为了实现高能激光材料热效应参量的在线测试,设计了一套50mm口径的测量装置。装置采用准直He-Ne激光为光源,准直光经激光材料后的光程差用Hartmann-Shack波前传感器检测。根据波像差分解理论及波前变换关系,获得了高能激光材料热效应参量。分析评估了装置的扩展测量不确定度,对影响测量不确定度的系统参量进行了校准,最后设计并完成了测量不确定度对比验证实验。结果表明,系统波前畸变测量不确定度为0.06λ, 30m~120m范围热焦距的扩展测量不确定度为8.4%。该系统能有效地用于高能激光材料热效应参量的在线测试。

人眼波前像差随时间涨落会引起人眼光学性能和视觉功能的改变.采用改进的Hartmann-Shack波前传感器人眼像差仪对10只屈光度为0 D-－5.0 D、直径为3 mm和6 mm的人眼瞳孔的波前像差进行测量, 其中每只人眼在5 s内连续测量125次, 测量频率为25 Hz.为确定测量过程中是否引入人为像差, 对人造眼3 mm和6 mm瞳孔的动态波前像差进行测量比对.结果表明: 所测量的10只人眼3 mm和6 mm瞳孔总的Zernike波前像差均方根涨落幅度的平均值分别为0.087 μm和0.105 μm, 均大于Marechal衍射极限;Zernike第3阶到第7阶波前像差均方根涨落幅度随像差阶数的递增而下降, 涨落幅度为0.06-0.02 μm;人眼波前像差的涨落频率达6 Hz.

为提高自适应光学系统中Hartmann-Shack波前传感器的动态测量范围和测量精度, 对由CCD采集的波前光斑图进行了质心探测研究。介绍了波前传感器的工作原理, 根据127单元传感器的结构特征和实际人眼光斑图的畸变特点, 提出了一种动态定位光斑区域、动态分割区域内部阈值以及锁定最优探测窗口的自适应光斑质心探测方法。讨论了该方法中阈值等级选取对人眼光斑图质心探测的影响, 并通过仿真和实验分析了算法的质心探测精度和算法对噪声影响的鲁棒性。实验结果表明, 光斑区域内选取阈值等级为总等级数的(50±3)%时最合适; 与其他方法相比, 自适应质心探测方法的探测误差减小了60%以上; 将该探测方法运用至自适应光学视网膜成像系统的波前传感器中, 可将人眼像差RMS值从0.728λ闭环校正到0.081λ(λ=785 nm), 达到衍射极限, 并获得视网膜图像。本方法针对光斑特征选择不同实验参数, 弥补了传统算法的局限性, 基本满足了人眼像差测量的可行性和实用性。

高功率全固态激光器的诸多腔内扰动因素均会直接影响到激光输出功率和光束质量。首先采用传输矩阵方法简要讨论了在稳定腔情形下热透镜焦距与本征模式光斑尺寸的关系。进一步采用Hartmann-Shack波前传感器和模式法波前重构,对二极管抽运全固态声光调Q激光器输出倍频光束质量进行了分析,得到前35阶Zernike像差系数、波前峰谷值和均方根等畸变参量,计算还可得到点扩散函数分布和环围能量曲线等,从而全面了解输出光束质量和动态像差特性。分析表明输出倍频光的波前Zernike像差主要集中在前15 阶,由于晶体热效应及腔内其它扰动因素的影响,较显著波前像差有离焦系数Z3、低阶像散Z4和Z5,以及球差Z10等。

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.

定量地研究高级像差对人眼成像质量和视觉的影响对人眼像差矫正具有重要的实验和临床意义.利用Hartmann-Shack波前传感器人眼像差仪测量了正常人眼6mm瞳孔的波前像差,由波前像差计算出人眼光学系统的光学调制传递函数MTF和Strehl比率,并由MTF和视网膜空间像调制度AIM曲线计算出人眼视锐度和对比敏感度函数CSF.根据MTF和Strehl比率分析了高级像差对人眼成像质量的影响,根据视锐度和对比敏感度函数CSF分析了高级波像差对视觉的影响.研究表明Zernik前6级像差对人眼成像质量和视觉的影响是不可忽略的,更高级的像差对人眼成像质量和视觉的影响较小,甚至可以忽略.对Zemik前6级像差进行矫正,可以得到相当好的视觉.

应用改进的Hartmann-Shack波前传感器人眼像差仪,测量了5只5.2mm瞳孔的正常眼,向鼻侧和颞侧两个水平方向50°视场角Zernike第二级到第十级的波前像差.视场角从鼻侧和颞侧两个水平方向从0°增大到50°时,Zernike第三级波前像差的rms值平均增大2倍;Zernike第四级波前像差的rms值平均增大1.8倍;Zernike第五级到第十级波前像差的rms值平均增大1.7～1.3倍.

哈特曼-夏克波前传感器进行波前探测时,用子孔径光斑强度的一阶矩来计算光斑质心位置,子孔径窗口作为探测窗口,但探测时子孔径窗口内噪声对一阶矩有很大的影响,会使质心探测精度产生很大的误差.因此在计算质心位置时探测窗口的选取对探测精度有重要影响,必须选取合适的探测窗口来提高光斑质心探测精度.为此,在传统算法的基础上提出优化探测窗口的方法来提高质心探测精度,仿真和实验结果表明新方法提高了质心探测的精度,未经处理的高噪声恢复波前的波前残差峰谷值是2.851 4λ,均方根值是0.606 3λ,优化探测窗口后波前残差的峰谷值是1.636 2 λ,均方根值是0.367 1 λ,重构误差减小了40%.证明了算法的可行性和稳定性.

采用Hartmann-Shack人眼像差仪,测量了人眼在3.1mm, 5.2mm和6mm瞳孔直径下的波前像差.波前像差的RMS值表明,随着瞳孔直径的增大,人眼各阶波前像差均随着增大.与瞳孔直径为3.1mm时相比,瞳孔直径为6mm和5.2mm时,Zernike 2-10阶波前像差的RMS值分别增大1.2-7.7倍和1.1-4.8倍.用调制传递函数(MTF)和Strehl比评价了高阶波前像差对成像质量的影响,结果表明,大瞳孔高阶波前像差对成像质量的影响大于小瞳孔;在3.1mm, 5.2mm和6mm瞳孔直径下,欲达到衍射极限的Strehl比率,分别需要矫正Zernike波前像差前2-4阶、前3-6阶和前5-7阶,需矫正的像差阶数随瞳孔直径的增大而增加.

人眼像差哈特曼测量仪利用Hartmann-Shack波前传感器探测波前,并用Zernike多项式实现波前的重建.测试结果的重复性对该仪器来说是至关重要的.此仪器对模拟人眼静态像差和活体人眼动态像差分别进行单帧采集和连续采集,所得的模拟人眼静态像差Zernike系数的标准偏差的最大值,PV与RMS依次为0.016λ,0.061λ和0.006λ;活体人眼动态像差Zernike系数的标准偏差的最大值,PV与RMS依次为0.045λ,0.167λ和0.030λ,这些指标都小于λ/5,表明该仪器具有较高的重复性.