智能光學(xué)的概念及發(fā)展

王建立，劉欣悅

（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033）

智能光學(xué)的概念及發(fā)展

王建立，劉欣悅*

（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033）

智能光學(xué)是在主動(dòng)光學(xué)和自適應(yīng)光學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新興的概念。本文介紹了智能光學(xué)概念的提出和發(fā)展過(guò)程，并進(jìn)一步明確和擴(kuò)展了智能光學(xué)的概念和范疇。對(duì)智能光學(xué)的技術(shù)基礎(chǔ)及其應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)和評(píng)述，主要包括動(dòng)態(tài)光學(xué)調(diào)制技術(shù)、動(dòng)態(tài)光學(xué)探測(cè)技術(shù)、智能光學(xué)系統(tǒng)等，涉及了天文、軍事、空間、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中應(yīng)用的望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、激光器等光學(xué)系統(tǒng)和光學(xué)設(shè)備。最后，對(duì)智能光學(xué)的未來(lái)發(fā)展和應(yīng)用前景提出了展望。

智能光學(xué)；主動(dòng)光學(xué)；自適應(yīng)光學(xué)；動(dòng)態(tài)光學(xué)調(diào)制；動(dòng)態(tài)光學(xué)探測(cè)

1 引 言

隨著現(xiàn)代光學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷向宏/微觀尺度、高精度、靈活性、智能化發(fā)展，光學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)不再是嚴(yán)格意義上的靜態(tài)系統(tǒng)，基于傳統(tǒng)靜態(tài)認(rèn)識(shí)的技術(shù)手段難以適應(yīng)現(xiàn)代光學(xué)的要求。近年來(lái)提出并發(fā)展起來(lái)的智能光學(xué)概念，為人們提供了一條從動(dòng)態(tài)系統(tǒng)角度重新認(rèn)識(shí)現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)途徑。

與智能相機(jī)（Smart Camera）和智能手機(jī)（Smart Phone）等概念類似，智能光學(xué)（Smart Optics or Intelligent Optics）也是一個(gè)新興概念。在主動(dòng)光學(xué)（Active Optics）［1］和自適應(yīng)光學(xué)（Adaptive Optics）［2］技術(shù)的基礎(chǔ)上，Greenaway明確提出了智能光學(xué)的概念：“能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整的光學(xué)系統(tǒng)、組件和技術(shù)”［3］。目前，智能光學(xué)的研究主要集中在美國(guó)和歐洲，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有建立智能光學(xué)研究的明確概念和范疇。美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室在馬里蘭大學(xué)設(shè)立了智能光學(xué)實(shí)驗(yàn)室，主要研究自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)在軍事和國(guó)防等領(lǐng)域的應(yīng)用；歐盟也在近期設(shè)立了智能光學(xué)系統(tǒng)的研究項(xiàng)目，聯(lián)合多所大學(xué)和研究所開展望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、激光器等光學(xué)系統(tǒng)中的智能光學(xué)技術(shù)及其在天文、空間、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中的應(yīng)用［4-5］。

智能光學(xué)融合了精密加工、新材料、微電子、信息等現(xiàn)代技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)光學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。智能光學(xué)的內(nèi)容主要涵蓋主動(dòng)光學(xué)和自適應(yīng)光學(xué)，而且與微納光學(xué)、微電子學(xué)、光電子學(xué)、激光光學(xué)、信息光學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域都互有交叉，相關(guān)領(lǐng)域中的新方法和新技術(shù)也不斷促進(jìn)智能光學(xué)發(fā)展。智能光學(xué)與其他學(xué)科領(lǐng)域的關(guān)系如圖1所示。

圖1 智能光學(xué)與其他學(xué)科領(lǐng)域關(guān)系Fig.1 Relationship between smart optics and other fields

通過(guò)對(duì)智能光學(xué)技術(shù)發(fā)展的總結(jié)和綜合，進(jìn)一步明確了智能光學(xué)的概念：具有動(dòng)態(tài)可調(diào)、可測(cè)、可控能力的光學(xué)系統(tǒng)、組件、技術(shù)，可以對(duì)光學(xué)特性進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)制（尤其指對(duì)局部光學(xué)特性的動(dòng)態(tài)調(diào)制），并/或可以對(duì)光學(xué)特性進(jìn)行動(dòng)態(tài)探測(cè)和控制，能夠有效提高光學(xué)系統(tǒng)的性能以及光學(xué)設(shè)計(jì)的靈活性。

