智能光學(xué)發(fā)展問題研究

高鵬

【摘 要】所謂“智能光學(xué)”，指的是基于自適應(yīng)光學(xué)、主動光學(xué)而逐步發(fā)展起來的一種“新興概念”。在本文中，對“智能光學(xué)”這一概念的提出、發(fā)展這一過程加以相應(yīng)的介紹，并有效地對“智能光學(xué)”所具備的概念和范疇加以進(jìn)一步擴展和明確。總結(jié)和評述其應(yīng)用現(xiàn)狀、技術(shù)基礎(chǔ)之類諸多方面，主要包括智能光學(xué)系統(tǒng)、動態(tài)光學(xué)探測技術(shù)、動態(tài)光學(xué)調(diào)制技術(shù)之類層面，涉及了生物醫(yī)學(xué)、空間、軍事、天文等領(lǐng)域中獲得應(yīng)用的激光器、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡等光學(xué)設(shè)備及其背后的系統(tǒng)。最后則對智能光學(xué)的應(yīng)用前景、未來發(fā)展做出了相應(yīng)的展望。

【關(guān)鍵詞】智能光學(xué)；應(yīng)用前景；發(fā)展

0 引言

隨著目前光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域越來越向智能化、靈活性、高精度、宏/微觀尺度的方向發(fā)展，從嚴(yán)格意義上來說，光學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)不再類屬“靜態(tài)系統(tǒng)”，故而以傳統(tǒng)靜態(tài)認(rèn)識為基礎(chǔ)的技術(shù)體系已經(jīng)不能和現(xiàn)代光學(xué)的要求相互適應(yīng)。近段時間“智能光學(xué)”概念被提出并獲得了相應(yīng)的發(fā)展之后，使得研究者獲得了能夠從動態(tài)系統(tǒng)這一層面對現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)所擁有的技術(shù)途徑有一個重新認(rèn)識。

1 動態(tài)光學(xué)調(diào)制技術(shù)

1.1 波前動態(tài)調(diào)制技術(shù)

光學(xué)組件中可以形成“波前動態(tài)調(diào)制”者可稱為“波前調(diào)制器”，一般情況下其多在波前相位調(diào)制中應(yīng)用，同時也可作為波前幅度調(diào)制的工具，為數(shù)不少的波前調(diào)制器又能夠同時實現(xiàn)幅度、相位兩者的調(diào)制。而波前調(diào)制器多借助于“促動器陣列+反射鏡”這一結(jié)構(gòu)形式來對其加以實現(xiàn)，依據(jù)拼接鏡面和整體鏡面的劃分標(biāo)準(zhǔn)能夠?qū)⒅M(jìn)一步劃分成“分立”和“連續(xù)”兩種不同的結(jié)構(gòu)形式。截至如今，自適應(yīng)光學(xué)、主動光學(xué)之類層面“出場率”頗高的促動器類型包括微機電促動器、壓電促動器、機電促動器、壓力促動器以及其他類型的各種空間光調(diào)制器。

1.2 其他動態(tài)調(diào)制技術(shù)

光強動態(tài)調(diào)制能夠借助于空間光調(diào)制器——包括液晶空間光調(diào)制器、數(shù)字微鏡陣列之類，多被用作光學(xué)系統(tǒng)中的投影顯示等多方面領(lǐng)域。一般來說，上述調(diào)制器多以“分立式結(jié)構(gòu)”為主，而在光強調(diào)制方面同樣可以就借助于分立式波前調(diào)制器開展活動。對于液晶調(diào)制器中涉及光強調(diào)制者，則可采取反射或透射形式，不僅可以采取向列液晶材料，還可以用鐵電等液晶材料作為主體。

2 動態(tài)光學(xué)探測技術(shù)

2.1 光瞳面波前探測技術(shù)

所謂“光瞳面波前探測”，指的是動態(tài)探測光學(xué)系統(tǒng)光瞳面位置上的諸多波前信息——這也是波前探測器類型中最為常用者，包括全息波前探測器、角錐波前探測器、橫向剪切干涉儀、夏克哈特曼品牌的波前探測器之類，哈特曼波前探測器是主要以微透鏡陣列取代原有的哈特曼模板，由此來改善傳統(tǒng)的“哈特曼技術(shù)”，廣泛應(yīng)用于激光質(zhì)量測量、光學(xué)檢測、自適應(yīng)光學(xué)、主動光學(xué)等各種領(lǐng)域。夏克哈特曼波前探測器的主要構(gòu)成元素是光電傳感器、微透鏡陣列二者，借助于對局部波前斜率的探測和相應(yīng)的波前重構(gòu)來完成波前探測活動。

2.2 焦面波前探測技術(shù)

