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自適應光學(Adaptive optics,縮寫為AO)是一項使用可變形鏡面矯正因大氣抖動造成光波波前發生畸變,從而改進光學系統性能的技術。
自(zi)(zi)(zi)適應(ying)(ying)光(guang)(guang)學(xue)(xue)(xue)的(de)(de)(de)概念(nian)和原理(li)最早是在(zai)1953年(nian)由海(hai)爾(er)天(tian)文(wen)(wen)臺(tai)的(de)(de)(de)胡(hu)瑞斯·拜勃庫克(ke)(ke)(Horace Babcock)提(ti)出的(de)(de)(de),但(dan)是超越(yue)(yue)(yue)了(le)(le)當時的(de)(de)(de)技(ji)術(shu)水(shui)平所能達到的(de)(de)(de)極限(xian)(xian),只(zhi)有美國(guo)軍方在(zai)星球大(da)(da)(da)(da)戰(zhan)計劃中秘(mi)密(mi)研發(fa)這(zhe)(zhe)項技(ji)術(shu)。冷戰(zhan)結束(shu)后(hou),1991年(nian)5月,美國(guo)軍方將(jiang)自(zi)(zi)(zi)適應(ying)(ying)光(guang)(guang)學(xue)(xue)(xue)的(de)(de)(de)研究資料解密(mi),計算機和光(guang)(guang)學(xue)(xue)(xue)技(ji)術(shu)也足(zu)夠(gou)(gou)發(fa)達,自(zi)(zi)(zi)適應(ying)(ying)光(guang)(guang)學(xue)(xue)(xue)技(ji)術(shu)才得以廣(guang)(guang)泛應(ying)(ying)用(yong)。配備自(zi)(zi)(zi)適應(ying)(ying)光(guang)(guang)學(xue)(xue)(xue)系(xi)統的(de)(de)(de)望(wang)遠(yuan)(yuan)(yuan)鏡(jing)能夠(gou)(gou)克(ke)(ke)服大(da)(da)(da)(da)氣抖(dou)動對(dui)成(cheng)像(xiang)帶來(lai)的(de)(de)(de)影響,將(jiang)空(kong)間分(fen)辨率(lv)顯(xian)著提(ti)高(gao)大(da)(da)(da)(da)約一(yi)個數量級(ji),達到或接近其理(li)論上的(de)(de)(de)衍射極限(xian)(xian)。第一(yi)臺(tai)安裝自(zi)(zi)(zi)適應(ying)(ying)光(guang)(guang)學(xue)(xue)(xue)系(xi)統的(de)(de)(de)大(da)(da)(da)(da)型天(tian)文(wen)(wen)望(wang)遠(yuan)(yuan)(yuan)鏡(jing)是歐洲南(nan)方天(tian)文(wen)(wen)臺(tai)在(zai)智利建造(zao)(zao)的(de)(de)(de)3.6米(mi)口(kou)徑(jing)的(de)(de)(de)新技(ji)術(shu)望(wang)遠(yuan)(yuan)(yuan)鏡(jing)。目前(qian)越(yue)(yue)(yue)來(lai)越(yue)(yue)(yue)多的(de)(de)(de)大(da)(da)(da)(da)型地面光(guang)(guang)學(xue)(xue)(xue)/紅外望(wang)遠(yuan)(yuan)(yuan)鏡(jing)都安裝了(le)(le)這(zhe)(zhe)一(yi)系(xi)統,比如(ru)位于夏(xia)威夷莫納克(ke)(ke)亞山(shan)的(de)(de)(de)8米(mi)口(kou)徑(jing)雙(shuang)子望(wang)遠(yuan)(yuan)(yuan)鏡(jing)、3.6米(mi)口(kou)徑(jing)的(de)(de)(de)加(jia)拿大(da)(da)(da)(da)-法國(guo)-夏(xia)威夷望(wang)遠(yuan)(yuan)(yuan)鏡(jing)、10米(mi)口(kou)徑(jing)的(de)(de)(de)凱克(ke)(ke)望(wang)遠(yuan)(yuan)(yuan)鏡(jing)、8米(mi)口(kou)徑(jing)的(de)(de)(de)日本昴星團望(wang)遠(yuan)(yuan)(yuan)鏡(jing)等(deng)等(deng)。自(zi)(zi)(zi)適應(ying)(ying)光(guang)(guang)學(xue)(xue)(xue)已經逐步成(cheng)為(wei)(wei)各大(da)(da)(da)(da)天(tian)文(wen)(wen)臺(tai)所廣(guang)(guang)泛使用(yong)的(de)(de)(de)技(ji)術(shu),并為(wei)(wei)下(xia)一(yi)代更(geng)大(da)(da)(da)(da)口(kou)徑(jing)的(de)(de)(de)望(wang)遠(yuan)(yuan)(yuan)鏡(jing)的(de)(de)(de)建造(zao)(zao)開辟(pi)了(le)(le)道路。

