哈特曼波前传感器作为一种精密的波前探测器件，近年来发展非常迅速，其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、镜面检测、图像重构等领域。哈特曼波前传感器的探测精度无论是对自适应光学系统波前校正能力还是对光学检测等领域都有着至关重要的作用。本书在哈特曼波前传感器已有的理论和工程经验的基础上，重点叙述哈特曼波前传感器的工作原理、误差组成及误差控制等内容，并对基于扩展目标和光场相机的哈特曼波前传感器进行了详细讲解，最后讨论了哈特曼波前传感器的开发实例，以及在自适应光学、人眼像差、镜片面形检测和非制冷光光学红外成像系统中的应用。
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第1章 绪论 1
1.1波 前像差理论 1
1.1.1 初级像差理论 1
1.1.2 波前探测的原理 8
1.1.3 波前探测技术分类 8
1.2 哈特曼波前探测技术 10
1.2.1 哈特曼波前传感器结构 10
1.2.2 哈特曼波前探测技术发展历程 15
1.2.3 哈特曼波前传感器的性能指标 18
1.2.4 哈特曼波前传感器的应用 20
参考文献 23
第2章 哈特曼波前传感器原理 29
2.1 哈特曼波前传感器波前复原方法 29
2.1.1 模式法波前重构 29
2.1.2 区域法波前重构 31
2.1.3 混合模式法波前重构 34
2.2 哈特曼波前传感器斜率计算方法 36
2.2.1 波前估计方程 36
2.2.2 哈特曼波前斜率测量理论模型 36
2.3 哈特曼波前传感器的误差组成 40
2.3.1 系统误差 40
2.3.2 重构误差 42
参考文献 48
第3章 哈特曼波前传感器的光斑标定 50
3.1 哈特曼波前传感器的标定方法 50
3.1.1 自适应标定方法 50
3.1.2 反卷积标定方法 52
3.2 基于CCD相机的哈特曼波前传感器光斑最佳标定位置 55
3.2.1 采样误差与光斑质心位置的关系 55
3.2.2 位移敏感度与标定时光斑质心位置的关系 58
3.2.3 不同标定位置的开环动态范围 60
3.2.4 标定光斑质心最佳位置 60
3.3 基于四象限探测器的哈特曼波前传感器光斑最佳标定位置 61
3.3.1 基于四象限探测器的波前倾斜传感器的原理 61
3.3.2 四象限探测器的性能分析 63
3.3.3 光斑最佳标定位置 69
参考文献 71
第4章 哈特曼波前传感器质心探测 72
4.1 质心与斜率的关系 72
4.2 哈特曼波前传感器质心计算方法 73
4.2.1 传统质心计算法 74
4.2.2 基于微分的方法 83
4.2.3 基于配准的方法 86
4.3 哈特曼波前传感器质心探测误差分析 89
4.3.1 点源目标质心探测方法及主要误差源 89
4.3.2 CCD相机对高斯光斑质心探测误差的理论推导 90
4.3.3 CCD相机对sinc光斑质心探测误差 94
4.3.4 哈特曼波前探测精度分析 98
4.4 最佳阈值计算 104
4.4.1 阈值对第一类误差源的影响 104
4.4.2 阈值对第二类误差源的影响 106
4.4.3 质心探测误差与阈值的关系 107
参考文献 109
第5章 基于扩展目标的相关哈特曼波前传感器 113
5.1 基于扩展目标的相关哈特曼波前传感器国内外研究进展 113
5.2 相关哈特曼波前传感器的波前探测原理 116
5.3 基于扩展目标的相关哈特曼波前传感器的相关算法 117
5.3.1 平方差算法 118
5.3.2 互相关因子算法 119
5.3.3 绝对差分算法与绝对差分平方算法 119
5.3.4 频域中的相关算法 120
5.4互 相关因子算法位移测量误差分析 121
5.4.1 互相关因子算法测量误差公式理论推导 122
5.4.2 任意采样条件下的测量误差公式 126
参考文献 131
第6章 基于光场相机的波前传感器 134
6.1 光场相机波前传感器的发展历程 134
6.2 光场相机波前传感器的基本结构与成像原理 135
6.2.1 光场相机波前传感器的基本结构 135
6.2.2 光场的四维表示 135
6.2.3 光场相机波前传感器的成像原理 136
6.2.4 光场相机波前传感器的波前复原理论 139
6.3 光场相机波前传感器与哈特曼波前传感器的波前探测对比 141
参考文献 144
第7章 基于光纤激光相控阵的哈特曼波前探测方法 147
7.1 分布式孔径与光纤激光相干合成 147
7.1.1分 布式孔径光纤激光相控阵技术简介 147
7.1.2 分布式孔径光纤激光相控阵的激光传输和波前操控机理 151
7.2 基于光纤耦合的分布式孔径哈特曼波前像差探测 153
7.2.1 基于光纤耦合的分布式孔径像差探测原理 153
7.2.2 分布式孔径对模拟湍流像差探测 159
7.3 分布式孔径哈特曼波前探测实验验证 165
7.3.1 实验装置 165
7.3.2 实验结果及分析 167
7.4 基于分布式孔径哈特曼波前探测的像差校正 172
7.4.1 基于分布式孔径哈特曼波前探测的像差校正工作原理 172
7.4.2 实验装置 175
7.4.3 实验结果及分析 176
参考文献 181
第8章 基于哈特曼波前传感器的应用 184
8.1 哈特曼波前传感器在自适应光学中的应用 184
8.1.1 自适应光学的基本概念 184
8.1.2 大气湍流相关概念 190
8.1.3 哈特曼测量大气湍流原理及测量精度计算 196
8.1.4 实验系统原理 198
8.2 哈特曼波前传感器在人眼像差中的应用 199
8.2.1 人眼像差检测原理与方法 199
8.2.2 哈特曼波前传感器在人眼像差检测中的研究 202
8.3 哈特曼波前传感器在镜片面形检测中的应用 206
8.3.1 哈特曼扫描拼接检测平面镜原理 206
8.3.2 哈特曼法非零位检测旋转对称非球面反射镜 207
8.4 哈特曼波前传感器在非制冷光力学红外成像系统中的应用 214
8.4.1 非制冷光力学红外成像原理 214
8.4.2 系统性能分析 216
8.4.3 实验结果及分析 219
参考文献 222
第9章 基于哈特曼波前传感器的开发实例 224
9.1 基于哈特曼波前传感器的面形检测系统设计 224
9.1.1 主要功能与设计指标 224
9.1.2 结构设计 224
9.1.3 分系统设计说明 225
9.1.4 探测精度检测 228
9.2 基于哈特曼波前传感器的自适应光学高分辨率成像系统 231
9.2.1 自适应光学系统组成 231
9.2.2 自适应光学系统功能 232
9.2.3 自适应光学系统设计方案 233
9.2.4 高阶校正子系统设计方案 237
9.2.5 AO操控子系统设计方案 246
9.2.6 高分辨率成像探测自适应光学样机及实验结果 247
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