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什么是自適光學(xué)原理？

來源： 時(shí)間：2022-06-08 16:51:42 瀏覽次數(shù)：

無波前傳感器自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)去掉了傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的波前傳感器，直接利用成像傳感器獲取波前誤差信息，實(shí)現(xiàn)了在結(jié)構(gòu)和工作流程上對自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的簡化。 加之，隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)的飛速發(fā)展，作為波前校正器的變形鏡體積趨向小型化，更為無波前傳感器自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)沿著小型集成、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的方向發(fā)展提供了條件。 按照校正模式，無波前傳感校正方法分為模型法與無模型法，典型的無模型法有高頻振動法、爬山法、遺傳算法、隨機(jī)并行梯度下降法等。這些方法中都包含迭代循環(huán)，其收斂性不是十分穩(wěn)定或受到多方面因素的影響而不可預(yù)知，影響了校正效率。 2002年，英國牛津大學(xué)工程系Martin Booth等采用Lukosz模式，選用基于圖像的適宜評價(jià)函數(shù)，對光學(xué)掃描顯微鏡首次成功實(shí)施了基于圖像的無波前傳感器模型法自適應(yīng)光學(xué)校正。該方法避免了無模型法收斂不穩(wěn)定問題，校正所用的循環(huán)周期與所用模式階數(shù)相關(guān)，校正次數(shù)固定，具有較好的實(shí)時(shí)性。 上述自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)
對于傳統(tǒng)的地基天文望遠(yuǎn)鏡，由于受到大氣湍流影響，即使口徑增大，設(shè)計(jì)、加工能力提高，分辨率也無法獲得衍射極限水平。為解決該問題，1953年，美國天文學(xué)家H.W.Babkock提出自適應(yīng)光學(xué)（Adaptive Optics，AO）概念；1957年，蘇聯(lián)天文學(xué)家Linnik也提出類似思想。
經(jīng)過多年的發(fā)展，光學(xué)工作者創(chuàng)立了一個(gè)光學(xué)新分支——自適應(yīng)光學(xué)。
目前，世界上大型的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)都采用了自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，自適應(yīng)光學(xué)的出現(xiàn)為補(bǔ)償動態(tài)波前擾動，提高光波質(zhì)量提供了新的研究方向。
60多年來，自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)獲得蓬勃發(fā)展，現(xiàn)已應(yīng)用于天文學(xué)、空間光學(xué)、激光、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。
在天文學(xué)領(lǐng)域，用于克服大氣湍流形成的波前動態(tài)擾動，提高光學(xué)儀器分辨率及信噪比；在空間光學(xué)領(lǐng)域，用于遙感成像、戰(zhàn)略防御等系統(tǒng)，以克服設(shè)計(jì)、制造、裝調(diào)及熱、結(jié)構(gòu)變形等誤差；在激光領(lǐng)域，用于克服激光器腔內(nèi)熱變形、光學(xué)元件加工及裝調(diào)誤差、激光增益介質(zhì)不均勻、諧振腔失調(diào)、大氣湍流擾動及熱暈效應(yīng)等，以提高高能束到達(dá)靶標(biāo)的能量密度或解決激光通信中激光鏈路相干度退化及可用度降低問題；在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，用于校正各類系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)像差，以獲得清晰的生物組織圖像。
自適應(yīng)光學(xué)集成了光、機(jī)、電、熱、計(jì)算機(jī)、控制等多門學(xué)科的專業(yè)知識，是一門以多學(xué)科為基礎(chǔ)，以實(shí)際波前誤差為根據(jù)，實(shí)時(shí)校正波前誤差的學(xué)科。
與傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)相比，其在校正光學(xué)系統(tǒng)動態(tài)誤差方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。依據(jù)波前誤差源的時(shí)頻與空頻特性，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)可采用適宜的、各具特色的波前傳感與校正方法，且校正器件種類繁多。
在國際上，通常把校正低頻誤差源的光學(xué)系統(tǒng)稱為主動光學(xué)（Active Optics）系統(tǒng)，主動光學(xué)的研究內(nèi)容與自適應(yīng)光學(xué)極其相似，兩者的主要區(qū)別是誤差源、傳感器及校正器不同。主動光學(xué)的誤差源主要是光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、加工與裝調(diào)、熱畸變、重力變形等誤差，時(shí)頻帶通常低于0.1 Hz，但是幅度可遠(yuǎn)大于幾個(gè)波長。

針對該類誤差的探測，除采用自適應(yīng)光學(xué)波前傳感器外，還有傳統(tǒng)的電容、電感傳感器以及形變傳感器等。而且，校正器往往放置于大口徑鏡體的背面，具有大型結(jié)構(gòu)，并可承受較重負(fù)載。但是，二者的共同點(diǎn)是主要的。

自適應(yīng)光學(xué)的發(fā)展

自適應(yīng)光學(xué)是一門體現(xiàn)科學(xué)性與工程性相結(jié)合的綜合性學(xué)科，是利用光傳播路徑上獲取的信息自動改善光波質(zhì)量的理論、系統(tǒng)、技術(shù)和工程。
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，新材料、新技術(shù)的涌現(xiàn)，自適應(yīng)光學(xué)也不斷地發(fā)展。美國學(xué)者Robert Tyson 稱，“自適應(yīng)光學(xué)并沒有一個(gè)獨(dú)立的發(fā)明者，而是成百上千的科研與技術(shù)工程人員共同努力下發(fā)展起來的。”特別是近40年來，在自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域發(fā)生了許多革命性變革，科學(xué)工作者們不斷研究新方法、新技術(shù)以實(shí)現(xiàn)無畸變光束傳輸，獲取無畸變圖像。
無波前傳感器自適應(yīng)光學(xué)（WavefrontSensorless Adaptive Optics, WSLAO）系統(tǒng)去掉了傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的波前傳感器，直接利用成像傳感器獲取波前誤差信息，實(shí)現(xiàn)了在結(jié)構(gòu)和工作流程上對自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的簡化。
加之，隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)（Micro ElectroMechanical System, MEMS）的飛速發(fā)展，作為波前校正器的變形鏡體積趨向小型化，更為無波前傳感器自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)沿著小型集成、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的方向發(fā)展提供了條件。
按照校正模式，無波前傳感校正方法分為模型法與無模型法，典型的無模型法有高頻振動法、爬山法、遺傳算法、隨機(jī)并行梯度下降法等。這些方法中都包含迭代循環(huán)，其收斂性不是十分穩(wěn)定或受到多方面因素的影響而不可預(yù)知，影響了校正效率。
2002年，英國牛津大學(xué)工程系Martin Booth等采用Lukosz模式，選用基于圖像的適宜評價(jià)函數(shù)，對光學(xué)掃描顯微鏡首次成功實(shí)施了基于圖像的無波前傳感器模型法自適應(yīng)光學(xué)校正。該方法避免了無模型法收斂不穩(wěn)定問題，校正所用的循環(huán)周期與所用模式階數(shù)相關(guān)，校正次數(shù)固定，具有較好的實(shí)時(shí)性。
上述自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)各具特點(diǎn)，需要根據(jù)所校正的誤差源特性及應(yīng)用環(huán)境合理選擇。

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