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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于液晶微透镜阵列的自适应波前校正系统仿真研究 姓名：喻迪 申请学位级别：硕士 专业：模式识别与智能系统 指导教师：张新宇 20080604 I 摘 要 现代自适应光学的核心研究内容之一，就是对光波波前进行测量与分析，在此基 础上找出改变甚至校正波前的有效途径，为高性能成像探测服务。基于自适应光电系 统来直接测量及调制波前，由于简化了传统光学成像探测中的预(及后)处理程序，具 有传统光学系统所无法比拟的优越性，在高分辨率成像观测、高能量密度激光传输等 军事和民用领域具有广泛的应用前景。 在光学探测过程中，由于大气湍流、温度变化及粉尘颗粒等因素的干扰，光波前 在传输过
2、程中会发生扭曲、弯曲等现象，造成光波的等位相面畸变，使光学系统的分 辨率降低，成像质量下降等结果。自适应光学系统基于波前调制，结合相应算法，可 以有效降低甚至消除环境因素所引入的干扰。 目前常规的波前校正系统，大多利用可变形镜来校正源于大气扰动等的波前畸变, 以改善成像质量。尽管随着 MEMS 工艺的发展，器件的结构质量和尺寸在逐渐减小，功 耗逐渐降低，但始终存在控制复杂、响应速度慢、稳定性差、调整维度受限、机械惯 性大、光路复杂、光束不能以透射方式工作等缺陷，无法满足灵巧成像需求。 本文提出了一种新的自适应波前校正方法，即利用透射式的电控液晶微透镜阵列， 设计自适应波前测量与校正方案。结合课
3、题需求，对该方案的可行性及相应的校正能 力进行计算机仿真测试，并对仿真结果进行了分析和总结。实验结果显示了方案的可 行性。 关键词关键词: 自适应光学, 波前测量与校正, 液晶微透镜阵列, 计算机仿真 II ABSTRACT One of the core research content of modern adaptive optics is to measure and analyze the wavefront of light, and further to find effective approaches to change and/or even correct wavefro
4、nt for high performance imaging detection. The methods of direct measuring and modulating wavefront based on the adaptive opto-electronic systems, can effectively simplify the pre- and post-processing operation of conventional optical systems, and thus demonstrate some particular merits compared to
5、traditional optical systems, which can be widely used in fields such as high resolution imaging detection, high energy density laser transmission, beam shaping, and so on. In optical imaging detection, disturbances from circumstance factors such as atmospheric turbulence, temperature field change, a
6、nd dense dust particle distribution, result in bad phenomenon of the wavefront scatting and distorting during propagation circumstance field, and then cause phase distortions, and thus decrease imaging resolution and imaging quality. Adaptive optics systems based upon wavefront modulation, combined
7、with matching algorithm, can efficiently decrease or even completely eliminate disturbances from circumstance factors. Currently, common deformable mirrors have been widely used in wavefront correction systems to correct wavefront distortion from atmospheric disturbances, and remarkably improved ima
8、ging quality. As the development of MEMS technology, the weight and feature size of deformable mirrors have gradually decreased, and then power consumption is also lowered considerably. But disadvantages such as complex controlling, slow response, poor stability, limited degrees of working freedom,
9、much great mechanical inertia, complex optical system, being unable to work in propagation way, still exist, and thus the systems with deformable mirror cant meet the highly efficient imaging demands of smart imaging. This thesis presents a new adaptive correction method, that is to use transmission
10、-type electronically controlled liquid crystal microlens array to perform wavefront measurement and further correction. Combining project requirements, the computer simulation is used to validate the feasibility of the scheme, and therefore predict the correction power and adjustment ability of the
11、technique. The results show the effectiveness of the scheme. Key words: adaptive optics, wavefront measurement and correction liquid crystal microlens array, computer simulation 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式
12、标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 (请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪论 1.1 自适应光学概述 光学成
13、像系统或激光传输系统发射的光束在空间传输的过程中，由于大气湍流、 粉尘颗粒、温度和其他系统内部和外部各种干扰因素的存在，接收时并不是理想的目 标像，而是存在各种静态或动态的像差。例如，光学系统的抖动、受热变形等会引起 光学系统中较缓慢变化的随机波前像差，而大气湍流等会造成较快速变化的随机波前 像差。目前使用广泛的远距离光束传播应用，如大型天文望远镜、激光通信或导弹制 导，大气湍流是限制系统成像分辨率和光束能量聚集的主要因素。这是因为长距离的 大气分布不均和高速运动产生的热量都会导致环境状况的复杂化，使得目标光波在穿 过大气时发生波前畸变，从而导致观测窗口成像面上的目标图像发生抖动、模糊和变 形
14、以及光束的扩散。 传统的光学技术通过提高加工精度、控制温度变化、选择较宁静的工作环境等措 施，可以在一定程度上减小系统的静态波前像差，但对于大气湍流等因素造成的动态 像差，传统光学技术就无能为力，必须寻找新的校正方法。 美国天文学家 H. W. 巴布科克 (Bablck Horace Welcome) 于 1953 年首先提出了自 适应光学的基本概念 1 。 他提出用实时测量大气湍流波前误差并加以实时补偿的方法 来解决大气湍流等动态干扰的思想， 这是自适应光学的核心理论2。 但是将想法变为现 实并不是一件容易的事情。在那个年代，人们尚不清楚大气湍流导致的光波波前相位 扰动的具体形式；另外，那时
15、的光电技术和计算机水平也很低，不能满足自适应光学 实时计算和控制的需要。直到 20 世纪 70 年代，光电子技术、计算机技术、微机械电 子技术等相关领域的发展，使得自适应光学系统的关键元器件研制成功，自适应波前 实时探测及校正技术才得到迅猛的发展，成为令人瞩目的新技术，在军事和民用领域 得到广泛的应用3。 闻名于世的哈勃空间天文望远镜上， 就采用了自适应光学技术校正 由于失重和温度变化引起的光学系统误差4。此外，光电领域的最前沿方向，如激光光 束质量改善、激光谐振腔、激光核聚变、激光通讯和医学等方面，自适应光学技术在 其中的应用研究也逐渐引起重视。 2 1.2 自适应光电校正系统 随着自适应光
16、学理论和相关学科的不断发展，实际的波前校正系统结构和功能各 异，但都包括下述三个基本组成部分：波前传感器、波前控制器和波前校正器。波前 传感器测得受大气扰动而失真的目标光波的波前畸变；波前处理器对波前传感器的测 量结果进行处理后重构出波前信息，并对波前校正器输出相应的控制信号；波前校正 器对失真畸变进行校正，最终得到清晰的目标图像。 目 标 物 体 大 气 扰 动 波 前 校 正 器 成 像 器 件 波 前 传 感 器波 前 处 理 器 图 1-1 典型自适应光电校正系统示意图 1.2.1 波前传感器 波前传感器是自适应光学系统最重要的组成部分之一，起着系统伺服回路波前误 差传感的作用。它通过实时连续测定望远镜入瞳面上动态入射波前的相位畸变，为波 前校正器实时提供控制信号。自适应光学中所用的波前传感器技术从数学模型上看主 要可分为两大类。一类是通过测量波前的斜率来获得波前相位信息，如剪切干涉仪、 夏克-哈特曼(Shack-Hartmann)波前传感器； 另一类是通过测量波前的曲率来获得波前相 位信息，如波前曲率传感器。目