向左轉|向右轉

自適應光學

來(lai)源:何卓銘(ming)科學網(wang)博(bo)客

我(wo)們的(de)日常生活中(zhong)存在(zai)著各種(zhong)(zhong)各樣的(de)光(guang)學(xue)(xue)系(xi)(xi)統,小到一(yi)個透鏡(jing)、一(yi)副(fu)近(jin)視眼(yan)鏡(jing),大到顯微鏡(jing)、攝像機、望遠鏡(jing)等(deng)等(deng),這(zhe)些大小不(bu)(bu)一(yi)的(de)產(chan)品(pin)正發揮著越(yue)來越(yue)重(zhong)要的(de)作(zuo)用。但是(shi),經常出現這(zhe)樣的(de)情況,以近(jin)視眼(yan)鏡(jing)為例,每當我(wo)們的(de)眼(yan)睛度數加深,就(jiu)必須要換一(yi)副(fu)眼(yan)鏡(jing),否則就(jiu)看不(bu)(bu)清(qing)畫面(mian)了,那(nei)(nei)有沒有那(nei)(nei)種(zhong)(zhong)自行調(diao)節、適(shi)應圖像清(qing)晰度的(de)光(guang)學(xue)(xue)系(xi)(xi)統(當然不(bu)(bu)僅僅是(shi)近(jin)視眼(yan)鏡(jing))呢(ni)?有,這(zhe)就(jiu)是(shi)本期的(de)主(zhu)題:自適(shi)應光(guang)學(xue)(xue)。

被動光學和主動光學

在介紹自適應光學系統之前,有必要提一下被動光學和主動光學這2個概念。所謂被動光學,就是被動的光學,也就是不能主動改變系統來調節改善圖像質量的光學,例如前面提到的近視眼鏡等,如果需要提高圖像的清晰度,那就要通過機械的方式譬如打磨光學元件或者直接更換元器件等來實現,這相對比較麻煩,自然這也是基礎的光學系統。
     那既(ji)然(ran)(ran)被動光學(xue)(xue)很“被動”,我(wo)們自然(ran)(ran)就(jiu)會想到通(tong)過在光學(xue)(xue)系統中(zhong)簡單(dan)添加一些可(ke)修正(zheng)的(de)光學(xue)(xue)部件,然(ran)(ran)后通(tong)過調整這些修正(zheng)部件來提升(sheng)圖像質量(liang),這就(jiu)是我(wo)們說的(de)主(zhu)動光學(xue)(xue),現實(shi)生活中(zhong)例如照(zhao)相機的(de)調焦功能就(jiu)是這樣,當然(ran)(ran)高(gao)級點的(de)還(huan)有人的(de)眼睛。


照相機對焦原理(圖片來源于網絡)

自適應光學

接(jie)下來進入正(zheng)題,自(zi)(zi)適(shi)(shi)應(ying)(ying)(ying)光學是(shi)一(yi)(yi)種能夠(gou)有效解決動靜態(tai)誤差過大(da)、大(da)大(da)提高(gao)成(cheng)像質量的光學系(xi)統,這也算是(shi)主動光學的一(yi)(yi)種。自(zi)(zi)適(shi)(shi)應(ying)(ying)(ying)光學這么(me)厲(li)害,為啥日常生活中不常看到?你想啊,能夠(gou)自(zi)(zi)適(shi)(shi)應(ying)(ying)(ying)的光學系(xi)統,系(xi)統必定十分復(fu)雜,價(jia)格(ge)昂貴,你能用(yong)幾百(bai)塊(kuai)換一(yi)(yi)副近視眼鏡,自(zi)(zi)然(ran)不會(hui)用(yong)幾十幾百(bai)萬的自(zi)(zi)適(shi)(shi)應(ying)(ying)(ying)光學系(xi)統,所以自(zi)(zi)適(shi)(shi)應(ying)(ying)(ying)光學目前(qian)主要應(ying)(ying)(ying)用(yong)于高(gao)精尖的大(da)項目工程中。好,接(jie)下來我(wo)們來介(jie)紹下自(zi)(zi)適(shi)(shi)應(ying)(ying)(ying)光學系(xi)統的原理。

  • 原理

為了能夠讓我們看得更加清楚,排除一些不必要的擾動和誤差,例如圖2 的望遠鏡系統,我們引入了自適應光學系統,從而得到了清晰的圖像。在這里必須要引入一個光學概念:波前。所謂波前就是電磁波在傳輸過程中,達到某一個位置時各個點(振動相位一致)組成的波陣面,波陣面按照曲面面型的不同有球面波(點光源)、平面波等之分。如(ru)果波經過理想的(de)光(guang)學(xue)系統,那(nei)么波前(qian)(qian)相位是(shi)不(bu)(bu)會(hui)發(fa)生畸變的(de),也就(jiu)是(shi)成像(xiang)(xiang)質(zhi)量不(bu)(bu)會(hui)變模(mo)糊,但是(shi)由于大氣湍流、非理想的(de)光(guang)學(xue)器件(jian)等(deng)因素,導致(zhi)最后望遠(yuan)鏡接收到(dao)的(de)圖(tu)(tu)像(xiang)(xiang)是(shi)不(bu)(bu)可辨識的(de),如(ru)果波前(qian)(qian)改變僅像(xiang)(xiang)圖(tu)(tu)3(a)那(nei)樣,我們也還可以(yi)通(tong)過調(diao)焦來實現,那(nei)么如(ru)圖(tu)(tu)3(b)的(de)情況,則真正需(xu)要自適(shi)應光(guang)學(xue)系統來改善圖(tu)(tu)像(xiang)(xiang)質(zhi)量。

