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题名:
基于四象限探测器和CCD 相机的夏克-哈特曼波前传感器性能分析
作者: 马晓燠
学位类别: 博士
答辩日期: 2011-05
授予单位: 中国科学院研究生院
授予地点: 北京
导师: 饶长辉
关键词: 波前探测 ; 夏克-哈特曼波前传感器 ; 自适应光学 ; 质心探测
学位专业: 光学工程
中文摘要: 夏克—哈特曼波前传感器作为一种精密的波前测量器件,近年来发展非常迅
速,应用范围已经从原先的天文自适应光学系统的组成部分扩展到眼科科学、镜
面测量、图像重构等领域。夏克—哈特曼波前传感器的探测精度无论是对于自适
应光学系统波前校正能力还是光学检测等领域都有着至关重要的作用。本文在夏
克—哈特曼波前传感器已有的理论和工程经验的基础上,以夏克-哈特曼波前传
感器的工作原理、误差组成以及误差控制等作为核心研究内容。
围绕本论文的核心研究内容,首先介绍了夏克-哈特曼波前传感器的原理和
结构;作为一种斜率型的波前传感器,当采用模式法复原波前时,夏克-哈特曼
波前传感器的本质是探测每个子孔径内光斑质心的移动量来计算重构波前的泽
尼克系数向量,重构波前的泽尼克系数向量与质心向量之间是通过重构矩阵关联
起来的,所以对于重构矩阵的误差传递系数(即重构矩阵将质心探测误差传递到
波前重构误差的能力)需要做深入的探讨,以重构矩阵的误差传递系数作为一种
理论判据,对夏克-哈特曼波前传感器的设计和使用的都有指导意义。
随着四象限探测器的发展,利用雪崩光电二极管(APD)或光电倍增管(PMT)
组成的四象限探测器具有高自增益、无读出噪声和并行输出每个象限的光强信号
的优点,为天文自适应光学系统中哈特曼波前传感器的质心探测器件提供了一种
解决方案,近年来以四象限探测器作为质心探测器件的低阶像差夏克-哈特曼波
前传感器中得到了一定的发展,本文以四象限探测器作为基础,详细讨论了其波
前倾斜探测误差。接下来又以目前最常用的质心探测器件——CCD 相机作为讨论
对象,详细推导了信号光子噪声、背景光子噪声、CCD 相机读出噪声、CCD 相机
的背景暗电平和CCD 相机的离散采样误差对于高斯光斑质心探测精度的影响;接
下来通过对阈值的探讨,提出了最佳阈值用于降低或消除某些误差源对质心探测
精度的影响;最后对单个子孔径采用2x2 像素进行光斑质心探测的特殊情况进行
了讨论。
当自适应光学系统闭环工作时,夏克-哈特曼波前传感器单个子孔径内的光
斑只会在标定位置附近做微小的移动,因此,光斑的标定位置对夏克-哈特曼波
前传感器的性能有着巨大的影响,本文对应用在自适应光学系统中的夏克-哈特
曼波前传感器的光斑最佳标定位置以及标定方法都做了详细的理论分析和推导。
当夏克-哈特曼波前传感器应用在高精度测量中时,其主要指标是测量精度。因此需要找到各误差项对波前测量误差的影响,在设计高精度夏克-哈特曼波前
传感器时,尽量避免误差项或者减少误差项的对测量精度的影响,从而得到符合
测量精度要求的系统参数。在本文中,将夏克-哈特曼波前传感器的测量误差做
了分解,并逐项从理论和仿真两个方面进行了讨论,初步指明了高精度夏克-哈
特曼波前传感器的设计方向。
高精度的夏克-哈特曼波前传感器可以应用在红外光力学成像系统中,可以
对焦平面阵列上每个单元的热致转角精确测量得到物体的红外图片,在第七章
中,详细分析了夏克-哈特曼波前传感器应用在红外光力学成像系统中的应用,
并详细地讨论了测量得到的物体红外图片的等效噪声温度,拓展了夏克-哈特曼
波前传感器的应用范围。
语种: 中文
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.ioe.ac.cn/handle/181551/544
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马晓燠. 基于四象限探测器和CCD 相机的夏克-哈特曼波前传感器性能分析[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2011.
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