系統(tǒng)介紹智能光學(xué)的發(fā)展

張晚秋

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201720015

摘要：對(duì)于智能光學(xué)而言，其是光學(xué)領(lǐng)域中比較新的概念，主要立足自適應(yīng)和主動(dòng)光學(xué)發(fā)展而來。本文全面闡述了智能光學(xué)的提出背景，描述其發(fā)展過程，同時(shí)，對(duì)其進(jìn)行合理擴(kuò)展和明確，探討了其應(yīng)用狀態(tài)，展望了其發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：智能光學(xué)；發(fā)展；展望

對(duì)于光學(xué)發(fā)展而言，其應(yīng)用領(lǐng)域更顯智能化，在精度以及靈活性方面更加突出。立足本質(zhì)進(jìn)行分析，光學(xué)突破靜態(tài)系統(tǒng)的界限，傳統(tǒng)光學(xué)靜態(tài)觀念很難與現(xiàn)代光學(xué)發(fā)展實(shí)際相契合。在智能光學(xué)概念出現(xiàn)滯后，現(xiàn)代光學(xué)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)引起整個(gè)領(lǐng)域的高度關(guān)注，強(qiáng)化了對(duì)光學(xué)技術(shù)的系統(tǒng)分析，深化認(rèn)識(shí)。在智能光學(xué)發(fā)展進(jìn)程中，與諸多學(xué)科知識(shí)出現(xiàn)融合的情況，強(qiáng)化傳統(tǒng)光學(xué)研究領(lǐng)域的延伸。在智能光學(xué)范疇，主要包含主動(dòng)光學(xué)與自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，同時(shí)，又與很多學(xué)科出現(xiàn)交叉，不同領(lǐng)域的新技術(shù)和新工藝在推動(dòng)智能光學(xué)發(fā)展中發(fā)揮重大作用。通過對(duì)智能光學(xué)技術(shù)的全面分析和總結(jié)，能夠?qū)ζ浜x進(jìn)行深入掌握，掌握諸多光學(xué)系統(tǒng)的特征，明確組件構(gòu)成，掌握其中關(guān)鍵技術(shù)，強(qiáng)化對(duì)光學(xué)特性的動(dòng)態(tài)調(diào)制和動(dòng)態(tài)探測(cè)，提升光學(xué)系統(tǒng)的性能，強(qiáng)化光學(xué)設(shè)計(jì)的靈活性。

1 詳述動(dòng)態(tài)光學(xué)調(diào)制技術(shù)的發(fā)展情況

1.1 波前動(dòng)態(tài)調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境

在整個(gè)光學(xué)組件中，波前調(diào)制器之所以能夠形成，主要是其體現(xiàn)為波前動(dòng)態(tài)調(diào)制的特征。通常，在這種波前相位調(diào)制系統(tǒng)應(yīng)用中，能夠承擔(dān)幅度調(diào)制的工具作用，很多情況下，能夠滿足幅度和相位同時(shí)調(diào)制的需要。對(duì)于波前調(diào)制器而言，其應(yīng)用的主要結(jié)構(gòu)類型為促動(dòng)器陣列與反射鏡相結(jié)合的方式。立足整體與拼接鏡面的區(qū)別依據(jù)，對(duì)其進(jìn)行類型劃分，即形成連續(xù)型和分立型兩種。

1.2 相關(guān)動(dòng)態(tài)調(diào)制技術(shù)應(yīng)用背景

當(dāng)前，光強(qiáng)動(dòng)態(tài)調(diào)制器的應(yīng)用得到拓展，其主要依賴的是空間光調(diào)制器，涉及數(shù)字微鏡陣列等類型，在光學(xué)研究的投影顯示領(lǐng)域應(yīng)用較多。通常，這種調(diào)制器存在的結(jié)構(gòu)形式為分立式，但是，立足光強(qiáng)調(diào)整方面，也可以通過分立式波前調(diào)制器來完成，對(duì)于液晶調(diào)制器，如果涉及光強(qiáng)調(diào)制者，則可以應(yīng)用反射和透射形式實(shí)現(xiàn)，材料類型通常為向列液晶。

2 全面闡述動(dòng)態(tài)光學(xué)探測(cè)技術(shù)發(fā)展

2.1 光瞳面波前探測(cè)技術(shù)特點(diǎn)分析

這種技術(shù)展現(xiàn)的是波前信息，位置處于動(dòng)態(tài)探測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的光瞳面。這一技術(shù)類型在波前探測(cè)器中較為普遍，涉及諸多類型，如全息波前探測(cè)器、橫向剪切干涉儀等，在激光治療測(cè)量、光學(xué)檢測(cè)等諸多領(lǐng)域發(fā)揮作用。

