无调制两面锥波前传感器的衍射理论分析和数值仿真

王建新; 白福忠; 宁禹; 黄林海; 姜文汉

doi:10.7498/aps.60.029501

摘要

两面锥波前传感器(two-sided pyramid wavefront Sensor,TSPWFS)是一种高空间采样率和高光能利用率的波前传感器.为了深入研究它的波前复原原理,采用波动光学理论详细推导了无调制TSPWFS的衍射理论,给出了无调制TSPWFS波前复原时线性重构矩阵的解析解,并且通过数值仿真确定出最佳的光瞳像中心间距,并对静态像差的波前复原及闭环校正进行数值仿真.分析结果表明,无调制TSPWFS具有波前复原时不需要现场测量响应矩阵,可以校正系统像差,闭环校正结果稳定等优点,可以在实际自适应光学系统中进行波前探测.

关键词:

Abstract

Two-sided pyramid wavefront sensor (TSPWFS) is a kind of wavefront sensor with high spatial resolution and light energy utilization. To deeply study the principle of wavefront reconstruction of this wavefront sensor using wave optics theory, this paper deduces the diffraction theory of non-modulation TSPWFS and gives the analytic solution of linear reconstruction matrix for wavefront reconstruction. With numerical simulation the optimal distance between adjacent pupil image centers was determined. Also, wavefront reconstruction and closed-loop correction of static aberrations by using non-modulation TSPWFS as a wavefront sensor were simulated. The results show that non-modulation TSPWFS has three main advantages. i.e., it does not require measuring the response matrix in real optical setup, and can correct the optical systemic aberration, and can achieve stable closed-loop correction result. Additionally, non-modulation TSPWFS can be applied to a real adaptive optics system to detect wavefront.

Keywords:

作者及机构信息

(1)中国科学院光电技术研究所,成都 610209;中国科学院自适应光学重点实验室,成都 610209; (2)中国科学院光电技术研究所,成都 610209;中国科学院自适应光学重点实验室,成都 610209;国防科学技术大学光电工程学院,长沙 410073; (3)中国科学院光电技术研究所,成都 610209;中国科学院自适应光学重点实验室,成都 610209;中国科学院研究生院,北京 100049; (4)中国科学院光电技术研究所,成都 610209;中国科学院自适应光学重点实验室,成都 610209;中国科学院研究生院,北京 100049;内蒙古工业大学机械学院,呼和浩特 010051

基金项目: 国家自然科学基金青年科学基金(批准号:61008038)资助的课题.

Authors and contacts

(1)Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209, China;Key Laboratory on Adaptive Optics of the Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209, China; (2)Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209, China;Key Laboratory on Adaptive Optics of the Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209, China;College of Photon-Electron Science and Engineering, National University of; (3)Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209, China;Key Laboratory on Adaptive Optics of the Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209, China;Graduate University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, Chi

参考文献

[1]	Ragazzoni R 1996 J. Modern Opt. 43 289
[2]	Ragazzoni R, Baruffolo A, Farinato J, Ghedina A, Marchetti E, Esposito S, Finid L, Ranfagni P, Bortoletto F, D’A1essandro M 2000 Proc. SPIE 4007 57
[3]	Ghedina A, Cecconi M, Ragazzoni R, Farinato J, Baruffolo A, Crimi G, Diolaiti E, Esposito S, Fini L, Ghigo M, Marchetti E, Niero T, Puglisi A 2003 Proc. SPIE 4839 869
[4]	Hill J M, Salinari P 2003 Proc. SPIE 4837 140
[5]	Clare R M, Louarn M L, Oberti S, Rissman A G 2008 Proc.SPIE 7015 701572-1
[6]	Chamot St R, Dainty Ch 2006 Opt.Express 14 518
[7]	Esposito S, Pinna E, Puglisi A, Tozzi A, Stefanini P 2005 Opt. Lett. 30 2572
[8]	Ragazzoni R, Farinato J 1999 A&A 350 L23
[9]	Ning Y, Yu H, Zhou H, Rao C H, Jiang W H 2009 Acta Phys. Sin. 58 4717 (in Chinese) [宁禹、余浩、周虹、饶长辉、姜文汉 2009 58 4717]
[10]	Li C H, Xian H, Jiang W H, Rao C H 2007 Acta Phys. Sin. 56 4289 (in Chinese) [李超宏、鲜浩、姜文汉、饶长辉 2007 56 4289]
[11]	Zhang Y Y, Rao C H, Li M, Ma X Y 2010 Acta Phys. Sin. 59 5904 (in Chinese) [张艳艳、饶长辉、李梅、马晓燠 2010 59 5904]
[12]	Bai F Z, Rao C H 2010 Acta Phys. Sin. 59 4056 (in Chinese) [白福忠、饶长辉 2010 59 4056]
[13]	Chew T Y, Clare R M, Lane R G 2006 Opt. Commun. 268 189
[14]	Ragazzoni R, Diolaiti E, Vernet E 2002 Opt. Commun. 208 51
[15]	LeDue J, Jolissaint L, Véran Jean-P, Bradley C 2009 Opt.Express 17 7186
[16]	Costa B J 2005 Appl. Opt. 144 60
[17]	Vérinaud C 2004 Opt.Commun. 233 27
[18]	Philion D W, Baker K 2006 Proc. SPIE 6272 627228-1
[19]	Korkiakoski V 2008 Ph. D. Dissertation (Finland: Helsinki University of Technology Control Engineering)
[20]	Wilson R G 1975 Appl. Opt. 14 2286