 
自適應光學系統原理(圖片來源于網絡)

 
 
不規則波前造成模糊成像(圖片來源于網絡)

如圖2所示,自適應光學系統由波前探測器、波前控制器、波前校正器組成。波(bo)前探(tan)測器,主要是探(tan)測光的波(bo)前畸(ji)變,其常用的類(lei)型(xing)有Hartmann-Shack 傳感器、剪切干(gan)涉儀和曲(qu)率傳感器等。本文(wen)僅以常用的Hartmann-Shack 傳感器為例進(jin)行(xing)(xing)介紹,該傳感器由透鏡陣(zhen)列(lie)(lie)和CCD相機組成,通過透鏡陣(zhen)列(lie)(lie)對波(bo)前進(jin)行(xing)(xing)分(fen)割采樣,每個(ge)子(zi)孔徑范(fan)圍內(nei)的波(bo)前傾斜(xie)將使單(dan)元透鏡的聚焦光斑產生橫向漂(piao)移,測量(liang)(liang)光斑中(zhong)心在(zai)兩(liang)個(ge)方向上相對于用平行(xing)(xing)光標定(ding)的基(ji)準位(wei)置的漂(piao)移量(liang)(liang),從(cong)而求(qiu)出各(ge)子(zi)孔徑范(fan)圍內(nei)的波(bo)前在(zai)兩(liang)個(ge)方向上的平均斜(xie)率,如圖4所示。

 
4 Hartmann-Shack 傳感器原理(圖片來源于網絡)

波前控制器對于自適應光學系統來說就如同計算機的CPU,通過波前探測器得到的波前斜率,經過一系列算法解算出波前相位,然后通過控制系統反饋給波前校正器改變變形鏡的各子模塊來補償畸變波前,提高圖像精度。所以,自適應光學系統通常也簡單地稱之為變形鏡。而波前校正器其實就是在變形鏡上(shang)安裝多個壓電陶瓷(ci)制成的(de)驅動(dong)器(qi),用來改變(bian)不同子孔徑的(de)姿勢,從(cong)而改變(bian)反(fan)射光束的(de)方向(xiang),達(da)到校正波前的(de)目的(de)。

 

 圖變形鏡驅動與哈特曼子孔徑的布局關系(圖片來源于網絡)

  • 應用
  • 天體觀測方面的應用

天(tian)體觀測目(mu)前(qian)主要通過把自適應光學系統結合到望(wang)遠鏡上,從而提高成像精度,涉及(ji)單位主要有中科(ke)院的各大天(tian)文臺。

  • 生物成像方面的應用

生物成像(xiang)尤其(qi)是人(ren)眼(yan)視(shi)網膜成像(xiang)方面,利(li)用自適應光(guang)學(xue)大大增強了我們(men)(men)對視(shi)覺細胞(bao)的(de)觀測(ce)程(cheng)度,典(dian)型單位(wei)為中(zhong)(zhong)科院(yuan)光(guang)電技術研究所(suo),這(zhe)里也不得不提一下我們(men)(men)的(de)老前(qian)輩姜文漢(han)院(yuan)士,也稱得上中(zhong)(zhong)國自適應光(guang)學(xue)領(ling)域(yu)的(de)開拓者。

  • 神光系列裝置方面的應用

眾所周知,神光系列裝置是一個非常龐大且復雜的光學系統,會有非常多的光學元器件,那么激光自然經過這些光學元件后,或多或少都會因為元器件表面的加工誤差和材料的不均勻性導致聚焦光斑彌散,所以就需要自適應光學系統來校正系統的波前,從而提高能量集中度,完成打靶工程。典型單位:中科院上海光機所、中國工程物理研究院激光聚變研究中心。

激光武器追求的是能量密度,如果不清楚的童靴請見第6期:如何提高激光的功率,那如何把激光聚焦到足夠小的面積上從而產生破壞性效果,美國軍方就采用了自適應光學的方式將幾束激光聚焦到足夠小的面積上來制成激光武器,而且這也大大降低了激光武器的成本。

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自適應光學系統——ALPAO  
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Alpao公司先進的技術實力,可以根據客戶需求,定制高品質,易操作的自適應系統,是教學或研究自適應光學的強大工具,其開放式結構在研究及工業領域有廣泛的應用。尤其適用于天文、眼科、顯微技術、無線光通信及激光等領域。
自適應光學系統——OKO  
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自適應光學是補償由大氣湍流或其他因素造成的成像過程中波前畸變的較有前景的技術
自適應系統------NightN  
自適應系統------NightN
閉環自適應光學系統是用來糾正低階激光光束產生的波前畸變。該系統是利用壓電式變形鏡作為波前校正器,利用Shack-Hartman波前傳感器作為波前測量,閉環軟件是用來控制整套校正系統。