智能光學(xué)還是一個(gè)不斷發(fā)展變化的概念，最初智能光學(xué)主要包括了主動(dòng)光學(xué)和自適應(yīng)光學(xué)，一般利用反射光學(xué)組件實(shí)現(xiàn)波前相位的動(dòng)態(tài)調(diào)制。其中，主動(dòng)光學(xué)通常是指利用具有動(dòng)態(tài)支撐機(jī)構(gòu)的整體或拼接反射鏡進(jìn)行低速大幅度波前調(diào)制，自適應(yīng)光學(xué)通常是指利用變形鏡（Deformable Mirror，DM）等進(jìn)行高速小幅度波前調(diào)制。此外，二者都需要利用波前探測(cè)器（Wavefront Sensor）和波前控制器（Wavefront Controller）實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)波前探測(cè)和控制。

隨著目前光學(xué)和光電子學(xué)等技術(shù)的發(fā)展，智能光學(xué)的概念和范疇可以進(jìn)一步擴(kuò)展，包括利用動(dòng)態(tài)調(diào)整的折射光學(xué)組件、衍射光學(xué)組件、光電子學(xué)組件等對(duì)波前相位的動(dòng)態(tài)調(diào)制、探測(cè)和控制，以及利用動(dòng)態(tài)調(diào)整的光學(xué)組件對(duì)波前幅度、光強(qiáng)、光譜、偏振、頻率等其他特性的動(dòng)態(tài)調(diào)制、探測(cè)和控制。如利用數(shù)字微鏡陣列（DMD）和液晶空間光調(diào)制器（LC-SLM）實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)動(dòng)態(tài)調(diào)制，利用液晶調(diào)制器實(shí)現(xiàn)相位、幅度、光譜、和偏振動(dòng)態(tài)調(diào)制，以及利用聲光調(diào)制器（AOM）和電光調(diào)制器（EOM）實(shí)現(xiàn)相位、幅度、光強(qiáng)、光譜、和頻率動(dòng)態(tài)調(diào)制等。

利用智能光學(xué)技術(shù)可以有效降低光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度以及研制成本和周期。對(duì)于某些傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)和加工難以實(shí)現(xiàn)的光學(xué)系統(tǒng)，甚至是非常復(fù)雜的常規(guī)光學(xué)系統(tǒng)，采用智能光學(xué)技術(shù)也可以在保證性能的同時(shí)大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程。智能光學(xué)技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)中的發(fā)射、傳輸、探測(cè)、處理等多個(gè)方面，如望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、激光器等，是提高系統(tǒng)性能和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)化和智能化的關(guān)鍵技術(shù)，在天文、軍事、空間、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中都具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)智能光學(xué)的研究工作集中在以下3個(gè)方面：動(dòng)態(tài)光學(xué)調(diào)制技術(shù)、動(dòng)態(tài)光學(xué)探測(cè)技術(shù)、智能光學(xué)系統(tǒng)。其中多數(shù)研究工作是圍繞波前相位的動(dòng)態(tài)調(diào)制、探測(cè)和控制，基本可以歸入主動(dòng)光學(xué)和自適應(yīng)光學(xué)范疇；此外也出現(xiàn)了一些新的應(yīng)用以及對(duì)其他光學(xué)特性的動(dòng)態(tài)調(diào)制、探測(cè)和控制技術(shù)。下文分別按照上述3個(gè)方面，根據(jù)作者對(duì)各項(xiàng)技術(shù)的熟悉和了解程度，對(duì)智能光學(xué)技術(shù)和應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外的進(jìn)展情況進(jìn)行介紹，并在最后做出總結(jié)和展望。

2 動(dòng)態(tài)光學(xué)調(diào)制技術(shù)

通常波前相位畸變對(duì)光學(xué)系統(tǒng)性能影響最大，主動(dòng)光學(xué)和自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的主要目的也是實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)波前相位畸變的動(dòng)態(tài)校正/補(bǔ)償，因此目前對(duì)動(dòng)態(tài)光學(xué)調(diào)制技術(shù)的研究主要集中在波前相位的動(dòng)態(tài)調(diào)制。為了能夠進(jìn)一步提高光學(xué)系統(tǒng)性能，在某些情況下還需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)波前幅度畸變的動(dòng)態(tài)校正/補(bǔ)償（全光場(chǎng)動(dòng)態(tài)校正/補(bǔ)償）。

在投影顯示等領(lǐng)域中主要利用光強(qiáng)的動(dòng)態(tài)調(diào)制技術(shù)，而光譜、偏振、頻率等其他特性的動(dòng)態(tài)調(diào)制技術(shù)也得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。下文將以波前動(dòng)態(tài)調(diào)制為重點(diǎn)，分別介紹各種動(dòng)態(tài)調(diào)制技術(shù)。