施引文献

[1]	Ragazzoni R 1996 J. Modern Opt. 43 289
[2]	Ragazzoni R, Baruffolo A, Farinato J, Ghedina A, Marchetti E, Esposito S, Finid L, Ranfagni P, Bortoletto F, D’A1essandro M 2000 Proc. SPIE 4007 57
[3]	Ghedina A, Cecconi M, Ragazzoni R, Farinato J, Baruffolo A, Crimi G, Diolaiti E, Esposito S, Fini L, Ghigo M, Marchetti E, Niero T, Puglisi A 2003 Proc. SPIE 4839 869
[4]	Hill J M, Salinari P 2003 Proc. SPIE 4837 140
[5]	Clare R M, Louarn M L, Oberti S, Rissman A G 2008 Proc.SPIE 7015 701572-1
[6]	Chamot St R, Dainty Ch 2006 Opt.Express 14 518
[7]	Esposito S, Pinna E, Puglisi A, Tozzi A, Stefanini P 2005 Opt. Lett. 30 2572
[8]	Ragazzoni R, Farinato J 1999 A&A 350 L23
[9]	Ning Y, Yu H, Zhou H, Rao C H, Jiang W H 2009 Acta Phys. Sin. 58 4717 (in Chinese) [宁禹、余浩、周虹、饶长辉、姜文汉 2009 58 4717]
[10]	Li C H, Xian H, Jiang W H, Rao C H 2007 Acta Phys. Sin. 56 4289 (in Chinese) [李超宏、鲜浩、姜文汉、饶长辉 2007 56 4289]
[11]	Zhang Y Y, Rao C H, Li M, Ma X Y 2010 Acta Phys. Sin. 59 5904 (in Chinese) [张艳艳、饶长辉、李梅、马晓燠 2010 59 5904]
[12]	Bai F Z, Rao C H 2010 Acta Phys. Sin. 59 4056 (in Chinese) [白福忠、饶长辉 2010 59 4056]
[13]	Chew T Y, Clare R M, Lane R G 2006 Opt. Commun. 268 189
[14]	Ragazzoni R, Diolaiti E, Vernet E 2002 Opt. Commun. 208 51
[15]	LeDue J, Jolissaint L, Véran Jean-P, Bradley C 2009 Opt.Express 17 7186
[16]	Costa B J 2005 Appl. Opt. 144 60
[17]	Vérinaud C 2004 Opt.Commun. 233 27
[18]	Philion D W, Baker K 2006 Proc. SPIE 6272 627228-1
[19]	Korkiakoski V 2008 Ph. D. Dissertation (Finland: Helsinki University of Technology Control Engineering)
[20]	Wilson R G 1975 Appl. Opt. 14 2286

