大连理工大学光电工程与仪器科学学院，辽宁 大连 116024
超分辨荧光显微镜突破了传统荧光显微镜的分辨率限制，使得人们能够在纳米量级分辨率下观察细胞和组织样品，极大地推动了生命科学的发展。在这一技术中，仪器和样品引入的像差均会导致空间分辨率降低，进而导致成像质量恶化。为此，人们引入了自适应光学技术，通过直接或间接的手段探测像差，再通过波前校正元件来校正像差，从而获得高质量的超分辨图像。本文介绍了自适应光学的起源与工作原理，总结了其在超分辨荧光显微镜中的应用，并展望了其未来的发展前景。
显微 荧光显微镜 超分辨 自动与自适应光学 像差补偿 波前传感
红外与激光工程
2023, 52(7): 20230343
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
为保证大口径离轴三反消像散（Three-Mirror Anastigmat，TMA）光学系统在轨成像质量，探明离轴TMA系统中次镜位姿与主镜及三镜面形误差补偿机理，以矢量像差理论为基础，用Zernike多项式表述离轴TMA系统镜面面形误差，并对系统镜面面形误差进行解析。通过分析发现，位于非光阑位置三阶彗差经光瞳坐标变换衍生出与视场线性相关像散；提出结合失调离轴系统矢量像差校正解析式，以系统出瞳波像差RMS值为评价标准，构建离轴TMA系统像差补偿模型，利用次镜位姿对主镜及三镜存在面形误差的离轴TMA系统进行补偿。仿真实验表明：系统主镜存在0.5λ像散与彗差时，所构建像差补偿模型可将系统出瞳波像差由0.18λ补偿至0.08λ；系统三镜存在0.05λ像散与彗差时，可将出瞳波像差由0.3λ补偿至0.1λ，且当三镜面形误差在（−0.03λ，0.03λ）范围内时，可将系统各视场RMS值补偿至系统设计值，使系统成像质量满足要求，为大口径反射式空间望远镜在轨主动装调提供进一步理论指导。
离轴三反消像散 矢量像差理论 像差补偿 波像差 off-axis three-mirror anastigmat nodal aberration theory figure error compensation wavefront error 红外与激光工程
2023, 52(4): 20230053
1 南开大学现代光学研究所，天津 300350
2 天津市微尺度光学信息技术科学重点实验室，天津 300350
针对飞秒激光远距离成丝系统所产生的像差，基于光学自由曲面较强的像差补偿能力，提出了在飞秒激光成丝系统中使用透射式自由曲面相位板补偿系统像差的方法。首先，在光学设计软件中对实际系统像差特性进行了仿真建模。然后，对透射式自由曲面相位板进行了优化设计，优化后系统的像差得到了有效补偿，飞秒激光光斑质量得到了改善。最后，对优化设计后的自由曲面相位板进行了公差分析，并利用加工后的透射式自由曲面相位板开展了实验研究。结果表明，飞秒激光聚焦系统引入光学自由曲面相位板后，聚焦光斑形状规则，在聚焦位置处光斑的均方根（RMS）半径小于0.5 mm，飞秒激光成丝系统的像差得到了有效补偿，远距离飞秒激光的成丝强度得到了有效提高。
光学设计 像差补偿 飞秒激光成丝 光学自由曲面
1 山东大学激光与红外系统集成技术教育部重点实验室，山东 青岛 266237
2 山东大学信息科学与工程学院，山东 青岛 266237
3 中国电子科技集团公司第四十一研究所，山东 青岛 266555
为实现高精度大量程精密位移测量，提出了一种基于涡旋光共轭干涉的精密位移测量方法。通过建立位移过程中涡旋光共轭干涉图样的旋转角弧度与位移之间的数学关系，实现了对旋转角弧度的精确提取，得到了高精度的精密位移测量结果。基于该原理对测量方案进行了光学系统设计与仿真，研制了实验系统并进行了实验测试。当标准位移为20 nm时，实验测量结果的误差为25 pm，相对误差为0.13%，证明了所提亚纳米级精密位移测量方案的有效性。所提系统还可通过计量干涉图样旋转圈数进行大测量范围的精密位移测量。实验结果表明，所提方案可在30 μm范围内实现精密位移测量。
测量 干涉法 涡旋光 位移测量 光学系统 像差补偿
1 安徽大学 信息材料与智能感知安徽省实验室，安徽 合肥 230601
2 安徽大学 光电信息获取与控制教育部重点实验室，安徽 合肥 230601
