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談談智能光學發(fā)展現(xiàn)狀

發(fā)布時間：

2021-09-15

智能光學(Smart Optics or Intelligent Optics)，是傳統(tǒng)光學與現(xiàn)代計算機系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物。智能光學集新材料、計算機信息、電子、緊密加工等現(xiàn)代技術于一體，極大地擴展了傳統(tǒng)光學系統(tǒng)應用領域。智能光學以自適應光學和主動光學技術為基礎，與微電子學、信息光學、光電子學等學科領域有著緊密的聯(lián)系——智能光學與相關學科相互促進、共同發(fā)展。

　　1 智能光學的概念

　　國外科學家(Greenaway)將智能光學定義為能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)調(diào)整的光學技術和組件。智能光學是一項不斷發(fā)展的概念，其最初是建立在自適應光學和主動光學上的一項技術——以反射光學組件為主要設備進行波前相位的動態(tài)調(diào)制。這里將對自適應光學和主動光學進行簡單介紹。

　　1.1 自適應光學

　　在介紹自適應光學技術前，先對“大氣湍流”的概念進行簡單介紹。大氣湍流實質(zhì)上是大氣中的一種運動形式，由于大氣湍流的存在，大氣中的水氣、熱量、動量以及污染物的水平和垂直交換作用得到了極大地增強，而這種運動強度增大趨勢遠大于分子運動強度的程度。我們知道，大氣屬于光波的傳輸媒介之一，光波在大氣當中傳播時，由于受到大氣湍流的影響，進而產(chǎn)生波前畸變(波前在經(jīng)過傳輸介質(zhì)傳輸后發(fā)生了變化)。自適應光學技術應用旨在補償因大氣湍流或其他因素導致的波前畸變。當前，自適應光學主要在智能光學中起到利用變形鏡實現(xiàn)高速、小幅波前調(diào)制的重要作用。

　　1.2 主動光學

　　主動光學屬于一種波面校正技術，其旨在校正望遠鏡光學系統(tǒng)及其支架受到溫度、重力等因素引起的變形。除大氣湍流的影響外，諸如溫度、壓力、重力等因素都可能會導致望遠鏡的正常觀測受到干擾(波前產(chǎn)生形變)，通過主動光學技術，可以控制計算機觸動器根據(jù)波前形變情況調(diào)整自身的工作狀態(tài)，以實時監(jiān)測并及時消除波前形變。簡而言之，主動光學是通過望遠鏡內(nèi)置的“改正儀”主動改變鏡面形狀以提高像質(zhì)的技術。

　　隨著智能光學的進一步發(fā)展，建立在適應性光學和主動光學上的智能光學的概念也得到了進一步補充，即具有可動態(tài)調(diào)整、可自動控制和可測量能力的光學技術、組件和系統(tǒng)。現(xiàn)階段，折射衍射光學組件以及光電子組件等也被廣泛應用于測控、調(diào)制波前相位的過程中;而動態(tài)調(diào)整光學組件在智能光學中應用，則進一步擴大了光學系統(tǒng)的功能，實現(xiàn)了對波前幅度、偏振、波頻率、光強等參數(shù)的調(diào)制和測控。智能光學進一步推動了傳統(tǒng)光學的發(fā)展，對于一些設計復雜、常規(guī)加工難以實現(xiàn)的光學系統(tǒng)，利用智能光學可以有效地簡化光學系統(tǒng)的設計，同時提高光學系統(tǒng)的性能。智能光學在天文、軍事、醫(yī)學等領域都有著廣泛的應用。

　　2 動態(tài)光學調(diào)制

　　上文已經(jīng)提到，波前畸變是一個影響光學成像的重要因素，智能光學系統(tǒng)中的自適應光學技術和主動光學技術都是為了實現(xiàn)對波前畸變的校正或補償。動態(tài)光學調(diào)制作為智能光學的核心技術之一，其也是為了校正或補償波前畸變，從而提高光學系統(tǒng)的性能。這里以波前畸變的調(diào)制(校正或補償)為重點，介紹幾種常用的動態(tài)光學調(diào)制技術。

　　2.1 波前動態(tài)調(diào)制技術

　　波前調(diào)制器是實現(xiàn)波前動態(tài)調(diào)制技術的核心光學組件，其用于對波前相位或波前幅度進行調(diào)制(某些波前調(diào)制器兼具波前相位和波前幅度調(diào)制的功能)。波前調(diào)制器通常由反射鏡和促動器(二者組合為陣列)構(gòu)成，根據(jù)反射鏡拼接鏡面和整體鏡面的不同結(jié)構(gòu)，可以將波前調(diào)制器分為分立和連續(xù)兩種形式。自適應光學和主動光學常用的促動器包括機電促動器、壓力促動器、壓電促動器以及微機促動器等。