2.1 波前動(dòng)態(tài)調(diào)制技術(shù)

實(shí)現(xiàn)波前動(dòng)態(tài)調(diào)制的光學(xué)組件可稱為波前調(diào)制器（Wavefront Modulator），通常用于波前相位調(diào)制，也可用于波前幅度調(diào)制，有些波前調(diào)制器還可同時(shí)實(shí)現(xiàn)相位和幅度調(diào)制。波前調(diào)制器一般采用反射鏡加促動(dòng)器陣列的結(jié)構(gòu)形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，按照整體鏡面和拼接鏡面可以分為連續(xù)和分立兩種結(jié)構(gòu)形式。目前，主動(dòng)光學(xué)和自適應(yīng)光學(xué)常用的促動(dòng)器類型包括壓力促動(dòng)器、機(jī)電促動(dòng)器、壓電促動(dòng)器、微機(jī)電促動(dòng)器（MEMS）、以及其他類型的空間光調(diào)制器。

主動(dòng)光學(xué)技術(shù)的用途單一，都是用于大口徑反射式望遠(yuǎn)鏡，因此，主動(dòng)光學(xué)的波前調(diào)制器可以認(rèn)為是具有動(dòng)態(tài)支撐機(jī)構(gòu)的望遠(yuǎn)鏡主鏡。主動(dòng)光學(xué)實(shí)現(xiàn)低速大幅度波前調(diào)制需要較大支撐力，因此動(dòng)態(tài)支撐機(jī)構(gòu)主要采用壓力促動(dòng)器和機(jī)電促動(dòng)器兩種類型，而且自身通常帶有測(cè)量裝置以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。其中機(jī)電支撐機(jī)構(gòu)較為簡(jiǎn)單但產(chǎn)生的支撐力較小，通常用于較小口徑的望遠(yuǎn)鏡或與壓力支撐機(jī)構(gòu)結(jié)合用于較大口徑的望遠(yuǎn)鏡；壓力支撐機(jī)構(gòu)包括了液壓支撐機(jī)構(gòu)和氣壓支撐機(jī)構(gòu)，在大口徑望遠(yuǎn)鏡中都得到了應(yīng)用，目前多數(shù)采用液壓支撐機(jī)構(gòu)［6］。主動(dòng)光學(xué)常用的動(dòng)態(tài)支撐機(jī)構(gòu)類型如表1所示。

表1 主動(dòng)光學(xué)常用的動(dòng)態(tài)支撐機(jī)構(gòu)Tab.1 Dynam ic supporting mechanism s of active optics

自適應(yīng)光學(xué)的波前調(diào)制器又可稱為波前校正器（Wavefront Corrector），通常實(shí)現(xiàn)高速小幅度波前調(diào)制而且對(duì)精度要求很高。目前自適應(yīng)光學(xué)常用的波前校正器包括壓電變形鏡、電磁變形鏡、微機(jī)電變形鏡、液晶空間光調(diào)制器等［7-9］。其中壓電變形鏡和電磁變形鏡的應(yīng)用較多，分別采用壓電陶瓷促動(dòng)器（PMN或PZT材料）和基于音圈電機(jī)的機(jī)電促動(dòng)器；微機(jī)電變形鏡基于微電子技術(shù)，促動(dòng)器是通過(guò)半導(dǎo)體刻蝕工藝制造并且由靜電驅(qū)動(dòng)；液晶空間光調(diào)制器包括透射和反射兩種類型，通常采用向列液晶材料通過(guò)改變局部折射率實(shí)現(xiàn)波前調(diào)制。自適應(yīng)光學(xué)常用的波前校正器類型如表2所示。

表2 自適應(yīng)光學(xué)常用的波前校正器類型Tab.2 Types of wavefront correctors of adaptive optics

