我們的日常生活中存在著各種各樣的光學(xué)系統(tǒng)，小到一個(gè)透鏡、一副近視眼鏡，大到顯微鏡、攝像機(jī)、望遠(yuǎn)鏡等等，這些大小不一的產(chǎn)品正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。但是，經(jīng)常出現(xiàn)這樣的情況，以近視眼鏡為例，每當(dāng)我們的眼睛度數(shù)加深，就必須要換一副眼鏡，否則就看不清畫(huà)面了，那有沒(méi)有那種自行調(diào)節(jié)、適應(yīng)圖像清晰度的光學(xué)系統(tǒng)（當(dāng)然不僅僅是近視眼鏡）呢？有，這就是本期的主題：自適應(yīng)光學(xué)。
被動(dòng)光學(xué)和主動(dòng)光學(xué)
在介紹自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)之前，有必要提一下被動(dòng)光學(xué)和主動(dòng)光學(xué)這2個(gè)概念。所謂被動(dòng)光學(xué)，就是被動(dòng)的光學(xué)，也就是不能主動(dòng)改變系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)改善圖像質(zhì)量的光學(xué)，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(guò)機(jī)械的方式譬如打磨光學(xué)元件或者直接更換元器件等來(lái)實(shí)現(xiàn)，這相對(duì)比較麻煩，自然這也是基礎(chǔ)的光學(xué)系統(tǒng)。
那既然被動(dòng)光學(xué)很“被動(dòng)”，我們自然就會(huì)想到通過(guò)在光學(xué)系統(tǒng)中簡(jiǎn)單添加一些可修正的光學(xué)部件，然后通過(guò)調(diào)整這些修正部件來(lái)提升圖像質(zhì)量，這就是我們說(shuō)的主動(dòng)光學(xué)，現(xiàn)實(shí)生活中例如照相機(jī)的調(diào)焦功能就是這樣，當(dāng)然高級(jí)點(diǎn)的還有人的眼睛。
圖1 照相機(jī)對(duì)焦原理（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）
自適應(yīng)光學(xué)
接下來(lái)進(jìn)入正題，自適應(yīng)光學(xué)是一種能夠有效解決動(dòng)靜態(tài)誤差過(guò)大、大大提高成像質(zhì)量的光學(xué)系統(tǒng)，這也算是主動(dòng)光學(xué)的一種。自適應(yīng)光學(xué)這么厲害，為啥日常生活中不常看到？你想啊，能夠自適應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)必定十分復(fù)雜，價(jià)格昂貴，你能用幾百塊換一副近視眼鏡，自然不會(huì)用幾十幾百萬(wàn)的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，所以自適應(yīng)光學(xué)目前主要應(yīng)用于高精尖的大項(xiàng)目工程中。好，接下來(lái)我們來(lái)介紹下自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)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(dòng)和誤差，例如圖2 的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，我們引入了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，從而得到了清晰的圖像。在這里必須要引入一個(gè)光學(xué)概念：波前。所謂波前就是電磁波在傳輸過(guò)程中，達(dá)到某一個(gè)位置時(shí)各個(gè)點(diǎn)（振動(dòng)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(diǎn)光源）、平面波等之分。如果波經(jīng)過(guò)理想的光學(xué)系統(tǒng)，那么波前相位是不會(huì)發(fā)生畸變的，也就是成像質(zhì)量不會(huì)變模糊，但是由于大氣湍流、非理想的光學(xué)器件等因素，導(dǎo)致最后望遠(yuǎn)鏡接收到的圖像是不可辨識(shí)的，如果波前改變僅像圖3（a）那樣，我們也還可以通過(guò)調(diào)焦來(lái)實(shí)現(xiàn)，那么如圖3（b）的情況，則真正需要自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)來(lái)改善圖像質(zhì)量。
圖2 自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)原理（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）
圖3 不規(guī)則波前造成模糊成像（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）
如圖2所示，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)由波前探測(cè)器、波前控制器、波前校正器組成。波前探測(cè)器，主要是探測(cè)光的波前畸變，其常用的類型有Hartmann-Shack 傳感器、剪切干涉儀和曲率傳感器等。本文僅以常用的Hartmann-Shack 傳感器為例進(jìn)行介紹，該傳感器由透鏡陣列和CCD相機(jī)組成，通過(guò)透鏡陣列對(duì)波前進(jìn)行分割采樣,每個(gè)子孔徑范圍內(nèi)的波前傾斜將使單元透鏡的聚焦光斑產(chǎn)生橫向漂移,測(cè)量光斑中心在兩個(gè)方向上相對(duì)于用平行光標(biāo)定的基準(zhǔn)位置的漂移量,從而求出各子孔徑范圍內(nèi)的波前在兩個(gè)方向上的平均斜率，如圖4所示。
圖4 Hartmann-Shack 傳感器原理（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）
波前控制器對(duì)于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)就如同計(jì)算機(jī)的CPU，通過(guò)波前探測(cè)器得到的波前斜率，經(jīng)過(guò)一系列算法解算出波前相位，然后通過(guò)控制系統(tǒng)反饋給波前校正器改變變形鏡的各子模塊來(lái)補(bǔ)償畸變波前，提高圖像精度。所以，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)通常也簡(jiǎn)單地稱之為變形鏡。而波前校正器其實(shí)就是在變形鏡上安裝多個(gè)壓電陶瓷制成的驅(qū)動(dòng)器，用來(lái)改變不同子孔徑的姿勢(shì)，從而改變反射光束的方向，達(dá)到校正波前的目的。
圖5 變形鏡驅(qū)動(dòng)與哈特曼子孔徑的布局關(guān)系（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）
- 應(yīng)用
- 天體觀測(cè)方面的應(yīng)用
天體觀測(cè)目前主要通過(guò)把自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)合到望遠(yuǎn)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臺(tái)。
- 生物成像方面的應(yīng)用
生物成像尤其是人眼視網(wǎng)膜成像方面，利用自適應(yīng)光學(xué)大大增強(qiáng)了我們對(duì)視覺(jué)細(xì)胞的觀測(cè)程度，典型單位為中科院光電技術(shù)研究所，這里也不得不提一下我們的老前輩姜文漢院士，也稱得上中國(guó)自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域的開(kāi)拓者。
- 神光系列裝置方面的應(yīng)用
眾所周知，神光系列裝置是一個(gè)非常龐大且復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，會(huì)有非常多的光學(xué)元器件，那么激光自然經(jīng)過(guò)這些光學(xué)元件后，或多或少都會(huì)因?yàn)樵骷砻娴募庸ふ`差和材料的不均勻性導(dǎo)致聚焦光斑彌散，所以就需要自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)來(lái)校正系統(tǒng)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(jī)所、中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心。
- 激光武器方面的應(yīng)用
激光武器追求的是能量密度，如果不清楚的童靴請(qǐng)見(jiàn)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(chǎn)生破壞性效果，美國(guó)軍方就采用了自適應(yīng)光學(xué)的方式將幾束激光聚焦到足夠小的面積上來(lái)制成激光武器，而且這也大大降低了激光武器的成本。