　　自適應光學技術用于高速、小幅的波前調(diào)制，其波前調(diào)制器(也稱之為波前校正器)對精度的要求比較高。自適應光學常用的波前調(diào)制器有微機電變形鏡、電磁變形鏡、壓電變形鏡以及液晶空間光調(diào)制器等。當前，自適應光學波前調(diào)制器正朝向高密度、集成化、大幅度調(diào)制發(fā)展。提高促動器的密度能夠有效降低實現(xiàn)校正波前畸變的難度，但其會降低調(diào)制幅度。

　　主動光學技術多應用于大口徑的反射式望遠鏡，其能夠?qū)崿F(xiàn)低速、大幅的波前調(diào)制，因而需要較強的支撐力。機電促動器和壓力促動器是構(gòu)成主動光學動態(tài)支撐結(jié)構(gòu)的主要單位，其起到為主動光學動態(tài)支撐結(jié)構(gòu)提供足夠支撐力的作用。

　　2.2 其他動態(tài)調(diào)制技術

　　光強動態(tài)調(diào)制技術：光強動態(tài)調(diào)制技術主要依賴于空間光調(diào)制器實現(xiàn)，應用于投影顯示光學領域。光強動態(tài)調(diào)制使用的調(diào)制器一般為分立的結(jié)構(gòu)。

　　光譜動態(tài)調(diào)制：光譜動態(tài)調(diào)制，其主要利用聲光調(diào)諧濾波器和液晶調(diào)諧濾波器對光譜進行動態(tài)濾波。這項技術在許多光學系統(tǒng)(如顯微成像、遙感成像等領域)中有著極為廣泛的應用。聲光調(diào)諧濾波器的響應速度較高，但其像質(zhì)相對不足;液晶調(diào)諧濾波器的像質(zhì)較高，但其相應速度較低。

　　3 動態(tài)光學探測

　　基于波前相位和光強信息的光學特性對光學調(diào)制進行動態(tài)控制。光強動態(tài)控制和波前動態(tài)控制得以實現(xiàn)的基礎是各種光電傳感器。例如，光電倍增管、雪崩二極管、光電耦合器件等。光電傳感器可實現(xiàn)對光強信息的直接探測;光電傳感器與其他光學器件可組成波前探測器，用以探測波前信息。根據(jù)波前探測器波前探測位置的不同，可以將其分為光瞳面波前探測器和焦面波前探測器兩類;根據(jù)波前重構(gòu)過程的不同，可以將其分為線性波前探測器和非線性波前探測器兩類。

　　4 智能光學系統(tǒng)

　　綜上所述，我們可以將智能光學系統(tǒng)定義為：具有動態(tài)光學調(diào)制或(和)動態(tài)光學探測功能的、能夠根據(jù)光學特性進行動態(tài)控制的光學系統(tǒng)。當前，智能光學系統(tǒng)的動態(tài)控制功能可以分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩類，開環(huán)控制系統(tǒng)主要包括調(diào)制器和控制器兩部分;閉環(huán)控制系統(tǒng)主要包括調(diào)制器、探測器、控制器三部分。智能控制系統(tǒng)可以分為自適應控制系統(tǒng)和主動控制系統(tǒng)兩類。

　　自適應控制系統(tǒng)主要利用波前探測器獲取到的波前信息反饋給波前校正器以實現(xiàn)調(diào)制功能。但需要指出的是，應用于顯微系統(tǒng)或者是大氣湍流過強的環(huán)境中時，波前探測器會受到較為嚴重的干擾以至于不能準確獲取波前信息。自適應光學系統(tǒng)主要應用于補償?shù)鼗酵h鏡成像過程中的大氣湍流，調(diào)制(校正)變化速度較快的波前畸變。

　　主動光學系統(tǒng)主要應用于反射式、大口徑望遠鏡中，用以調(diào)制望遠鏡主鏡的波前畸變。當前，主動光學已經(jīng)成為了大口徑望遠鏡所必備的一項重要技術。隨著望遠鏡口徑的不斷增大，一些天基望遠鏡也開始采用主動光學技術改善像質(zhì)。例如，著名的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡采用了復雜拼接鏡面主動光學系統(tǒng)獲得了較為理想的像質(zhì)。

　　參考文獻

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