自適應(yīng)光學和可變形反射鏡簡介

在光學系統(tǒng)中，組件未對準、元件缺陷或像差會在內(nèi)部降低性能，而熱量和大氣會從外部降低性能。 盡管精心設(shè)計光學系統(tǒng)可以減少這些問題，但性能損害可能太嚴重而無法用傳統(tǒng)方法解決。 例如，在天文攝影這個難以控制大氣擾動等外部因素的領(lǐng)域，使用主動方法來校正性能。 宏觀天文學應(yīng)用和微光學應(yīng)用的關(guān)鍵是自適應(yīng)光學 (AO) 元件，包括可變形反射鏡，如 Iris AO 111 驅(qū)動可變形反射鏡。

了解波前

自適應(yīng)光學 (AO) 是一種通過操縱光波前來增強光學系統(tǒng)性能的技術(shù)。與非自適應(yīng)系統(tǒng)相比，這提高了最終輸出，提高了性能。波前定義為與通過所有具有相同相位的點的傳播波相關(guān)聯(lián)的表面。未失真的波前通常是平面或球面的，可以通過使用常見的光學元件來改變。例如，正透鏡將準直光聚焦到一個點，將平面波前轉(zhuǎn)換為球面波前，如圖 1 所示。

使用具有自適應(yīng)光學元件（如可變形反射鏡）的主動方法來操縱波前，可以精確控制波前的形狀。這種非自適應(yīng)元件無法實現(xiàn)的精確和“可編程"控制導致許多光學系統(tǒng)性能的顯著提高。這就是為什么在廣泛的成像和非成像應(yīng)用中采用自適應(yīng)光學來減少像差、提高圖像質(zhì)量或塑造激光束的原因。

圖 1：平凸 (PCX) 透鏡將平面波前變?yōu)榍蛎娌ㄇ?/span>

自適應(yīng)光學元件和系統(tǒng)

自適應(yīng)光學通過使用在施加外部控制信號時改變形狀的光學元件來校正波前。 可變形反射鏡是一種具有可控反射表面形狀的自適應(yīng)元件。 通過引入正確的反射鏡形狀，可以改善失真的輸入波前，如圖 2 所示。

圖 2：可變形反射鏡校正扭曲的波前

鏡面形狀可以從一組預先計算或存儲的形狀中導出，即開環(huán)控制，或者可以根據(jù)波前傳感器的反饋計算并在閉環(huán)控制中運行。

一個簡單的開環(huán)自適應(yīng)光學成像系統(tǒng)如圖 3a 所示。 該系統(tǒng)由可變形反射鏡、反射鏡控制電子設(shè)備、成像傳感器和傳統(tǒng)光學元件組成。 例如，控制系統(tǒng)以開環(huán)方式運行并且可以應(yīng)用預定的鏡面形狀來校正不同類型的像差。 該系統(tǒng)還可用于將已知的光學像差引入系統(tǒng)，以了解它們對系統(tǒng)性能的影響。

圖 3a：使用在開環(huán)控制中運行的可變形反射鏡的自適應(yīng)光學系統(tǒng)

更復雜的系統(tǒng)采用能夠表征入射波前形狀的波前傳感器（如下所述）。 分束器放置在光路中，用于將部分光反射到波前傳感器上，如圖 3b 所示。 來自該傳感器的信息用于計算校正任何波前畸變所需的鏡面形狀。 然后這些數(shù)據(jù)被反饋到鏡片的控制系統(tǒng)，進而改變鏡面的形狀。 該系統(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng)，可以連續(xù)采樣和測量波前質(zhì)量并反饋該信息以控制鏡面形狀。

圖 3b：自適應(yīng)光學系統(tǒng)中的可變形反射鏡以閉環(huán)配置運行，使用來自波前傳感器的反饋來控制反射鏡形狀。

一種常見類型的波前傳感器是 Shack Hartmann 波前傳感器。 該傳感器由安裝在 CCD 或 CMOS 探測器陣列前面的微透鏡陣列制成，如圖 4 所示。如圖 4a 所示，當平面波前入射到傳感器上時，每個小透鏡將光聚焦在 放置在小透鏡陣列焦平面上的陣列中的預定義像素集。 當扭曲的波前入射到微透鏡陣列上時，焦點位于與每個小透鏡相關(guān)聯(lián)的像素內(nèi)的不同位置，如圖 4b 所示。 通過分析探測器陣列上各個點的位置，可以表征入射到波前傳感器上的波前的形狀。 該信息可用于確定校正失真所需的可變形鏡面的形狀。

