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談?wù)勚悄芄鈱W(xué)發(fā)展現(xiàn)狀

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2021-09-15

智能光學(xué)(Smart Optics or Intelligent Optics)，是傳統(tǒng)光學(xué)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物。智能光學(xué)集新材料、計(jì)算機(jī)信息、電子、緊密加工等現(xiàn)代技術(shù)于一體，極大地?cái)U(kuò)展了傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。智能光學(xué)以自適應(yīng)光學(xué)和主動(dòng)光學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)，與微電子學(xué)、信息光學(xué)、光電子學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域有著緊密的聯(lián)系——智能光學(xué)與相關(guān)學(xué)科相互促進(jìn)、共同發(fā)展。

　　1 智能光學(xué)的概念

　　國(guó)外科學(xué)家(Greenaway)將智能光學(xué)定義為能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整的光學(xué)技術(shù)和組件。智能光學(xué)是一項(xiàng)不斷發(fā)展的概念，其最初是建立在自適應(yīng)光學(xué)和主動(dòng)光學(xué)上的一項(xiàng)技術(shù)——以反射光學(xué)組件為主要設(shè)備進(jìn)行波前相位的動(dòng)態(tài)調(diào)制。這里將對(duì)自適應(yīng)光學(xué)和主動(dòng)光學(xué)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

　　1.1 自適應(yīng)光學(xué)

　　在介紹自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)前，先對(duì)“大氣湍流”的概念進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。大氣湍流實(shí)質(zhì)上是大氣中的一種運(yùn)動(dòng)形式，由于大氣湍流的存在，大氣中的水氣、熱量、動(dòng)量以及污染物的水平和垂直交換作用得到了極大地增強(qiáng)，而這種運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度增大趨勢(shì)遠(yuǎn)大于分子運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的程度。我們知道，大氣屬于光波的傳輸媒介之一，光波在大氣當(dāng)中傳播時(shí)，由于受到大氣湍流的影響，進(jìn)而產(chǎn)生波前畸變(波前在經(jīng)過(guò)傳輸介質(zhì)傳輸后發(fā)生了變化)。自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)應(yīng)用旨在補(bǔ)償因大氣湍流或其他因素導(dǎo)致的波前畸變。當(dāng)前，自適應(yīng)光學(xué)主要在智能光學(xué)中起到利用變形鏡實(shí)現(xiàn)高速、小幅波前調(diào)制的重要作用。

　　1.2 主動(dòng)光學(xué)

　　主動(dòng)光學(xué)屬于一種波面校正技術(shù)，其旨在校正望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)及其支架受到溫度、重力等因素引起的變形。除大氣湍流的影響外，諸如溫度、壓力、重力等因素都可能會(huì)導(dǎo)致望遠(yuǎn)鏡的正常觀測(cè)受到干擾(波前產(chǎn)生形變)，通過(guò)主動(dòng)光學(xué)技術(shù)，可以控制計(jì)算機(jī)觸動(dòng)器根據(jù)波前形變情況調(diào)整自身的工作狀態(tài)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并及時(shí)消除波前形變。簡(jiǎn)而言之，主動(dòng)光學(xué)是通過(guò)望遠(yuǎn)鏡內(nèi)置的“改正儀”主動(dòng)改變鏡面形狀以提高像質(zhì)的技術(shù)。

