智能光学发展研究3

智能光学发展研究3

王世燕

关键词：智能光学；主动光学；发展历史

与智能相机和智能手机等概念类似，智能光学也是一个新概念。在主动光学、自适应光学的基础上，Greenaway提出了智能光学的概念：一种能够自动调节的光学系统、技术或组件。

智能光学主要包含精密加工、新材料、微电子、信息等现代技术，内容涉及智能光学主动光学和自适应光学。微纳光学、微电子、光电子学、激光光学和光学信息学科相互交叉，相关领域的新方法和新技术促进了智能光学的发展。

目前，国内外对智能光学的研究主要集中在以下三个方面：动态光调制技术、动态光学检测技术、智能光学系统。在以下三个方面中，根据作者对这一技术的熟悉和理解，介绍了国内外智能光学技术及应用的进展，并作了总结和展望。

一、动态光学调制技术

光学波前畸变通常受光学系统性能的影响。主动光学和自适应光学的主要目的是校正光学系统的动态波前像差。因此在动态光调制技术目前的研究主要集中在动态波前相位调制。为了进一步提高光学系统的性能，在某些情况下，必须同时实现波前振幅畸变的动态校正补偿。在投影和显示领域，主要采用光强的动态调制技术，动态调制技术，如频谱、极化、频率等已得到越来越广泛的应用。下面将重点讨论波前的动态调制，并分别介绍各种动态调制技术。

1．波前动态调制技术

波前动态调制的光学元件可以称为波前调制器，波前调制器大多有两种形式存在：反射器以及致动器阵列。根据整体镜与镶嵌的区别，可分为连续式和离散式两种形式。目前，主动执行器和自适应光学是常用的执行器，它包括一个压力致动器、一个机电致动器、一个压电致动器和一个压电致动器。MEMS致动器和其他类型的空间光调制器。主动光学在大口径反射望远镜中的应用是单一的。因此，有源光学波前调制器可以看作是具有动态支撑机构的望远镜主镜。主动光学对低速大振幅波前调制的要求越来越高。因此，动态支撑机构主要采用两种类型的压力执行器和机电执行机构，通常配有测量装置来实现闭环控制。机电支架机构简单，但支撑力小，常用于小口径望远镜的支承机构或大口径望远镜的压力。包括液压支架机构和支撑机构在内的压力支撑机构已广泛应用于大口径望远镜。目前大多数的自适应光学波前调制液压支撑机制可以称为波前校正器，为了获得高精度，通常需要小振幅和高速波前调制。目前，自适应光学中常用的波前校正器有压电变形镜、电磁变形镜、微机电变形镜和液晶空间光调制器。压电陶瓷反射镜和电磁变形反射镜是由基于MEMS变形镜和压电陶瓷的压电陶瓷的制备。基于微电子技术，驱动器通过半导体蚀刻制造工艺和静电驱动;液晶空间光调制器包括两种透射和反射的类型，通常由向列型液晶的物质手段改变局部折射波前调制。

2.其他动态调制技术

光照强度的动态调制可以使用空间光调制器，如数字微镜阵列、液晶空间光调制器，等等。光谱动态调制可以利用液晶调谐滤波器和声光可调谐滤波器实现频谱的动态滤波。它具有多光谱和高光谱成像光学系统等重要应用，遥感影像。液晶可调谐滤波器的成像质量很高，但传输速率和响应速度较低，声光可调谐滤波器的响应速度很高，但成像质量较低。

非线性波前探测器的性能指标应包括探测精度、速度、分辨率、灵敏度、动态范围、频谱范围等。波前探测器和哈特曼波前探测器的动态范围、频谱范围和高速检测。但精度、灵敏度和分辨率均较低。横向剪切干涉检测的动态范围和频谱仪，更高的精度和分辨率高，但检测速度和灵敏度较低;金字塔波前传感器检测速度快，灵敏度高，频谱范围大，但检测精度和分辨率低，动态范围小。全息波前探测器检测速度和灵敏度高、计算量小和不光强闪烁的敏感，但检测精度和分辨率低，光谱范围较小;固相萃取和相位差检测具有精度高、灵敏度高、分辨率高等优点，但检测速度慢，光谱范围小。相位提取动态范围比相位差大，相位差适用于扩展目标的波前检测。

二、动态光学探测技术

1.光瞳面波前探测技术

瞳孔表面波前检测是光学系统中瞳孔信息的动态检测。这是波前探测器最常用的类型，包括哈特曼波前探测器，横向剪切干涉仪，金字塔波前探测器，全息波前探测器等多横向剪切干涉仪主要由改进的哈特曼模板相位光栅和基于波前探测的原理光电传感器。金字塔波前探测器可以看作是ShaikhHartman的逆向过程，通过多光束干涉模型的分析，采用焦平面图像金字塔将转换为波前检测多个瞳孔平面图像。金字塔波前探测器主要由PilarMeade和光电传感器。全息波前探测器是一种模式波前探测器。利用相位全息图将入射光束分解成多个模态，实现了波前检测。全息波前检测仪体积小，适合高速检测。目前，全息波前探测器只适用于激光系统中常用的单色光。全息波前传感器主要由计算机全息图和光电传感器阵列组成。每个光电传感器检测独立模式，重构波前。

2.焦面波前探测技术

焦平面波前的检测是光学系统焦点位置波前信息的动态检测，主要包括相位提取和相位差检测。相位提取和相位差基于光学系统焦平面图像，通过区域或模式的非线性优化实现波前重构。重建后的波前信息也可用于图像复原。相位提取和相位差的区别在于相位提取只能检测点目标的波前，而相位差也适用于扩展目标的波前检测。

三、智能光学系统

1.主动光学系统

有源光学系统在大口径反射望远镜中实现望远镜主镜波前像差的校正补偿。因此，应根据望远镜主镜的材质和形状来设计和定制有源光学系统。根据望远镜主镜的结构，可将有源光学系统分为两类：积分镜和拼接镜。不同类型主动光学系统的动态支撑机理与波前检测器和控制器有很大的不同。目前，主动光学已成为大口径望远镜必不可少的技术。主动光学技术广泛应用于地面大口径望远镜，克服了自身和外界环境因素对主表面的影响。

2.自适应光学系统

自适应光学系统通常利用波前检测器实时检测到的波前信息来控制波前校正器。但在强湍流大气和显微镜系统等应用中，很难有效地探测到波前信息。无波前检测的自适应光学技术可以利用图像中提取的信息来控制波前校正器。随机并行梯度下降技术可以利用接收到的强度和能量信息实现闭环校正。由于图像测量信息与能量变化和波前信息没有直接的对应关系，这些方法一般采用非线性优化技术来重建波前。自适应光学系统最初用于地面望远镜成像的大气湍流补偿，并对快速变化的波前畸变进行实时校正。目前，自适应光学已成为补偿大气湍流波前畸变的标准技术，广泛应用于地面望远镜，并逐步推广到其他领域。在光学显微镜系统中，自适应光学能够校正样品引起的波前畸变，实现样品的清晰成像。

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