波前重建是自适应光学系统中的一个重要环节,对系统性能影响明显。 研究了一种无参考输入光条件下,基于Shack-Hartmann波前传感器的自适应波前重建算法,能根据实际光斑图的特点, 自动确定探测窗口, 计算实际质心、参考质心, 选择重建区域和获取入射波前的Zernike模式系数,讨论了 参考质心选择对波前重建结果的影响。搭建自适应光学系统,通过测量和校正模拟大气像差对重建算法进行了验证。 实验结果表明,基于该重建算法的自适应光学系统可以把大气扰动引起的波前像差校正到0.1λ以下, 获得接近衍射极限的成像质量,说明该重建算法具有可靠性与实用性。

对比分析了基于近红外光谱的人眼像差校正系统中两种微机械薄膜变形镜(OKO37单元和BMC140单元)的结构特征和空间特性, 着重对变形镜的影响函数进行了主成分研究, 建立了变形镜电压控制模型, 并通过调整参数d确定变形镜最优控制模式。 最后对Zernike单位模式波前像差和Thibos模式人眼波前像差进行拟合仿真实验, 结果表明BMC140单元变形镜对Zernike各阶模式的拟合能力均为OKO37单元变形镜的2倍以上。 对RMS均值为0.683λ(λ=0.785 μm)的Thibos模式人眼像差, BMC变形镜校正后残余像差RMS值为0.063λ, 达到了光学系统的衍射极限(λ/14)。 而OKO变形镜由于受相邻电极交连值大、 电极分布密度小等因素的影响, 其校正能力不及BMC变形镜, 残余像差RMS值为0.168λ。 本方法也可用于其他种类变形镜的性能评估。

像差校正模式项数是自适应光学系统模式控制算法中的一个重要参数，其大小对补偿效果影响明显。通过对系统响应函数矩阵的奇异值分解构建像差模式空间，以不同控制项数下残余像差的均方根估计为依据确定每次校正的模式项数，提出了一种模式项数动态优化的控制方法。以Hartmann-Shack波前传感器和薄膜变形镜为主要部件搭建自适应光学实验系统，通过拟合不同像差验证上述控制方法，实验结果表明，和固定项模式控制方法比较，动态优化方法校正的系统残余像差更低，可明显提高自适应光学系统的空间拟合性能。

介绍了基于Hartmann-Shack传感器的Zernike模式法人眼波前像差重建模型和包括Gram-Schmidt正交变换﹑Householder变换和奇异值分解在内的3种算法的具体推导过程以及对比分析结论, 并利用实验测量数据进行了仿真, 结果表明3种算法精度相当, 奇异值分解算法是较为理想的人眼波前像差重建算法。

通过对微机械薄膜变形镜影响函数矩阵的奇异值分解, 构建了变形镜可以校正的像差模式空间, 分析了变形镜对正交基模式的校正能力和校正范围, 提出了一种变形镜闭环迭代控制算法。通过对影响函数矩阵低秩近似的方法滤除校正性能较差的基模式的影响, 实现了对畸变像差的有选择校正。以人眼出射波前为对象进行实验, 通过比较不同模式项数校正时的效果, 确定了最优校正模式项数的范围, 通过设置残差容限的方法, 消除了人眼晃动和眨眼的影响。实验结果表明:控制算法能通过选择合适的校正项数, 提高变形镜的校正性能, 并获取到了高清晰度的人眼视网膜图像, 为眼科疾病诊断和治疗提供了一种新的观察手段。

借助影响函数矩阵,分析了变形镜拟合波前像差的性能。提出了一种滤除高阶像差模式影响的波前控制算法,弥补了最速下降法无法通过模式选择优化校正过程的缺点,提高了变形镜的校正能力。对人眼出射的畸变波前进行实验,结果表明,经过6次迭代以后,波前的均方根值(RMS)达到衍射极限,系统闭环校正频率为15 Hz。说明基于该控制算法的微机械薄膜变形镜自适应光学系统能够实时校正动态人眼像差,为搭建小型化、低成本的人眼波前像差校正系统提供了算法支持。

提出一种标定Hartmann-Shack波前传感器结构参量的新方法，通过基于Zernike多项式的模式复原算法推导出公式，结合实验手段获得相应数据，处理后得到微透镜阵列到CCD之间的距离.该方法有效改善了以微透镜焦距代替实际参量计算斜率引入较大误差的状况，在降低传感器装配准确度要求的同时，提高了Hartmann-Shack波前传感器的探测准确度.经实验验证该方法在一般实验条件下即可获得满意效果.

介绍了微机械薄膜变形镜(MMDM)面形影响函数的意义,并测量了Oko 公司37 通道MMDM 的面形影响函数矩阵,实验验证了镜面形变和单个驱动电极电压平方之间的线性关系,分析了变形镜的校正能力,建立了自适应光学系统闭环校正的模型。搭建基于MMDM 的自适应光学实验系统,采用人眼出射波前作为原始波前进行实验,结果表明,模型能快速有效的对动态畸变波前进行校正,为基于MMDM 的自适应光学系统提供了算法支持。

为求出自适应光学系统的最优校正电压, 提出了一种基于改进奇异值分解的闭环迭代控制算法。该算法可通过调节控制参量g1,g2和w,优化模式的收敛速度, 使控制信号快速收敛到一个可靠的局部最优解。搭建基于微机械薄膜变形镜(MMDM)的自适应光学系统, 测量光学影响函数并验证单个电极电压和镜面变形之间的准平方线性关系, 以及各个驱动器电极响应之间的线性叠加性。分别采用模拟眼和人眼出射波前作为原始波前进行实验。实验结果表明, 改进算法能快速有效地对静态或动态畸变波前进行校正, 为基于MMDM的自适应光学系统提供了算法支持。