全息模式波前传感器(HWFS)是一种模式型的波前传感器,它利用多模复合的全息元件和位敏探测器来获得入射光中特定模式Zernike像差的强度。然而,多模复合全息元件中的光衍射过程通常会伴随着高阶衍射产生的干扰光。这些干扰光会分散激光能量,降低探测信噪比。提出一种通过引入强度调制的方法来消除由二元相位型全息元件衍射产生的干扰光。该方法不仅可以应用于全息模式波前传感器中干扰光的消除,也适用于其他基于二元相位型全息元件的应用,如全息成像、像移干涉仪、光束偏转器等。

针对大口径光学系统中像差影响超分辨效果的问题,开展泽尼克波前像差对望远超分辨成像系统性能和超分辨局部视场影响的研究。设计四区型位相光瞳滤波器, 在理想光学系统出瞳处分别加入离焦、像散、彗差和球差像差, 逐渐增加幅值, 通过分析不同类别和幅度的波前像差下焦面光强分布变化, 研究超分辨成像性能和局部视场对不同种类像差的容忍程度。结果表明, 离焦可以抑制超分辨旁瓣能量, 提高超分辨倍率, 但对局部视场影响较大; 球差可以抑制超分辨旁瓣能量,增大局部视场; 像散和彗差使光斑圆对称性明显下降, 其中像散对局部视场的影响较为明显; 同时加入适量离焦和球差时, 超分辨旁瓣能量下降, 超分辨倍率提高, 且不影响系统局部视场。据此设计了一个F数为10, 焦距为12 m的大口径光学系统, 通过合理优化球差和离焦剩余量, 实现了超分辨倍率由1.21倍到1.31倍的提升, 最大旁瓣峰值由0.33下降到0.30, 局部视场为38.28 μm。

传统整流罩为半球形或半球形的一部分, 产生的空气阻力较大, 不利于**飞行速度的提高。基于空气动力学性能的考虑, 采用共形整流罩的光学技术被提出。文章描述了二次曲面共形整流罩外表面、内表面的设计方法及面型表达式, 通过在CODEV中建立共形整流罩的扫描成像模型, 应用Zernike多项式分解法研究了不同长径比、边缘斜率、口径比和回转中心位置对离焦像差(Z4)、像散(Z5)、彗差(Z8)和球差(Z9)的影响规律。研究结果表明: 二次曲面共形整流罩引入的离焦像差、像散、彗差和球差均随着长径比、边缘斜率和口径比的增加而增大, 但对成像系统回转中心的位置不敏感。因此, 在满足**的空气动力学性能条件下应尽量减小长径比、边缘斜率和口径比, 回转中心的位置主要根据结构需要进行设计。

计算光场自适应光学成像(CAPIS)技术能够同时记录信号的位置和方向,从光场信息中可得到畸变波前斜率,从而重构波前。研究了CAPIS技术探测光学波前畸变,给出了数值计算模型并进行了仿真分析。结果表明,CAPIS技术可准确地探测低阶像差波前,波前残差方均根值小于0.1λ。建立实验光路并实现了对低阶像差波前的探测,波前残差方均根值小于0.5λ。仿真和实验结果均表明,CAPIS技术可有效地探测低阶像差波前,该结果对探索大视场波前探测方法具有重要意义。

提出采用基于变形镜(DM)本征模式的自适应光学波前误差校正方法校正高分辨率空间光学遥感器的在轨波前误差。该方法利用变形镜各致动器的影响函数得到一组符合导数正交关系的变形镜本征模式，以图像功率谱密度在低频区域的积分和为评价函数，根据本征模式系数与评价函数之间的关系直接求解出各阶模式所需的校正量。利用实测的37单元变形镜的影响函数得到变形镜本征模式，基于该模式对泽尼克像差进行了开环和闭环仿真校正，定量分析了相位偏置和图像频率范围对算法精度的影响。针对遥感器主镜镜面热变形误差给出了仿真校正结果，分析了图像噪声和不同遥感图像对算法校正精度的影响。仿真结果表明基于变形镜本征模式的自适应光学校正方法可以有效校正波前误差，算法收敛速度快，对图像噪声和内容不敏感，适合用于空间光学遥感器的波前误差校正。

