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(dòng)光學(xué)而逐步發(fā)展起來的一種“新興概念”。在本文中，對(duì)“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(duì)“智能光學(xué)”所具備的概念和范疇加以進(jìn)一步擴(kuò)展和明確?？偨Y(jié)和評(píng)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(dòng)態(tài)光學(xué)探測(cè)技術(shù)、動(dòng)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(duì)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(shí)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(shí)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)這一層面對(duì)現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)所擁有的技術(shù)途徑有一個(gè)重新認(rèn)識(shí)。

1 動(dòng)態(tài)光學(xué)調(diào)制技術(shù)

1.1 波前動(dòng)態(tài)調(diào)制技術(shù)

光學(xué)組件中可以形成“波前動(dòng)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(shí)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(shí)實(shí)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(dòng)器陣列+反射鏡”這一結(jié)構(gòu)形式來對(duì)其加以實(shí)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(dòng)光學(xué)之類層面“出場率”頗高的促動(dòng)器類型包括微機(jī)電促動(dòng)器、壓電促動(dòng)器、機(jī)電促動(dòng)器、壓力促動(dòng)器以及其他類型的各種空間光調(diào)制器。

1.2 其他動(dòng)態(tài)調(diào)制技術(shù)

光強(qiáng)動(dòng)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(qiáng)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(dòng)。對(duì)于液晶調(diào)制器中涉及光強(qiáng)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(dòng)態(tài)光學(xué)探測(cè)技術(shù)

2.1 光瞳面波前探測(cè)技術(shù)

所謂“光瞳面波前探測(cè)”，指的是動(dòng)態(tài)探測(cè)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(cè)器類型中最為常用者，包括全息波前探測(cè)器、角錐波前探測(cè)器、橫向剪切干涉儀、夏克哈特曼品牌的波前探測(cè)器之類，哈特曼波前探測(cè)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(cè)量、光學(xué)檢測(cè)、自適應(yīng)光學(xué)、主動(dòng)光學(xué)等各種領(lǐng)域。夏克哈特曼波前探測(cè)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(duì)局部波前斜率的探測(cè)和相應(yīng)的波前重構(gòu)來完成波前探測(cè)活動(dòng)。

2.2 焦面波前探測(cè)技術(shù)

所謂“焦面波前探測(cè)”，指的是對(duì)波前信息在光學(xué)系統(tǒng)焦面位置上開展動(dòng)態(tài)探測(cè)，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(cè)一些點(diǎn)目標(biāo)，相位差異又能夠波前探測(cè)擴(kuò)展目標(biāo)。

3 能光學(xué)系統(tǒng)

3.1 主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)

該系統(tǒng)一般都會(huì)用在反射式、大口徑望遠(yuǎn)鏡中，一般用于校正/補(bǔ)償望遠(yuǎn)鏡主鏡出現(xiàn)的各種波前畸變，故而主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)有必要設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)光學(xué)系統(tǒng)中的各種控制器、波前探測(cè)器、“動(dòng)態(tài)支撐機(jī)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(cè)器加以實(shí)時(shí)探測(cè)者。然而在很多應(yīng)用場合——如顯微鏡系統(tǒng)、如強(qiáng)湍流大氣環(huán)境中，經(jīng)常會(huì)難以有效探測(cè)波前信息。無波前探測(cè)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(jī)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(qiáng)能量中的各種變化信息。因?yàn)槟芰孔兓畔?、圖像度量信息往往沒有沒有直接對(duì)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(bǔ)償?shù)鼗h(yuǎn)鏡成像這一領(lǐng)域，也可實(shí)時(shí)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(bǔ)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(kuò)展。

對(duì)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(bǔ)償加以實(shí)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(bǔ)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(bǔ)償”。同時(shí)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(bǔ)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(shí)，動(dòng)態(tài)探測(cè)技術(shù)和智能光學(xué)的動(dòng)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(shí)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(shì)，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(huì)進(jìn)一步起到越來越重要的作用，與此同時(shí)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]