2.2 焦面波前探測(cè)技術(shù)性能探討

焦面波前探測(cè)技術(shù)也是動(dòng)態(tài)探測(cè)技術(shù)的一種，主要針對(duì)的是波前信息在光學(xué)系統(tǒng)焦面位置，將相位的不同以及提取囊括其中。相位差異和相位提取都是立足光學(xué)系統(tǒng)的焦面圖像，其表現(xiàn)形式主要體現(xiàn)為模式和區(qū)域，同時(shí)，借助非線性優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)波前重構(gòu)目的，即便面對(duì)圖像恢復(fù)要求，重構(gòu)的波前信息業(yè)可以發(fā)揮作用。區(qū)別之處是，相位提取針對(duì)的是波前點(diǎn)化目標(biāo)的探測(cè)，而相位差異能夠滿足波前目標(biāo)拓展的需要。

3 智能光學(xué)系統(tǒng)發(fā)展概況分析

對(duì)于智能光學(xué)系統(tǒng)而在言，其特征是具有動(dòng)態(tài)光學(xué)調(diào)制或者探測(cè)光學(xué)組件，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)性質(zhì)的動(dòng)態(tài)控制的光學(xué)系統(tǒng)。智能光學(xué)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制主要通過閉環(huán)和開環(huán)實(shí)現(xiàn)。在閉環(huán)控制中，主要的構(gòu)成為調(diào)制、探測(cè)和控制器，而在開環(huán)中，主要包含的是控制器。對(duì)于主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)而言，其對(duì)控制速度要求不高，在開環(huán)控制模式的應(yīng)用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)自身的閉環(huán)控制。而自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)強(qiáng)化控制的動(dòng)態(tài)性與實(shí)時(shí)性，為了降低誤差，閉環(huán)方式應(yīng)用較多。

3.1 對(duì)主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用細(xì)節(jié)的分析

對(duì)于主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)而言，其應(yīng)用的領(lǐng)域主要望遠(yuǎn)鏡，同時(shí)，望遠(yuǎn)鏡類型為大口徑和反射式，作用是有效彌補(bǔ)望遠(yuǎn)鏡存在的波前畸變現(xiàn)象，因此，主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)計(jì)階段，在特征上需要與望遠(yuǎn)鏡的規(guī)格、形狀以及材料進(jìn)行結(jié)合，綜合進(jìn)行考慮。結(jié)合望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)模式，主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)可以被劃分為拼接和整體兩種形式。在不同的形式內(nèi)，主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)中的控制器、探測(cè)器類型也彰顯差異性。在當(dāng)前的大口徑望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)中，主動(dòng)光學(xué)技術(shù)成為必備技術(shù)類型，其主鏡面形、外部因素等都需要借助主動(dòng)光學(xué)加以應(yīng)對(duì)。隨著望遠(yuǎn)鏡口徑的不斷擴(kuò)大，主動(dòng)光學(xué)技術(shù)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，尤其是一些空間望遠(yuǎn)鏡中，較為復(fù)雜的主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)拼接鏡面應(yīng)用其中。

3.2 對(duì)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的介紹

對(duì)于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)而言，其主要目的是控制波前信息中能夠借助校正器探測(cè)的探測(cè)者。但是，在具體應(yīng)用實(shí)踐中，如顯微鏡，很難對(duì)波前信息進(jìn)行有效探測(cè)。針對(duì)能力變化信息以及圖像度量信息而言，鑒于其缺乏相對(duì)應(yīng)的波前情況，因此，需要依賴非線性優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行波前重構(gòu)。自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)最早應(yīng)用的領(lǐng)域?yàn)榇髿馔牧餮a(bǔ)償?shù)鼗h(yuǎn)鏡成像領(lǐng)域，強(qiáng)化對(duì)波前畸形校正的實(shí)時(shí)性。當(dāng)前，自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)在大氣湍流波前檢測(cè)中應(yīng)用較多，成為標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)償技術(shù)，同時(shí)，逐漸由地基望遠(yuǎn)鏡領(lǐng)域拓展到更多的行業(yè)，潛力巨大。針對(duì)高功率激光系統(tǒng)，自適應(yīng)光學(xué)能夠針對(duì)激光器波前畸變進(jìn)行補(bǔ)償，依賴輸出光束整形的作用，同時(shí)，完成對(duì)不同形式大氣湍流誘發(fā)因素進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，有效降低光束能量誤碼率。

4 結(jié)語

綜上，對(duì)于智能光學(xué)而言，對(duì)其認(rèn)識(shí)尚未形成定論，缺乏對(duì)其明確的認(rèn)識(shí)和理解，尤其是動(dòng)態(tài)探測(cè)技術(shù)和智能光學(xué)始終處于不斷發(fā)展之中，同時(shí)，強(qiáng)化與相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)結(jié)合。智能光學(xué)的發(fā)展更加具有深度，應(yīng)用形式不斷豐富。在這種發(fā)展環(huán)境的影響下，可以發(fā)現(xiàn)，智能光學(xué)在未來將更具發(fā)展?jié)摿Γ谠絹碓蕉嗟念I(lǐng)域中發(fā)揮作用。

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