所謂“焦面波前探測”，指的是對波前信息在光學(xué)系統(tǒng)焦面位置上開展動態(tài)探測，其主要內(nèi)容包括相位差異、相位提取等。而兩者均為以光學(xué)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的焦面圖像，借助于“模式”、“區(qū)域”之類形式，以“非線性優(yōu)化”的形式完成波前重構(gòu)，并且在圖像恢復(fù)方面依舊可以用上重構(gòu)的波前信息。而兩者的不同之處是相位提取只可以波前探測一些點目標(biāo)，相位差異又能夠波前探測擴展目標(biāo)。

3 能光學(xué)系統(tǒng)

3.1 主動光學(xué)系統(tǒng)

該系統(tǒng)一般都會用在反射式、大口徑望遠(yuǎn)鏡中，一般用于校正/補償望遠(yuǎn)鏡主鏡出現(xiàn)的各種波前畸變，故而主動光學(xué)系統(tǒng)有必要設(shè)計和定制相應(yīng)的望遠(yuǎn)鏡主鏡形狀、材料之類特性。已依據(jù)望遠(yuǎn)鏡主鏡所表現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)形式，可以將主動光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)一步劃分為“拼接”和“整體”兩種鏡面類型，各種形式的主動光學(xué)系統(tǒng)中的各種控制器、波前探測器、“動態(tài)支撐機構(gòu)”等結(jié)構(gòu)都有著不小的區(qū)別。

截至如今，大口徑望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)必須擁有主動光學(xué)這一“必備技術(shù)”，地基大口徑望遠(yuǎn)鏡主鏡面形、外部環(huán)境因素往往都要用主動光學(xué)技術(shù)加以克服。隨著天基望遠(yuǎn)鏡口徑的增大，主動光學(xué)技術(shù)也在其中獲得了應(yīng)用，如很多空間望遠(yuǎn)鏡中都有著頗為復(fù)雜的主動光學(xué)系統(tǒng)拼接鏡面。

3.2 自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)

這一系統(tǒng)一般用在控制波前信息中可以用波前校正器波前探測器加以實時探測者。然而在很多應(yīng)用場合——如顯微鏡系統(tǒng)、如強湍流大氣環(huán)境中，經(jīng)常會難以有效探測波前信息。無波前探測自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)往往能夠借助于度量信息中來自圖像中提取者來閉環(huán)控制波前校正器，而SPGD （隨機并行梯度下降）之類一系列技術(shù)則能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)校正可利用接收光強能量中的各種變化信息。因為能量變化信息、圖像度量信息往往沒有沒有直接對應(yīng)波前的情況，此類形式多借助于開展非線性優(yōu)化技術(shù)波前重構(gòu)。最早的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)是用于大氣湍流補償?shù)鼗h(yuǎn)鏡成像這一領(lǐng)域，也可實時校正波前畸變。如今，自適應(yīng)光學(xué)已經(jīng)成為了標(biāo)準(zhǔn)的大氣湍流波前畸變的補償技術(shù)，并普遍應(yīng)用于地基望遠(yuǎn)鏡且向其他領(lǐng)域逐漸擴展。

對于航空光學(xué)系統(tǒng)而言，共形光學(xué)可以和自適應(yīng)光學(xué)相互結(jié)合，將湍流補償加以實現(xiàn)。而在光學(xué)顯微鏡這一系統(tǒng)之內(nèi)，波前畸變中來自于樣品者往往可以借助于自適應(yīng)光學(xué)加以校正，從而將樣本清晰成像。在光學(xué)系統(tǒng)中用于眼底成像者方面，其可以有效矯正眼睛的波前畸變，將視網(wǎng)膜圖像清晰化。

自適應(yīng)光學(xué)在高功率激光系統(tǒng)中能夠?qū)す馄鞑ㄇ盎兘柚谳敵龉馐蝸硌a償之，又能夠?qū)Σㄇ盎冎性从诠馐鴤鞑ヂ窂街懈鞣N形式的大氣湍流中發(fā)射引起者加以“預(yù)補償”。同時在收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)中自由空間激光通信而言，波前畸變中傳播路徑中大氣湍流造成者可以借助于自適應(yīng)光學(xué)獲得預(yù)補償，降低光束能量誤碼率。

4 結(jié)語

截至如今，在“智能光學(xué)”這一概念領(lǐng)域當(dāng)中，至今沒有形成明確、統(tǒng)一的認(rèn)識，動態(tài)探測技術(shù)和智能光學(xué)的動態(tài)調(diào)制至今依舊處于進(jìn)一步發(fā)展的過程中，并且也逐步與其他領(lǐng)域的技術(shù)融合，“智能光學(xué)系統(tǒng)”的應(yīng)用范圍依舊在日趨向縱深發(fā)展，同時又不斷出現(xiàn)各種形式的新應(yīng)用。借助于如今這一領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，不難看出在現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中，“智能光學(xué)技術(shù)”必然會進(jìn)一步起到越來越重要的作用，與此同時更能夠在一系列新的領(lǐng)域中獲得越來越廣泛的相應(yīng)層面應(yīng)用。

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[責(zé)任編輯：王偉平]