智能光學發展問題研究

高鵬

【摘 要】所謂“智能光學”，指的是基于自適應光學、主動光學而逐步發展起來的一種“新興概念”。在本文中，對“智能光學”這一概念的提出、發展這一過程加以相應的介紹，并有效地對“智能光學”所具備的概念和范疇加以進一步擴展和明確。總結和評述其應用現狀、技術基礎之類諸多方面，主要包括智能光學系統、動態光學探測技術、動態光學調制技術之類層面，涉及了生物醫學、空間、軍事、天文等領域中獲得應用的激光器、顯微鏡、望遠鏡等光學設備及其背后的系統。最后則對智能光學的應用前景、未來發展做出了相應的展望。

【關鍵詞】智能光學；應用前景；發展

0 引言

隨著目前光學應用領域越來越向智能化、靈活性、高精度、宏/微觀尺度的方向發展，從嚴格意義上來說，光學系統已經不再類屬“靜態系統”，故而以傳統靜態認識為基礎的技術體系已經不能和現代光學的要求相互適應。近段時間“智能光學”概念被提出并獲得了相應的發展之后，使得研究者獲得了能夠從動態系統這一層面對現代光學系統所擁有的技術途徑有一個重新認識。

1 動態光學調制技術

1.1 波前動態調制技術

光學組件中可以形成“波前動態調制”者可稱為“波前調制器”，一般情況下其多在波前相位調制中應用，同時也可作為波前幅度調制的工具，為數不少的波前調制器又能夠同時實現幅度、相位兩者的調制。而波前調制器多借助于“促動器陣列+反射鏡”這一結構形式來對其加以實現，依據拼接鏡面和整體鏡面的劃分標準能夠將之進一步劃分成“分立”和“連續”兩種不同的結構形式。截至如今，自適應光學、主動光學之類層面“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制器。

1.2 其他動態調制技術

光強動態調制能夠借助于空間光調制器——包括液晶空間光調制器、數字微鏡陣列之類，多被用作光學系統中的投影顯示等多方面領域。一般來說，上述調制器多以“分立式結構”為主，而在光強調制方面同樣可以就借助于分立式波前調制器開展活動。對于液晶調制器中涉及光強調制者，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 動態光學探測技術

2.1 光瞳面波前探測技術

所謂“光瞳面波前探測”，指的是動態探測光學系統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，由此來改善傳統的“哈特曼技術”，廣泛應用于激光質量測量、光學檢測、自適應光學、主動光學等各種領域。夏克哈特曼波前探測器的主要構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的波前重構來完成波前探測活動。

2.2 焦面波前探測技術

所謂“焦面波前探測”，指的是對波前信息在光學系統焦面位置上開展動態探測，其主要內容包括相位差異、相位提取等。而兩者均為以光學系統為基礎的焦面圖像，借助于“模式”、“區域”之類形式，以“非線性優化”的形式完成波前重構，并且在圖像恢復方面依舊可以用上重構的波前信息。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，相位差異又能夠波前探測擴展目標。

3 能光學系統

3.1 主動光學系統

該系統一般都會用在反射式、大口徑望遠鏡中，一般用于校正/補償望遠鏡主鏡出現的各種波前畸變，故而主動光學系統有必要設計和定制相應的望遠鏡主鏡形狀、材料之類特性。已依據望遠鏡主鏡所表現出的結構形式，可以將主動光學系統進一步劃分為“拼接”和“整體”兩種鏡面類型，各種形式的主動光學系統中的各種控制器、波前探測器、“動態支撐機構”等結構都有著不小的區別。

截至如今，大口徑望遠鏡已經必須擁有主動光學這一“必備技術”，地基大口徑望遠鏡主鏡面形、外部環境因素往往都要用主動光學技術加以克服。隨著天基望遠鏡口徑的增大，主動光學技術也在其中獲得了應用，如很多空間望遠鏡中都有著頗為復雜的主動光學系統拼接鏡面。

3.2 自適應光學系統

這一系統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。然而在很多應用場合——如顯微鏡系統、如強湍流大氣環境中，經常會難以有效探測波前信息。無波前探測自適應光學技術往往能夠借助于度量信息中來自圖像中提取者來閉環控制波前校正器，而SPGD （隨機并行梯度下降）之類一系列技術則能夠實現閉環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波前的情況，此類形式多借助于開展非線性優化技術波前重構。最早的自適應光學系統是用于大氣湍流補償地基望遠鏡成像這一領域，也可實時校正波前畸變。如今，自適應光學已經成為了標準的大氣湍流波前畸變的補償技術，并普遍應用于地基望遠鏡且向其他領域逐漸擴展。

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

自適應光學在高功率激光系統中能夠對激光器波前畸變借助于輸出光束整形來補償之，又能夠對波前畸變中源于光束傳播路徑中各種形式的大氣湍流中發射引起者加以“預補償”。同時在收發光學系統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光學獲得預補償，降低光束能量誤碼率。

4 結語

截至如今，在“智能光學”這一概念領域當中，至今沒有形成明確、統一的認識，動態探測技術和智能光學的動態調制至今依舊處于進一步發展的過程中，并且也逐步與其他領域的技術融合，“智能光學系統”的應用范圍依舊在日趨向縱深發展，同時又不斷出現各種形式的新應用。借助于如今這一領域的發展趨勢，不難看出在現代光學系統中，“智能光學技術”必然會進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域中獲得越來越廣泛的相應層面應用。

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[責任編輯：王偉平]