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自適應光學

作者:東譜科技 瀏覽: 發表時間:2018-08-27 09:00:00 來源:何卓銘科學網博客

我們的日常生活中存在著各種各樣的光學系統,小到一個透鏡、一副近視眼鏡,大到顯微鏡、攝像機、望遠鏡等等,這些大小不一的產品正發揮著越來越重要的作用。但是,經常出現這樣的情況,以近視眼鏡為例,每當我們的眼睛度數加深,就必須要換一副眼鏡,否則就看不清畫面了,那有沒有那種自行調節、適應圖像清晰度的光學系統(當然不僅僅是近視眼鏡)呢?有,這就是本期的主題:自適應光學。

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,自然這也是最基礎的光學系統。
     那既然被動光學很“被動”,我們自然就會想到通過在光學系統中簡單添加一些可修正的光學部件,然後通過調整這些修正部件來提升圖像質量,這就是我們說的主動光學,現實生活中例如照相機的調焦功能就是這樣,當然高級點的還有人的眼睛。


照相機對焦原理(圖片來源於網絡)

自適應光學

接下來進入正題,自適應光學是一種能夠有效解決動靜態誤差過大、大大提高成像質量的光學系統,這也算是主動光學的一種。自適應光學這麼厲害,為啥日常生活中不常看到?你想啊,能夠自適應的光學系統,系統必定十分複雜,價格昂貴,你能用幾百塊換一副近視眼鏡,自然不會用幾十幾百萬的自適應光學系統,所以自適應光學目前主要應用於高精尖的大項目工程中。好,接下來我們來介紹下自適應光學系統的原理。

  • 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。在這裏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(振動相位一緻)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。如果波經過理想的光學系統,那麼波前相位是不會發生畸變的,也就是成像質量不會變模糊,但是由於大氣湍流、非理想的光學器件等因素,導緻最後望遠鏡接收到的圖像是不可辨識的,如果波前改變僅像圖3(a)那樣,我們也還可以通過調焦來實現,那麼如圖3(b)的情況,則真正需要自適應光學系統來改善圖像質量。


自適應光學系統原理(圖片來源於網絡)



不規則波前造成模糊成像(圖片來源於網絡)

如圖2所示,自適應光學系統由波前探測器、波前控製器、波前校正器組成。波前探測器,主要是探測光的波前畸變,其常用的類型有Hartmann-Shack 傳感器、剪切幹涉儀和曲率傳感器等。本文僅以常用的Hartmann-Shack 傳感器為例進行介紹,該傳感器由透鏡陣列和CCD相機組成,通過透鏡陣列對波前進行分割采樣,每個子孔徑範圍內的波前傾斜將使單元透鏡的聚焦光斑產生橫向漂移,測量光斑中心在兩個方向上相對於用平行光標定的基準位置的漂移量,從而求出各子孔徑範圍內的波前在兩個方向上的平均斜率,如圖4所示。


4 Hartmann-Shack 傳感器原理(圖片來源於網絡)

波前控製器對於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,然後通過控製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安裝多個壓電陶瓷製成的驅動器,用來改變不同子孔徑的姿勢,從而改變反射光束的方向,達到校正波前的目的。

 圖變形鏡驅動與哈特曼子孔徑的布局關系(圖片來源於網絡)

  • 應用
  • 天體觀測方面的應用

天體觀測目前主要通過把自適應光學系統結合到望遠鏡上,從而提高成像精度,涉及單位主要有中科院的各大天文台。

  • 生物成像方面的應用

生物成像尤其是人眼視網膜成像方面,利用自適應光學大大增強了我們對視覺細胞的觀測程度,典型單位為中科院光電技術研究所,這裏也不得不提一下我們的老前輩薑文漢院士,也稱得上中國自適應光學領域的開拓者。

  • 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複雜的光學系統,會有非常多的光學元器件,那麼激光自然經過這些光學元件後,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緻聚焦光斑彌散,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。

  • 激光武器方面的應用

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製成激光武器,而且這也大大降低了激光武器的成本。咳咳咳….


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