波前校正器的性能指標(biāo)主要包括促動(dòng)器單元數(shù)、調(diào)制幅度、響應(yīng)速度、滯后等，其中促動(dòng)器單元數(shù)和調(diào)制幅度決定了波前的空域擬合能力，響應(yīng)速度決定了波前的時(shí)域擬合能力，滯后是動(dòng)態(tài)波前控制的重要影響因素。上述波前校正器中，壓電變形鏡的優(yōu)點(diǎn)是促動(dòng)器可擴(kuò)展到較多單元及響應(yīng)速度較高，但調(diào)制幅度較小、存在滯后現(xiàn)象且成本較高。電磁變形鏡最初以望遠(yuǎn)鏡自適應(yīng)次鏡的形式出現(xiàn)，隨著音圈電機(jī)的微型化成為獨(dú)立的波前校正器。電磁變形鏡的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制幅度較大及沒(méi)有滯后現(xiàn)象，但促動(dòng)器單元數(shù)通常較少、響應(yīng)速度較低且成本較高。微機(jī)電變形鏡和液晶空間光調(diào)制器都是近年來(lái)出現(xiàn)且很有前景的新型波前校正器，微機(jī)電變形鏡的響應(yīng)速度更高、沒(méi)有滯后現(xiàn)象而且成本很低，缺點(diǎn)是目前促動(dòng)器單元數(shù)較少以及調(diào)制幅度較小；液晶空間光調(diào)制器的優(yōu)點(diǎn)是促動(dòng)器單元數(shù)很多、調(diào)制幅度較大、沒(méi)有滯后而且成本較低，但是需要線偏振光而且光譜范圍較小，響應(yīng)速度也有待進(jìn)一步提高。自適應(yīng)光學(xué)常用波前校正器的主要優(yōu)缺點(diǎn)比較如表3所示。

表3 自適應(yīng)光學(xué)常用的波前校正器比較Tab.3 Comparison of wavefront correctors of adaptive optics

目前，自適應(yīng)光學(xué)波前校正器的發(fā)展方向主要是高促動(dòng)器密度、大調(diào)制幅度、以及集成化［10］。其中，提高促動(dòng)器密度可以降低大規(guī)模波前校正器的實(shí)現(xiàn)難度，但是，同時(shí)也會(huì)降低調(diào)制幅度和/或響應(yīng)速度；提高調(diào)制幅度可以擴(kuò)展波前校正器適用范圍，但是也會(huì)影響響應(yīng)速度等其他性能；集成化是指將多種功能集成在單一的波前校正器中，如可將傾斜鏡和變形鏡相結(jié)合同時(shí)實(shí)現(xiàn)傾斜和高階像差校正功能，將波前相位和幅度校正功能集成到單一校正器等。

圖2 自適應(yīng)光學(xué)常用的波前校正器產(chǎn)品Fig.2 Products of wavefront correctors of adaptive optics

目前，能夠提供自適應(yīng)光學(xué)波前校正器的廠商主要包括法國(guó)CILAS和美國(guó)Xinetics（壓電變形鏡），法國(guó)ALPAO、意大利Microgate和ADS（電磁變形鏡），美國(guó)BMC和IrisAO、荷蘭OKO和TNO（微機(jī)電變形鏡），美國(guó)BNS（液晶空間光調(diào)制器）等，自適應(yīng)光學(xué)常用的波前校正器產(chǎn)品如圖2所示。

2.2 其他動(dòng)態(tài)調(diào)制技術(shù)

光強(qiáng)動(dòng)態(tài)調(diào)制可以利用空間光調(diào)制器，如數(shù)字微鏡陣列以及液晶空間光調(diào)制器等，主要用于投影顯示等領(lǐng)域的光學(xué)系統(tǒng)。上述調(diào)制器一般采用分立式結(jié)構(gòu)，分立式波前調(diào)制器也可以用于光強(qiáng)調(diào)制。光強(qiáng)調(diào)制的液晶調(diào)制器可以采用透射或反射類型，除了向列液晶材料外還可以采用鐵電等液晶材料。

光譜動(dòng)態(tài)調(diào)制可利用液晶調(diào)諧濾波器（LCTF）和聲光調(diào)諧濾波器（AOTF）等實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜的動(dòng)態(tài)濾波，在顯微成像、遙感成像等領(lǐng)域的多光譜和超光譜光學(xué)系統(tǒng)中都有重要的應(yīng)用。其中，液晶調(diào)諧濾波器的成像質(zhì)量很高，但透過(guò)率和響應(yīng)速度較低；聲光調(diào)諧濾波器的響應(yīng)速度高，但成像質(zhì)量較低。

DMD光強(qiáng)調(diào)制器和LCTF光譜調(diào)制器如圖3所示，除了光強(qiáng)和光譜動(dòng)態(tài)調(diào)制以外，目前也出現(xiàn)了一些偏振和頻率等特性動(dòng)態(tài)調(diào)制的組件和應(yīng)用。

圖3 光強(qiáng)和光譜動(dòng)態(tài)調(diào)制器Fig.3 Dynamic modulators of optical intensity and spectrum

