复光束角度自适应光学系统模型与形貌检测优化方法研究

The problem of measurement of large aspheric optical surface are remained bottleneck for the optical system of extremely large telescopes, laser facilities. Research on modeling and optimization of large aspheric profile measurement using multi-beam angle adaptive optics (MBAAO) is carried out. An emphasis is put on the segmentation model of spot and background signals in the research. Based on the model, sensitivity optimization method of spot position threshold adaptive algorithm, and optimization method of detection range for spot tracing are researched. In addition, the global spatial linkage signal adapting circumferential scanning technology is used for path acquisition, and the effectiveness of optimization method of profile detection and the model are designed and verified. The method of increasing the weighted value of light intensity part in the between-cluster variance, which can increase the ratio of the spot effective signal, is proposed. And in that case, the set of manual intervention for threshold is avoided and a good adaptive ability is equipped. Determine the best center of gravity detection window using the correlation function of reference model and sub-aperture image, combined with circumferential scan technology to increase the curvature measure range. The objective of the program is to improve detection accuracy and increase dynamic detection rang of the MBAAO system; also provide a theoretical basis and technical support for the realization of large aspheric measurement using MBAAO system.

大口径非球面检测是天文望远镜、激光发射系统等现代光学系统中亟需解决的难题。本项目探索一种基于复光束角度自适应光学技术的大口径非球面形貌检测模型和优化方法研究，拟重点研究综合考虑光斑区域与背景信号分割、光斑与探测窗口匹配的复光束角度自适应光学系统模型；研究光斑位置阈值自适应算法的灵敏度优化方法，进一步研究光斑追踪法的检测范围优化方法；基于圆周扫描式全局空间联动信号采集路径，设计并验证该模型及形貌检测优化方法的有效性。本项目提出对类间方差函数的光强部分增加加权值，提高单个光斑有效信号比值，避免阈值设置的人工干预，具有良好的适应性；对于复杂非球面，提出设定参考模型和子孔径图像的相关函数，确定最佳重心探测窗口，结合圆周扫描方法进一步扩大曲率检测范围。本项目的研究，可提升复光束角度自适应光学系统的检测灵敏度和动态跟踪范围，为实现该光学系统在大口径非球面形貌检测，提供强有力的理论依据与技术支撑。

项目开展了复光束角度自适应光学系统模型与形貌检测优化方法研究，大致按照任务书原定计划开展和实施，内容方面稍微超额完成了预期目标，具体如下：项目执行期间在 Optics Express, Optics and Lasers in Engineering和Precision Engineering 等期刊上已发表相关论文13篇，其中第一作者或通讯作者SCI论文11篇(原计划SCI论文5篇)；担任日本精密工学会(JSPE 2019)学术委员会成员&分会主席，在亚洲精密工学会(ASPEN 2019)发表高水平会议论文，并获得最佳论文奖；申请专利23项，其中本项目相关第一作者发明专利11项(原计划3件)，其中已授权第一作者发明专利2项。培养硕士研究生7名(原计划4-5名)，协助培养博士研究生2名(原计划1-2名)。在本项目61803093基金资助下已完成自主研制的完全国产化高精度表面形貌测量样机，预计2022年底投产(超额完成)。.完成的主要内容包括：(a)搭建了应用于复杂非球面形貌检测的复光束角度自适应光学系统，并作为本课题的实验验证平台。(b)深入探讨了光斑位置阈值自适应算法，提出了波峰宽度阈值和高度均值及其条件权值来进行峰值提取，使自适应能力、精确度和分辨率都得到提高；结合压缩感知自适应计算成像，研究了光斑追踪法，提出了一种稳定散斑场产生方法，成功地实现对目标物高质量的成像；应用曲率变化大形貌的试件进行圆周扫描，测量精度更高，受干扰的影响很小，提高了分辨率，扩大了可测量范围，且有效节约了成本。(c)应用方面，研制和开发了4个实际系统：研发了基于复光束角度自适应的高精度形貌检测系统；开发了一套检测实时光斑图像数据获取软件平台，控制旋转平台运动参数，高效获取并存储光斑图像数据；搭建了1套多光谱成像实验系统，实现了多光谱图像获取；搭建了1套基于微透镜阵列的成像系统，实现了微透镜阵列成像。.通过开展本课题，为复光束角度自适应光学技术在形貌检测领域，提供一种简化、高效、低成本的新方法与参考理论，促进基础研究成果走向应用。