为提高随机并行梯度下降(SPGD)算法的波前像差优化校正的收敛速度,从SPGD算法原理出发,分析算法迭代中制约其收敛速度的因素,提出一种基于波前像差梯度平方寻优的随机并行梯度下降算法。通过理论公式推导,分析波前梯度平方和波前随机扰动量的线性关系,并利用远场光斑的归一化二阶矩,近似计算波前像差梯度平方,最终实现波前像差的优化校正。随后采用数值仿真方法对比分析已有的SPGD算法和本文算法的收敛速度和校正效果。最后通过菲涅耳波带片波前像差的无波前传感自适应光学校正实验,进一步验证算法的性能。数值仿真和校正实验结果一致,表明本文算法具有更快的收敛速度,适应性更强。

随着激光二极管技术的发展, 以及一些先进热管理方案和新型加工工艺的涌现, 固体激光器的输出功率已达到百千瓦量级, 而光束质量的控制问题却日益凸显。本文归纳了板条激光器的光束质量控制技术, 对当前已经实现了的几种技术路线进行了深入细致的分析, 包括静态相位校正技术、非线性光学校正技术、自适应光学校正技术、几何光学校正技术等, 并分别介绍了其工作原理、研究进展以及优缺点。

为提高薄膜菲涅耳透镜成像性能, 采用无波前传感的自适应光学系统对菲涅耳透镜点目标成像的波前像差进行实验校正.像差校正控制采用随机并行梯度下降算法, 以远场光斑像清晰度函数为优化指标, 算法迭代数十次后收敛.系统闭环校正后, 焦平面光斑等效半径缩小了43%, 二阶矩为0.997 5, 接近理想极限1, 像清晰函数值和峰值光强提高了一倍, 光强的半高全宽达到1.2倍衍射极限, 调制传递函数的中频分量显著提高.实验结果表明该方法结实现构简单, 能快速、有效地校正菲涅耳透镜波前像差, 改善系统的成像性能, 可应用于大口径、轻量化的空间望远镜.

对空间离轴相机在重力载荷作用下的系统波像差变化进行了集成仿真分析, 同时研究了分析结果的精度。介绍了集成仿真分析技术的基本流程和关键技术, 对比分析了ZERNIKE多项式拟合法与形函数插值法两种面形畸变转换接口算法的优劣。介绍了常用的两种形函数构造方法的基本原理, 基于面积法构造形函数得到了光学元件面形畸变的接口文件。最后, 在相机的光机结构装调完毕后, 对系统波像差在重力载荷作用下的变化进行了测试。测试结果表明, 该空间相机3个视场系统波像差的变化量分别为0.029 8λ(-1视场)、0.019 4λ(0视场)、0.052 3λ(+1视场), 与分析结果基本吻合。3个视场分析结果的误差分别为0.002 4λ(-1视场)、-0.000 9λ(0视场)、0.007λ(+1视场, )均小于0.01λ, 满足工程设计的要求, 验证了集成仿真分析结果的准确性。此外, 通过集成分析技术定量得到了不同影响因素对系统波像差的影响, 基于此优化设计光机结构, 改善了重力对空间相机3个视场系统波像差的影响。

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.

在个性化人眼光学结构的基础上，运用ZEMAX软件的优化功能，设计了符合实际人眼光学特性的个性化人工晶体。该人工晶体不仅可以矫正离焦和像散，还引入了非球面可以矫正人眼的球差。文中将个性化人工晶体优化后得到的屈光度与经验公式计算得到的屈光度作了比较，在经验公式0.25Ｄ精确度的基础上有了提高，并直观地描述了个性化人工晶体植入前后人眼调制度和分辨率的变化情况。对样本人眼矫正后人眼分辨率最大变化由28 L/mm提高到118 L/mm，调制度由0.02提高至0.51。分析结果表明，个性化植入人工晶体的方法可以提高人眼矫正的精确度，不同人眼的波前特性不同，矫正效果也有相应的差异。

在高功率激光器中采用相位共轭谐振腔技术可以补偿动态波前像差,在校正畸变的输出光束方面有极其重要的应用。分析了相位共轭腔的模式结构特性及稳定性,在实际高功率激光器中采用相位共轭谐振腔,使得激光系统的光束质量得到了极大改善。通过实验数据分析,提出在激光器系统中描述光束质量只用PV值和RMS值来量度是不足的,并利用结合光束环围能量分布图像和平均离焦系数来评价系统光束质量。实验结果表明,采用相位共轭谐振腔使得焦平面环围能量更为集中,同时平均离焦系数更接近零,结合上述方法评价系统光束质量更具实际意义。

设计了主客观方法相结合的人眼波前像差测量系统。该系统的控制部分以工控机为中心,实现了对离焦补偿装置、LCD视标显示装置和可变形镜驱动器的控制。使用Hartmann-Shack传感器对人眼出瞳的波前像差进行测量,光路中加入了能够显示各种视标和测试图案的LCD,从而考虑到了主观调节对人眼像差的影响,能够对人眼的视觉质量进行全面衡量,实现了客观测量和主观测量在光路中的结合。使用该系统分别测量得到了模拟眼和活体人眼的波前像差,并对主客观测量结果进行了信息融合,能够为个性化的人眼屈光矫正提供有用的依据。

研究角膜对晶状体波前像差的影响对现行的个性化视觉矫正手术有一定的参考价值。运用光学设计软件Zemax,根据个体人眼的角膜地形图、眼内各部分轴向间距和全眼波前像差数据,为22只人眼构建了个体眼光学结构。基于个体眼光学结构和衍射光学理论计算了眼内、外不同位置处的波前,获得了角膜对晶状体波前像差的影响。结果表明,角膜和晶状体像差存在补偿和叠加两种关系。大多数眼睛,角膜对晶状体像差有一定补偿作用。总体像散的均方根(RMS)值比晶状体像散的RMS值减小0.08～1.48 μm,相当于10.1％~77.5%。总体高阶像差的RMS值比晶状体高阶像差的RMS值减小了0.06～0.85 μm,相当于3.8%～79.4%,平均减小了50.7%。其中,球差和彗差的Zernike系数绝对值总体比晶状体分别减小了0.02～0.60 μm和0.01～0.39 μm,相当于4.3%～98.4%和2.5%～91.4%。