3 動(dòng)態(tài)光學(xué)探測(cè)技術(shù)

利用動(dòng)態(tài)探測(cè)的光學(xué)特性可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)調(diào)制的動(dòng)態(tài)控制，波前相位和光強(qiáng)信息是目前動(dòng)態(tài)探測(cè)的主要光學(xué)特性。主動(dòng)光學(xué)和自適應(yīng)光學(xué)通常利用波前相位信息實(shí)現(xiàn)波前畸變的動(dòng)態(tài)校正/補(bǔ)償，對(duì)于精度要求不高的應(yīng)用也可利用光強(qiáng)信息實(shí)現(xiàn)對(duì)波前畸變的動(dòng)態(tài)控制。波前和光強(qiáng)動(dòng)態(tài)探測(cè)的基礎(chǔ)都是各種光電傳感器，包括光電耦合器件（CCD）、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，CMOS、光電倍增管（PMT）、及雪崩二極管（APD）等。光電傳感器可以直接探測(cè)光強(qiáng)信息，波前信息則是由光電傳感器和其他光學(xué)器件構(gòu)成的波前探測(cè)器（WFS）通過(guò)間接方式探測(cè)。

目前常用的波前探測(cè)器主要包括了夏克哈特曼波前探測(cè)器（Shack-Hartmann WFS）、橫向剪切干涉儀（Lateral Shearing Interferometer）、角錐波前探測(cè)器（Pyramid WFS）、全息波前探測(cè)器（Holographic WFS）、相位提取（Phase Retrieval）、相位差異（Phase Diversity）等，這些波前探測(cè)器各具不同的特點(diǎn)，在主動(dòng)光學(xué)和自適應(yīng)光學(xué)等領(lǐng)域中都得到了應(yīng)用。波前探測(cè)器按照波前探測(cè)位置可以分為光瞳面和焦面波前探測(cè)，按照波前重構(gòu)方式可以分為區(qū)域和模式波前探測(cè)，按照波前重構(gòu)過(guò)程可以分為線性和非線性波前探測(cè)，上述波前探測(cè)器的分類如表4所示。

表4 常用的波前探測(cè)器分類Tab.4 Classification of wavefront sensors

波前探測(cè)器的性能指標(biāo)要包括探測(cè)精度、速度、分辨率、靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、光譜范圍等。上述波前探測(cè)器中，夏克哈特曼波前探測(cè)器的探測(cè)動(dòng)態(tài)范圍和光譜范圍較大而且速度較高，但探測(cè)精度、靈敏度和分辨率較低；橫向剪切干涉儀的探測(cè)動(dòng)態(tài)范圍和光譜范圍較大、精度和分辨率較高，但探測(cè)速度和靈敏度較低；角錐波前探測(cè)器的探測(cè)速度和靈敏度較高、光譜范圍較大，但探測(cè)精度和分辨率較低、動(dòng)態(tài)范圍較??；全息波前探測(cè)器的探測(cè)速度和靈敏度高、計(jì)算量小而且對(duì)光強(qiáng)閃爍不敏感，但探測(cè)精度和分辨率較低、光譜范圍較??；相位提取和相位差異的探測(cè)精度、靈敏度和分辨率較高，但探測(cè)速度較低而且光譜范圍較小，相位提取的探測(cè)動(dòng)態(tài)范圍要比相位差異大，而相位差異適于對(duì)擴(kuò)展目標(biāo)進(jìn)行波前探測(cè)。目前常用的波前探測(cè)器的主要優(yōu)缺點(diǎn)比較如表5所示。

表5 常用的波前探測(cè)器比較Tab.5 Com parison of wavefront sensors

3.1 光瞳面波前探測(cè)技術(shù)

光瞳面波前探測(cè)是指在光學(xué)系統(tǒng)光瞳面位置對(duì)波前信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)探測(cè)，這是最常用的波前探測(cè)器類型，包括夏克哈特曼波前探測(cè)器、橫向剪切干涉儀、角錐波前探測(cè)器、全息波前探測(cè)器等。

夏克，哈特曼波前探測(cè)器是利用微透鏡陣列替代哈特曼模板實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)哈特曼技術(shù)的改進(jìn)［11］，廣泛應(yīng)用于主動(dòng)光學(xué)、自適應(yīng)光學(xué)、光學(xué)檢測(cè)、激光質(zhì)量測(cè)量等領(lǐng)域。夏克哈特曼波前探測(cè)器主要由微透鏡陣列和光電傳感器構(gòu)成，通過(guò)探測(cè)局部波前斜率并進(jìn)行波前重構(gòu)實(shí)現(xiàn)波前探測(cè)。夏克哈特曼波前探測(cè)原理如圖4所示。

