自適應(yīng)光學(xué)和可變形反射鏡簡介

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

了解波前

自適應(yīng)光學(xué) (AO) 是一種通過操縱光波前來增強(qiáng)光學(xué)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(diǎn)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(xué)元件來改變。例如，正透鏡將準(zhǔn)直光聚焦到一個(gè)點(diǎn)，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(xué)元件（如可變形反射鏡）的主動(dòng)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(shí)現(xiàn)的精確和“可編程"控制導(dǎo)致許多光學(xué)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(xué)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(xué)元件和系統(tǒng)

自適應(yīng)光學(xué)通過使用在施加外部控制信號時(shí)改變形狀的光學(xué)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(yù)先計(jì)算或存儲的形狀中導(dǎo)出，即開環(huán)控制，或者可以根據(jù)波前傳感器的反饋計(jì)算并在閉環(huán)控制中運(yùn)行。

一個(gè)簡單的開環(huán)自適應(yīng)光學(xué)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(xué)元件組成。 例如，控制系統(tǒng)以開環(huán)方式運(yùn)行并且可以應(yīng)用預(yù)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(xué)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(yùn)行的可變形反射鏡的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)

更復(fù)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(jì)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(jìn)而改變鏡面的形狀。 該系統(tǒng)是一個(gè)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(xué)系統(tǒng)中的可變形反射鏡以閉環(huán)配置運(yùn)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(dāng)平面波前入射到傳感器上時(shí)，每個(gè)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(yù)定義像素集。 當(dāng)扭曲的波前入射到微透鏡陣列上時(shí)，焦點(diǎn)位于與每個(gè)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(gè)點(diǎn)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(xué)參數(shù)

表面類型、分段膜與連續(xù)膜、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、驅(qū)動(dòng)器數(shù)量、涂層類型和光學(xué)元件尺寸是關(guān)鍵的自適應(yīng)光學(xué)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(xué)元件。 以下總結(jié)了為給定應(yīng)用選擇可變形反射鏡時(shí)要考慮的四個(gè)關(guān)鍵自適應(yīng)光學(xué)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(dú)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(gè)表面組成，可以在不同的位置變形。

驅(qū)動(dòng)技術(shù)：

分段可變形反射鏡具有由致動(dòng)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(shí)現(xiàn)高性能自適應(yīng)光學(xué)校正。 *獨(dú)立的段定位能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)光學(xué)、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(dòng)器將其變形為必要的形狀。 有多種選擇，從反射膜后面的機(jī)械致動(dòng)器柱來塑造膜，到磁鐵或壓電元件來改變鏡面輪廓。

驅(qū)動(dòng)器數(shù)量：

驅(qū)動(dòng)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(dòng)器數(shù)量的增加，變形的多功能性也在增加。 通常，驅(qū)動(dòng)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(shí)例

自適應(yīng)光學(xué)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(xué)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(shí)的 3D。在視覺應(yīng)用中，自適應(yīng)光學(xué)用于機(jī)器人視覺和監(jiān)控?cái)z像頭，以提供實(shí)時(shí)或遠(yuǎn)距離成像。在顯微鏡中，自適應(yīng)光學(xué)校正靜態(tài)鏡頭中的像差。包括眼科在內(nèi)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用使用自適應(yīng)光學(xué)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(xué)相干斷層掃描的掃描深度。

自適應(yīng)光學(xué)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(xué)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(xué)系統(tǒng)中的關(guān)鍵光學(xué)組件都是可變形反射鏡和波前傳感器。當(dāng)在開環(huán)系統(tǒng)中使用時(shí)，這些自適應(yīng)組件可以塑造激光，或通過像差校正來增強(qiáng)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(xué)套件開始探索自適應(yīng)系統(tǒng)帶來的性能改進(jìn)。