基于有限元Comsol Multiphysics软件，模拟计算了长时间出光条件下反射镜的温度分布和热变形分布。对热变形引起的波像差采用前65阶Zernike模式分解，计算了不同时刻对应的光束质量因子，结果表明：光束质量因子主要来源于离焦像差的贡献，其他像差的影响可以忽略。在此基础上建立了光束质量因子与辐照时间的指数拟合关系，其均方根误差为0.0052。

全息模式波前传感器是利用复合全息元件对待测波前中像差模式进行直接测量的一种新型波前传感器，其中的复合全息元件可编码设计多阶Zernike像差模式。提出一种有效方案以编码设计振幅型复合计算全息元件，该方案通过将多个编码有某阶Zernike像差模式的透过率调制扭曲光栅叠加产生振幅型计算全息元件。在小像差近似条件下推导了传感器输出信号与Zernike像差模式系数的解析关系。编码设计了振幅型复合全息图，并研究了其对单阶和多阶Zernike像差模式的探测性能。利用液晶光阀加载复合全息图进行了验证实验。所得实验结果与数值模拟结果基本一致。

利用有限元分析法结合Fox-Li迭代法, 考虑腔内本征模式与腔镜热形变的相互耦合作用, 计算模拟了正支共焦非稳腔的本征模式分布, 定量分析了高功率激光器腔镜热变形对输出光束质量的影响, 重点讨论了腔镜热变形所引起的腔内本征模式相位特性的变化, 并从波前功率谱密度、Zernike像差系数及光束质量β值等角度对腔镜发生热形变前后的激光器输出光束的光束特性进行比较分析。研究结果表明: 高功率激光器腔镜热形变对输出光束的光束质量会产生一定的影响, 且随着激光输出功率的增大, 镜面热形变引起的输出光束波前相位高频比例及Zernike高阶像差均会有所增大, 波前畸变程度也明显变大, 光束质量逐渐变差。

Purpose: To investigate the effects of rigid-gas-permeable contact lens (RGP-CL) wear on Zernike astigmatism and visual performance in myopic eyes. Methods: A wavefront sensor was used to evaluate Zernike astigmatism for 21 eyes with minimum astigmatism and 18 eyes with moderate astigmatism under three different modes of refractive correction: the RGP-CL, spectacle lens correcting spherical equivalent (SL) and spectacle lens fully correcting spherical error and astigmatism (fSL). Contrast visual acuity was assessed with a VA tester at four contrast levels and two luminance backgrounds. Results: Compared to the SL wear, RGP-CL wear changed the main axis astigmatism (Z²₂ ) from -0.09 ± 0.34 to 0.34±0.22 for the minimum astigmatism group, while the contrast VA was improved about 0.05 LogMAR (F = 8.06, p < 0.01). For the group with moderate astigmatism, significant reduction in Z²₂ was found for both fSL wear (t = 4.78, p < 0.001) and RGP-CL wear (t = 6.29, p < 0.0001). The changes in astigmatism were significantly correlated between the fSL and RGP-CL wears (r = 0.897, p < 0.0001 for Z^-2₂ ; and r = 0.643, p = 0.004 for Z²₂) . Contrast VA was significantly improved for both fSL and RGP-CL wears and the improvements were significantly correlated between each other for all four contrast levels and two backgrounds. Conclusion: RGP-CL wear induces astigmatism for the eyes with minor astigmatism probably due to a correction of corneal astigmatism and thus a manifesting of the lens astigmatism. For the astigmatic eyes, RGP-CL wear has similar effect on correcting astigmatism as the spectacle lens wear with spherical-cylinder correction and also produces similar visual improvement.

在小像差近似下，对偏置模式波前传感器进行了理论分析，明确了该传感器的适用条件，对比分析了3种信息提取方式和3种传感器信号输出方式的优劣。针对Zernike像差模式，数值模拟研究了传感器对单阶和多阶模式的响应特性。结果表明，畸变波前中与偏置模式相同或相关的模式之间有响应，但传感器对各阶Zernike模式的响应灵敏度不同，而且不相关模式的存在对传感器输出信号和灵敏度均有影响。