橫向剪切干涉儀的原理是將入射光束分為多個(gè)橫向剪切光束后通過(guò)干涉測(cè)量實(shí)現(xiàn)波前探測(cè)，傳統(tǒng)的橫向剪切干涉儀通常采用兩波干涉，而目前采用三波或四波干涉的多波橫向剪切干涉儀可以更有效地實(shí)現(xiàn)波前探測(cè)［12-14］，在自適應(yīng)光學(xué)、光學(xué)檢測(cè)、激光質(zhì)量測(cè)量等領(lǐng)域都有應(yīng)用。多波橫向剪切干涉儀主要由基于相位光柵的改進(jìn)哈特曼模板和光電傳感器構(gòu)成，通過(guò)分析多波干涉模式進(jìn)行波前探測(cè)，四波橫向剪切干涉儀的改進(jìn)哈特曼模板如圖5所示。

圖4 夏克哈特曼波前探測(cè)的原理Fig.4 Principle of Shack-Hartmann wavefront sensor

圖5 四波橫向剪切干涉儀的改進(jìn)哈特曼模板結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure ofmodified Hartmannmask ofquadricwave lateral shearing interferometer

角錐波前探測(cè)器的原理可以看作是夏克哈特曼的逆向過(guò)程，利用角錐將焦面圖像轉(zhuǎn)換為多個(gè)光瞳面圖像進(jìn)行波前探測(cè)［15-17］。與夏克哈特曼相比，角錐波前探測(cè)器的靈敏度更高，適于弱光條件下的波前探測(cè)如望遠(yuǎn)鏡自適應(yīng)光學(xué)。角錐波前探測(cè)器主要由角錐以及光電傳感器構(gòu)成，目前通常采用的四棱錐波前探測(cè)原理如圖6所示。

與前3種區(qū)域波前探測(cè)器不同，全息波前探測(cè)器是一種模式波前探測(cè)器，利用相位全息圖將入射光束分解為多個(gè)模式（澤尼克模式）實(shí)現(xiàn)波前探測(cè)［18-20］。全息波前探測(cè)器的計(jì)算量很小，適于高速探測(cè)應(yīng)用。目前全息波前探測(cè)器只適于單色光，通常在激光系統(tǒng)中應(yīng)用。全息波前傳感器主要由計(jì)算全息模板以及光電傳感器陣列構(gòu)成，每個(gè)光電傳感器分別探測(cè)獨(dú)立的模式，然后進(jìn)行波前重構(gòu)。全息波前探測(cè)的原理如圖7所示。

圖6 四棱錐波前探測(cè)的原理Fig.6 Principle of rectangular pyramid wavefront sensor

圖7 全息波前探測(cè)的原理Fig.7 Principle of holographic wavefront sensor

3.2 焦面波前探測(cè)技術(shù)

焦面波前探測(cè)是指在光學(xué)系統(tǒng)焦面位置對(duì)波前信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)探測(cè)，主要包括相位提取和相位差異等。相位提取和相位差異都是基于光學(xué)系統(tǒng)的焦面圖像，采用區(qū)域或模式的方法通過(guò)非線性優(yōu)化實(shí)現(xiàn)波前重構(gòu)，而且重構(gòu)的波前信息還可用于圖像恢復(fù)［21-23］。相位提取與相位差異的不同之處在于相位提取僅能對(duì)點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行波前探測(cè)，而相位差異還適用于擴(kuò)展目標(biāo)的波前探測(cè)。

相位提取可以利用在焦圖像進(jìn)行波前探測(cè)，也可同時(shí)利用在焦和離焦圖像進(jìn)行波前探測(cè)，后者又稱為相位差異相位提取，具有更高的精度以及更大的動(dòng)態(tài)范圍。相位差異通常利用在焦和離焦圖像的差異進(jìn)行波前探測(cè)，也可利用其他像差或其他特性的差異進(jìn)行波前探測(cè)，后者可以稱為廣義相位差異。由于計(jì)算量大、探測(cè)速度低，相位提取和相位差異通常用于圖像恢復(fù)和光學(xué)檢測(cè)等領(lǐng)域，但隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，目前也應(yīng)用于自適應(yīng)光學(xué)等領(lǐng)域中的高速探測(cè)?；陔x焦差異的相位提取和相位差異原理如圖8所示。

圖8 基于離焦差異的相位提取和相位差異原理Fig.8 Principle of focus-diverse phase retrieval and diversity