[1]	陈克乐, 周家辉, 韩文雨, 饶学军, 郭友明, 饶长辉. 自适应光学系统最优模式增益的快速估计方法. , 2023, 72(13): 139502. doi: 10.7498/aps.72.20230290
[2]	方波浪, 王建国, 冯国斌. 基于物理信息神经网络的光斑质心计算. , 2022, 71(20): 200601. doi: 10.7498/aps.71.20220670
[3]	何婷, 田博宇, 邱蝶, 张彬. 基于直角锥面变形镜的薄管激光光束质量提升新方法. , 2021, 70(17): 179501. doi: 10.7498/aps.70.20210603
[4]	赵旺, 董理治, 杨平, 王帅, 许冰. 基于瀑布型多重网格加速的复指数波前复原算法. , 2019, 68(10): 104209. doi: 10.7498/aps.68.20182137
[5]	张艳艳, 陈苏婷, 葛俊祥, 万发雨, 梅永, 周晓彦. 自适应非凸稀疏正则化下自适应光学系统加性噪声的去除. , 2017, 66(12): 129501. doi: 10.7498/aps.66.129501
[6]	刘章文, 李正东, 周志强, 袁学文. 基于模糊控制的自适应光学校正技术. , 2016, 65(1): 014206. doi: 10.7498/aps.65.014206
[7]	唐艳秋, 孙强, 赵建, 姚凯男. 一种基于全息术的光学系统闭环像差补偿方法. , 2015, 64(2): 024206. doi: 10.7498/aps.64.024206
[8]	郭友明, 饶长辉, 鲍华, 张昂, 魏凯. 一种自适应光学系统响应矩阵的直接计算方法. , 2014, 63(14): 149501. doi: 10.7498/aps.63.149501
[9]	郭友明, 马晓燠, 饶长辉. 自适应光学系统倾斜校正回路的最优闭环带宽. , 2014, 63(6): 069502. doi: 10.7498/aps.63.069502
[10]	王宇煜, 高妍琦, 朱海东, 卢兴华, 张军勇, 郭亚晶, 惠宏超, 朱宝强. 包含波面校正的四程放大系统的准直问题研究. , 2013, 62(5): 055201. doi: 10.7498/aps.62.055201
[11]	简小华, 崔崤峣, 向永嘉, 韩志乐. 自适应多光谱光声成像技术研究. , 2012, 61(21): 217801. doi: 10.7498/aps.61.217801
[12]	刘超, 胡立发, 穆全全, 曹召良, 胡红斌, 张杏云, 芦永军, 宣丽. 用于开环液晶自适应光学系统的模式预测技术研究. , 2012, 61(12): 129501. doi: 10.7498/aps.61.129501
[13]	刘超, 胡立发, 曹召良, 穆全全, 彭增辉, 宣丽. 快速响应的硅基纯相位液晶器件对动态大气湍流波前的校正能力研究. , 2012, 61(8): 089501. doi: 10.7498/aps.61.089501
[14]	卢婧, 李昊, 何毅, 史国华, 张雨东. 超分辨率活体人眼视网膜共焦扫描成像系统. , 2011, 60(3): 034207. doi: 10.7498/aps.60.034207
[15]	张艳艳, 饶长辉, 李梅, 马晓燠. 基于电子倍增电荷耦合器件的哈特曼-夏克波前传感器质心探测误差分析. , 2010, 59(8): 5904-5913. doi: 10.7498/aps.59.5904
[16]	白福忠, 饶长辉. 针孔直径对自参考干涉波前传感器测量精度的影响. , 2010, 59(6): 4056-4064. doi: 10.7498/aps.59.4056
[17]	白福忠, 饶长辉. 自参考干涉波前传感器中针孔直径对闭环自适应光学系统校正精度的影响. , 2010, 59(11): 8280-8286. doi: 10.7498/aps.59.8280
[18]	宁禹, 余浩, 周虹, 饶长辉, 姜文汉. 20单元双压电片变形镜的性能测试与闭环校正实验研究. , 2009, 58(7): 4717-4723. doi: 10.7498/aps.58.4717
[19]	蔡冬梅, 凌宁, 姜文汉. 纯相位液晶空间光调制器拟合泽尼克像差性能分析. , 2008, 57(2): 897-903. doi: 10.7498/aps.57.897
[20]	李超宏, 鲜浩, 姜文汉, 饶长辉. 用于白天自适应光学的波前探测方法分析. , 2007, 56(7): 4289-4296. doi: 10.7498/aps.56.4289

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