上4 μm）。在实验室搭建了相应的光路，对大畸变的模拟人眼进行了成像，获得了较好的成像效果。
自适应光学 人眼像差 音圈变形镜 眼底成像 adaptive optics human ocular aberrations voice coil deformable mirror fundus imaging
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利用泊松网格优化算法设计了激光束整形自由曲面透镜，通过4次迭代，目标面的网格分布就接近于最优分布。使用该最优的目标面网格，基于输入光束与输出光束之间的能量映射关系，计算自由曲面各采样点的法向矢量，基于泊松面形构建算法获得自由曲面矢高，从而构建自由曲面透镜。为了验证所提方法的可行性，针对正方形目标面和矩形目标面分别设计了自由曲面透镜，这两种透镜在目标面上的辐射照均匀度分别达到91%和93%。为了验证自由曲面的平滑性，使用一个6阶9项多项式进行拟合，拟合后的均方根误差达到1.394×10-3，表明所设计的自由曲面具有很高的平滑度。使用拟合数据建立自由曲面透镜，其目标面辐照均匀度几乎保持不变。采用随机统计分析方法对自由曲面透镜装配公差进行分析，结果表明在给定的公差范围，大部分样本的辐照均匀度保持在88%左右。
光学设计 激光束整形 自由曲面 泊松方程 网格优化 平滑度
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将机器学习算法应用于设计连续型相位分布的衍射光学元件（DOE），该元件可用于激光整形。将DOE的相位分布数据拟合为多项式，通过神经网络构建系统参数（如束腰半径、目标面的大小、DOE和目标面的距离等）与DOE相位系数之间的映射关系。基于这种关系，当给定一组系统参数，可以自动预测出DOE的相位系数。该方法克服了传统设计方法在参数改变时需要通过重新迭代来计算相位分布的局限性。研究了系统参数超出训练范围对预测精度的影响，分析了各个参数对预测能力的影响。结果表明：该方法在系统参数的训练范围内对相位系数的预测准确度均在99.9%以上。当所有参数在预先训练范围基础上正向和反向同时扩大80%和55%时，预测的准确度依然保持在99.5%和97.5%以上。研究也表明，目标面小于预定的范围对预测的准确度影响最明显。
光学器件 光学设计 衍射光学元件 光束整形 神经网络 回归分析
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提出了一种适用于二维面形加权叠加的方法，该方法可以针对扩展LED光源设计自由曲面对光分布进行调控。在光源面上取5个采样点作为5个点光源产生5个自由曲面，对每个自由曲面数据点分别乘以权重因子，对加权之后的自由曲面进行叠加，叠加后的自由曲面作为初始轮廓。使用粒子群算法对权重因子做进一步优化，获得最优权重因子，使用最优权重因子对5个自由曲面进行加权叠加。使用叠加之后最优的自由曲面构成的透镜对扩展LED光源进行光分布调控，模拟结果表明，使用该方法可使目标面的照度均匀度达到75%，比初始透镜在目标面产生的照度均匀度提高了15%。该方法具有优化变量少、面形连续性好、收敛速度快等优点。
光学设计与制造 发光二极管 扩展光源 自由曲面 面形加权叠加 粒子群算法 激光与光电子学进展
2022, 59(11): 1122003
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离轴反射无焦光学系统在空间望远镜中具有重要的应用,自由曲面能够校正离轴反射系统中的非对称像差。设计自由曲面离轴反射无焦系统的初始结构非常关键。提出了正交种子曲线扩展算法(OSCE),可直接设计自由曲面离轴反射无焦系统的初始结构。为了验证方法可行性,分别设计了放大倍率为10和20的离轴无焦三反和四反系统。设计结果表明离轴三反系统初始结构均方根(RMS)波前差为0.36 λ,离轴四反系统初始结构波前差为0.18 λ。对这两个初始结构分别进行优化,优化之后的RMS波前差小于0.02 λ。
光学设计 离轴反射无焦系统 正交种子曲线扩展 自由曲面 波前差
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影响大口径地基自适应光学望远镜成像的因素很多，为获得近衍射极限的高分辨力成像效果，需要对系统的关键参数进行优化。本文分析了影响地基光学望远镜成像的误差源，建立合理的误差评价模型。并利用仿真的方法对该模型进行了验证，并对湍流条件、望远镜口径、采样频率、变形镜驱动器间距、导星等关键参数进行了优化分析。与仿真结果对比表明：误差模型预测精度在较好的观测条件下能达到30 nm以内。该模型也为自适应光学系统在生物显微成像、眼底成像、激光大气通信等领域的应用提供了参考。
自适应光学 高分辨成像 波前探测 变形镜 误差分析 adaptive optics high resolution imaging wavefront detection deformable mirror error budge
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音圈变形镜具有无磁滞、响应快、调制量大等优点，在大口径光学望远镜中已经替代了传统的压电变形镜。为提高音圈变形镜驱动器的效率，本文研究了影响驱动器电磁力和效率的因素，建立了音圈驱动器的三维模型，并利用有限元分析软件对其磁体充磁方向、磁体尺寸、线圈尺寸和驱动器结构等参数进行了有限元仿真分析和优化。结果表明，本文设计的动磁式音圈驱动器输出力可达0.43 N，电机常数可达0.9,输出力和输入电流有良好的线性关系，为音圈变形设计和应用提供了理论基础。
变形镜 音圈驱动器 有限元仿真 电磁力 电机常数 deformable mirror voice coil actuator finite element analysis electromagnetic force actuator constant
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针对7单元音圈变形镜的结构进行了设计, 对镜面进行了力学分析, 并基于有限元ANSYS软件对镜面不同材料及物理参数对最大变形量及镜面应力的影响关系进行了仿真。实验结果表明, 所设计的音圈变形镜在镜面具有优良力学特性的条件下, 基本满足了变形镜对校正量、影响函数等主要性能指标的要求。仿真结果可以为更多驱动单元数的音圈变形镜提供参考。
变形镜 音圈驱动器 光学玻璃 自适应光学 有限元分析 deformable mirror voice-coil actuator optical glass adaptive optics finite element analysis
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设计了一种离轴双反射自由曲面激光整形系统,不仅可以使输出光束辐照度分布变均匀,而且可以控制输出波前和扩束率。通过设置两个约束条件和初始条件,获得自由曲面上相邻采样点之间的迭代关系,从而计算整个自由曲面上所有采样点。利用软件对系统进行验证,将16 mm×16 mm的方形高斯束分别整形为80 mm×80 mm的方形均匀光斑和120 mm×20 mm的矩形均匀光斑,出射光束均为准直光束。结果表明:方形光斑均匀度为90.74%,光束扩束率为5;矩形光斑均匀度为94.75%,水平方向扩束率为7.5,竖直方向扩束率为1.25。
激光整形 自由曲面 离轴反射 辐照度均匀性 激光与光电子学进展
2020, 57(7): 070801