4 智能光學(xué)系統(tǒng)

智能光學(xué)系統(tǒng)可以定義為具有動(dòng)態(tài)光學(xué)調(diào)制和/或動(dòng)態(tài)光學(xué)探測(cè)的光學(xué)組件，并能夠?qū)鈱W(xué)特性進(jìn)行動(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)控制可以采用閉環(huán)和開環(huán)兩種控制方式，其中閉環(huán)控制系統(tǒng)由調(diào)制器、探測(cè)器和控制器共同構(gòu)成，控制器根據(jù)探測(cè)器的探測(cè)信息對(duì)調(diào)制器實(shí)施反饋控制。開環(huán)控制系統(tǒng)可以包括探測(cè)器，但是控制器采用開環(huán)控制法則，也可以不包括探測(cè)器而是由控制器根據(jù)其他法則對(duì)調(diào)制器實(shí)施控制。

主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)由于對(duì)控制速度要求很低，通常采用開環(huán)控制方式，但動(dòng)態(tài)支撐機(jī)構(gòu)的促動(dòng)器帶有測(cè)量裝置，可以實(shí)現(xiàn)自身的閉環(huán)控制。自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)控制的實(shí)時(shí)性要求很高，為了抑制誤差通常采用閉環(huán)控制方式，而具有無(wú)滯后波前校正器的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)也可采用開環(huán)控制方式。在光強(qiáng)調(diào)制和光譜調(diào)制等智能光學(xué)系統(tǒng)中，由于不需要對(duì)光強(qiáng)及光譜范圍等特性進(jìn)行動(dòng)態(tài)探測(cè)，通常不包括探測(cè)器直接實(shí)施開環(huán)控制。

4.1 主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)

主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)均用于大口徑反射式望遠(yuǎn)鏡中，實(shí)現(xiàn)對(duì)望遠(yuǎn)鏡主鏡波前畸變的校正/補(bǔ)償，因此主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)需要根據(jù)望遠(yuǎn)鏡主鏡的材料和形狀等特性進(jìn)行設(shè)計(jì)和定制。按照望遠(yuǎn)鏡主鏡的結(jié)構(gòu)形式，主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)可以分為整體鏡面和拼接鏡面兩種類型，不同類型主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)支撐機(jī)構(gòu)以及波前探測(cè)器和控制器都存在較大差別。

目前，主動(dòng)光學(xué)已經(jīng)成為大口徑望遠(yuǎn)鏡的必備技術(shù)，地基大口徑望遠(yuǎn)鏡普遍采用主動(dòng)光學(xué)技術(shù)克服自身和外部環(huán)境因素對(duì)主鏡面形的影響。隨著口徑的增大，天基望遠(yuǎn)鏡也逐步采用主動(dòng)光學(xué)技術(shù)，如詹姆斯韋伯空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）采用了復(fù)雜的拼接鏡面主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)［24］，其模型如圖9所示。

圖9 詹姆斯韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的拼接鏡面主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)Fig.9 Active optics system of segmentedmirror of JWST

4.2 自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)

自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)通常利用波前探測(cè)器實(shí)時(shí)探測(cè)的波前信息對(duì)波前校正器進(jìn)行控制。但在某些應(yīng)用場(chǎng)合如強(qiáng)湍流大氣環(huán)境和顯微鏡系統(tǒng)中，往往難以對(duì)波前信息進(jìn)行有效探測(cè)。無(wú)波前探測(cè)自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)［25-26］可以利用從圖像中提取的度量信息對(duì)波前校正器進(jìn)行閉環(huán)控制，而隨機(jī)并行梯度下降（SPGD）等技術(shù)［27-28］則可利用接收光強(qiáng)能量的變化信息實(shí)現(xiàn)閉環(huán)校正。由于圖像度量信息以及能量變化信息與波前沒(méi)有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，這些方法一般采用非線性優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行波前重構(gòu)。

自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)最初用于地基望遠(yuǎn)鏡成像的大氣湍流補(bǔ)償，對(duì)快速變化的波前畸變進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。目前自適應(yīng)光學(xué)已經(jīng)成為補(bǔ)償大氣湍流波前畸變的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，在地基望遠(yuǎn)鏡中普遍應(yīng)用，并逐漸擴(kuò)展到其他領(lǐng)域。圖10為望遠(yuǎn)鏡成像應(yīng)用的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)。

圖10 望遠(yuǎn)鏡自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)Fig.10 Adaptive optics system for telescopes