为缓解基于可变形镜（DM）的自适应自由曲面干涉仪存在的固有矛盾——不能同时兼顾大动态像差补偿与DM形变监测范围，前期提出了循环利用DM形变量去产生大畸变波前的自适应环形补偿器（ARCC），并得到了初步验证。为了推广其在自由曲面自适应检测中的应用，并结合校正光学系统的自由曲面多为低阶像差面的现实问题，对ARCC的低阶像差补偿特性做出了必要验证和研究。首先，通过Zemax建模对比了ARCC和传统单次往返补偿器(TSRC)对于像散、彗差和球差的补偿能力，得出ARCC补偿像散和彗差的能力近似为TSRC的2倍，补偿球差的能力也要显著大于TSRC，验证了ARCC的低阶像差补偿优势；其次，研究了ARCC的低阶像差类型补偿规律，得出ARCC结构中DM上的像差类型与补偿给被测面的像差类型是“一对多”或“多对一”的关系。结果证明：在实际中分别使用ARCC和TSRC对4块低阶像差自由曲面进行补偿验证，同样的DM形变量下，与传统补偿结构相比ARCC展现出更加出色的低阶像差补偿能力。
测量 像差补偿 自适应循环补偿结构 自适应干涉仪 measurement aberration compensation adaptive cyclic compensation structure adaptive interferometer 红外与激光工程
2022, 51(9): 20220157
1 中国科学院自适应光学重点实验室, 四川 成都 610209
2 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
3 中国科学院大学, 北京 100049
4 航天科工微电子系统研究院有限公司, 四川 成都 610213
在自适应板条固体激光器光束净化研究中,基于最小二乘法的传统自适应光学系统以斜率残差平方和最小为校正目标。当激光器光束的波前畸变无法被变形镜完全补偿且补偿后仍然有大量的波前残差时,斜率残差平方和最小不能等效于光束质量最优值,因此该方法只能获得系统的次优解。针对此问题,提出一种新颖的自适应光学校正方法。该方法以提高光束质量为目标,根据波前畸变以及变形镜的校正能力,使用优化算法对波前传感器的标定位置进行优化,再使用传统自适应光学系统进行像差补偿。仿真结果表明,相较于未进行标定优化的传统自适应光学系统,使用该方法可以在变形镜校正能力有限的情况下有效提升自适应光学系统的校正效果。
自适应光学 像差补偿 板条固体激光器 标定优化 中国激光
2021, 48(23): 2305001
1 苏州大学光电科学与工程学院教育部现代光学技术重点实验室, 江苏 苏州 215006
2 苏州大学光电科学与工程学院江苏省先进光学制造技术重点实验室, 江苏 苏州 215006
在谱域光学相干层析系统中,波数线性光谱仪不仅可以降低图像的插值误差、提高图像质量,还可以提高系统的成像速度和灵敏度。因此,针对现有棱栅型分光光学系统的不足,提出了一种结合棱栅结构分光和物镜像差补偿的方法,通过引入畸变和垂轴色差,实现了极高的波数线性度。设计了工作波段为750~950 nm,光谱分辨率为0.1 nm,长约为148 mm的波数线性光谱仪。设计结果表明,该光谱仪的波数线性度达到0.0056,约为像差补偿前的11倍。仿真分析结果表明,该分光系统可以明显改善光学相干层析系统的灵敏度,相比未补偿的系统,补偿后系统在光程差为3.5 mm处的灵敏度提高了7.8 dB。
光学设计 成像系统 光学相干层析成像 像差补偿 光学学报
2021, 41(15): 1522001
1 合肥工业大学光电技术研究院, 安徽 合肥 230009
2 特种显示与成像技术安徽省技术创新中心, 安徽 合肥 230009
为了实现非完善成像离轴三反系统的高质量装调,提出了一种置于三反系统焦点前的像差补偿系统的设计方法。基于高斯光学,推导了补偿系统参数与像点空间位置的关系,并根据三级像差理论,设计出补偿系统的初始结构。利用有效口径为400 mm、F数为3.9的离轴三反系统,对所提方法进行了分析,验证了方法的可行性。所提方法有效提高了优化效率,适用于多种类型的反射系统。最终设计结果以相对较小的口径实现了非完善成像离轴三反系统的高质量装调,有效降低了装调成本,提高了装调效率。
光学设计 三级像差理论 高斯光学 离轴三反系统 像差补偿系统