圖 4：Shack Hartmann 波前傳感器基本工作原理示意圖

關(guān)鍵自適應(yīng)光學參數(shù)

表面類型、分段膜與連續(xù)膜、驅(qū)動技術(shù)、驅(qū)動器數(shù)量、涂層類型和光學元件尺寸是關(guān)鍵的自適應(yīng)光學參數(shù)。 了解這些參數(shù)使用戶能夠選擇適合感興趣的應(yīng)用的自適應(yīng)光學元件。 以下總結(jié)了為給定應(yīng)用選擇可變形反射鏡時要考慮的四個關(guān)鍵自適應(yīng)光學參數(shù)。

表面類型：

可變形反射鏡可以是分段的或連續(xù)的。 分段式反射鏡有許多可以單獨控制的較小的反射鏡部分。 段數(shù)越多，鏡面形狀的控制就越精確。 連續(xù)膜鏡由一個表面組成，可以在不同的位置變形。

驅(qū)動技術(shù)：

分段可變形反射鏡具有由致動器使用活塞尖傾斜值或 Zernike 系數(shù)定位的分段。 精密線性開環(huán)活塞尖傾斜定位可實現(xiàn)高性能自適應(yīng)光學校正。 *獨立的段定位能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)光學、相控陣、光束整形、光纖耦合和許多其他應(yīng)用。

連續(xù)表面可變形反射鏡使用反射面后面的致動器將其變形為必要的形狀。 有多種選擇，從反射膜后面的機械致動器柱來塑造膜，到磁鐵或壓電元件來改變鏡面輪廓。

驅(qū)動器數(shù)量：

驅(qū)動器的數(shù)量決定了鏡片可以產(chǎn)生的*形狀的質(zhì)量和數(shù)量。 隨著驅(qū)動器數(shù)量的增加，變形的多功能性也在增加。 通常，驅(qū)動器的數(shù)量從幾十到幾百不等。

尺寸：

可變形反射鏡的直徑范圍可以從幾毫米到數(shù)百厘米。 它們的尺寸范圍使其成為微觀和宏觀應(yīng)用的理想選擇。

應(yīng)用實例

自適應(yīng)光學用于許多成像和非成像應(yīng)用，包括 3D 成像、視覺和生物醫(yī)學應(yīng)用。 3D 成像使用可變形反射鏡來增加深度范圍，創(chuàng)建更真實的 3D。在視覺應(yīng)用中，自適應(yīng)光學用于機器人視覺和監(jiān)控攝像頭，以提供實時或遠距離成像。在顯微鏡中，自適應(yīng)光學校正靜態(tài)鏡頭中的像差。包括眼科在內(nèi)的生物醫(yī)學應(yīng)用使用自適應(yīng)光學來克服由人眼玻璃體液引起的像差，以捕獲高分辨率的視網(wǎng)膜圖像，或增加光學相干斷層掃描的掃描深度。

自適應(yīng)光學器件也可用于多種非成像應(yīng)用，包括激光材料加工，可用于控制激光束形狀和尺寸以提高精度。

自適應(yīng)光學器件非常適合校正成像和非成像應(yīng)用中的光束整形中的波前畸變。任何自適應(yīng)光學系統(tǒng)中的關(guān)鍵光學組件都是可變形反射鏡和波前傳感器。當在開環(huán)系統(tǒng)中使用時，這些自適應(yīng)組件可以塑造激光，或通過像差校正來增強成像性能。如果簡單的開環(huán)控制不能產(chǎn)生所需的性能，請考慮在閉環(huán)控制系統(tǒng)中將自適應(yīng)元件與波前傳感器配對。使用 Iris AO 自適應(yīng)光學套件開始探索自適應(yīng)系統(tǒng)帶來的性能改進。