對(duì)于航空光學(xué)系統(tǒng)，自適應(yīng)光學(xué)可以與共形光學(xué)結(jié)合實(shí)現(xiàn)湍流補(bǔ)償［29-31］。圖11為用于某航空光學(xué)系統(tǒng)氣動(dòng)湍流補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)［32］。

圖11 航空光學(xué)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)Fig.11 Adaptive optics system for aero optical system

在光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)中，自適應(yīng)光學(xué)可以對(duì)樣品引起的波前畸變進(jìn)行校正，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣本的清晰成像［33-36］。圖12為某配備自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)［37］。

圖12 配備自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的顯微鏡Fig.12 Microscope with adaptive optics system

在用于眼底成像的光學(xué)系統(tǒng)中，自適應(yīng)光學(xué)可以對(duì)眼睛自身的波前畸變進(jìn)行校正得到清晰的視網(wǎng)膜圖像［38-40］。圖13為某配備自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的眼底相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)［41-42］。

在高功率激光系統(tǒng)中，自適應(yīng)光學(xué)可以對(duì)輸出光束整形以補(bǔ)償激光器自身的波前畸變，還可以對(duì)發(fā)射光束傳播路徑中大氣湍流引起的波前畸變進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，使光束能量集中從而提高系統(tǒng)性能［43-46］。圖14為用于補(bǔ)償激光傳播路徑中大氣湍流的自適應(yīng)光束控制系統(tǒng)［47］。

圖13 配備自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的眼底相機(jī)Fig.13 Retinal camera with adaptive optics system

圖14 通過(guò)大氣湍流激光傳播的自適應(yīng)光束控制系統(tǒng)Fig.14 Adaptive beam control system for laser propagation through turbulence

在自由空間激光通信的收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)中，自適應(yīng)光學(xué)可以對(duì)傳播路徑中大氣湍流引起的波前畸變進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，使光束能量集中從而降低誤碼率［48-51］。圖15為用于激光通信的某自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)［52］。

圖15 用于激光通信的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)Fig.15 Adaptive optics system for laser communications

5 結(jié)束語(yǔ)

智能光學(xué)是在主動(dòng)光學(xué)和自適應(yīng)光學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新興的概念，它提供了一條從動(dòng)態(tài)系統(tǒng)角度認(rèn)識(shí)現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)途徑。智能光學(xué)技術(shù)可使光學(xué)系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)可調(diào)、可測(cè)、可控的能力，從而能夠有效提高系統(tǒng)的性能以及設(shè)計(jì)的靈活性。目前，對(duì)智能光學(xué)概念尚缺乏統(tǒng)一明確的認(rèn)識(shí)，智能光學(xué)的動(dòng)態(tài)調(diào)制和動(dòng)態(tài)探測(cè)技術(shù)還在繼續(xù)發(fā)展并與其他領(lǐng)域的技術(shù)融合，智能光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍仍在逐漸擴(kuò)展，其新應(yīng)用也不斷出現(xiàn)。根據(jù)目前的發(fā)展趨勢(shì)，我們認(rèn)為智能光學(xué)技術(shù)在現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中必將起到越來(lái)越重要的作用，而且在更多的領(lǐng)域中也將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

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Concept and development of smart optics

WANG Jian-li，LIU Xin-yue*
（Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）

，E-mail：sirliuxy@sina.com

Smart optics is an emerging concept developed from conventional optics based on the active optics and adaptive optics.This paper introduces the evolution and development of smart optics and explains and extends its conceptand scopes further.Then，it summarizes and comments the developing states and applications of the smart optics，which mainly includes the dynamic optical modulation，dynamic optical sensing，and smart optics systems，involving the telescopes，microscopes，lasers，etc.in the applications of astronomy，military，space，biology，medicine，etc..Finally，the future outlooks of developments and applications of smart optics are given.

smart optics；active optics；adaptive optics；dynamic opticalmodulation；dynamic optical detection

TH74；O439

A

10.3788/CO.20130604.0437

王建立（1971—），男，山東曲阜人，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，2002年于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事空間目標(biāo)探測(cè)技術(shù)、地基高分辨率成像光電望遠(yuǎn)鏡總體技術(shù)等方面的研究。E-mail：wangjianli@ciomp.ac.cn

劉欣悅（1973—），男，遼寧大連人，博士，副研究員，2006年于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事光學(xué)成像技術(shù)及圖像處理分析方面的研究。E-mail：sirliuxy @sina.com

1674-2915（2013）04-0437-12

2013-07-09；

2013-08-16

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（No.2012AAXXX1003P）