　　隨著智能光學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，建立在適應(yīng)性光學(xué)和主動(dòng)光學(xué)上的智能光學(xué)的概念也得到了進(jìn)一步補(bǔ)充，即具有可動(dòng)態(tài)調(diào)整、可自動(dòng)控制和可測(cè)量能力的光學(xué)技術(shù)、組件和系統(tǒng)。現(xiàn)階段，折射衍射光學(xué)組件以及光電子組件等也被廣泛應(yīng)用于測(cè)控、調(diào)制波前相位的過(guò)程中;而動(dòng)態(tài)調(diào)整光學(xué)組件在智能光學(xué)中應(yīng)用，則進(jìn)一步擴(kuò)大了光學(xué)系統(tǒng)的功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)波前幅度、偏振、波頻率、光強(qiáng)等參數(shù)的調(diào)制和測(cè)控。智能光學(xué)進(jìn)一步推動(dòng)了傳統(tǒng)光學(xué)的發(fā)展，對(duì)于一些設(shè)計(jì)復(fù)雜、常規(guī)加工難以實(shí)現(xiàn)的光學(xué)系統(tǒng)，利用智能光學(xué)可以有效地簡(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)提高光學(xué)系統(tǒng)的性能。智能光學(xué)在天文、軍事、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

　　2 動(dòng)態(tài)光學(xué)調(diào)制

　　上文已經(jīng)提到，波前畸變是一個(gè)影響光學(xué)成像的重要因素，智能光學(xué)系統(tǒng)中的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)和主動(dòng)光學(xué)技術(shù)都是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)波前畸變的校正或補(bǔ)償。動(dòng)態(tài)光學(xué)調(diào)制作為智能光學(xué)的核心技術(shù)之一，其也是為了校正或補(bǔ)償波前畸變，從而提高光學(xué)系統(tǒng)的性能。這里以波前畸變的調(diào)制(校正或補(bǔ)償)為重點(diǎn)，介紹幾種常用的動(dòng)態(tài)光學(xué)調(diào)制技術(shù)。

　　2.1 波前動(dòng)態(tài)調(diào)制技術(shù)

　　波前調(diào)制器是實(shí)現(xiàn)波前動(dòng)態(tài)調(diào)制技術(shù)的核心光學(xué)組件，其用于對(duì)波前相位或波前幅度進(jìn)行調(diào)制(某些波前調(diào)制器兼具波前相位和波前幅度調(diào)制的功能)。波前調(diào)制器通常由反射鏡和促動(dòng)器(二者組合為陣列)構(gòu)成，根據(jù)反射鏡拼接鏡面和整體鏡面的不同結(jié)構(gòu)，可以將波前調(diào)制器分為分立和連續(xù)兩種形式。自適應(yīng)光學(xué)和主動(dòng)光學(xué)常用的促動(dòng)器包括機(jī)電促動(dòng)器、壓力促動(dòng)器、壓電促動(dòng)器以及微機(jī)促動(dòng)器等。

　　自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)用于高速、小幅的波前調(diào)制，其波前調(diào)制器(也稱之為波前校正器)對(duì)精度的要求比較高。自適應(yīng)光學(xué)常用的波前調(diào)制器有微機(jī)電變形鏡、電磁變形鏡、壓電變形鏡以及液晶空間光調(diào)制器等。當(dāng)前，自適應(yīng)光學(xué)波前調(diào)制器正朝向高密度、集成化、大幅度調(diào)制發(fā)展。提高促動(dòng)器的密度能夠有效降低實(shí)現(xiàn)校正波前畸變的難度，但其會(huì)降低調(diào)制幅度。

　　主動(dòng)光學(xué)技術(shù)多應(yīng)用于大口徑的反射式望遠(yuǎn)鏡，其能夠?qū)崿F(xiàn)低速、大幅的波前調(diào)制，因而需要較強(qiáng)的支撐力。機(jī)電促動(dòng)器和壓力促動(dòng)器是構(gòu)成主動(dòng)光學(xué)動(dòng)態(tài)支撐結(jié)構(gòu)的主要單位，其起到為主動(dòng)光學(xué)動(dòng)態(tài)支撐結(jié)構(gòu)提供足夠支撐力的作用。

　　2.2 其他動(dòng)態(tài)調(diào)制技術(shù)

　　光強(qiáng)動(dòng)態(tài)調(diào)制技術(shù)：光強(qiáng)動(dòng)態(tài)調(diào)制技術(shù)主要依賴于空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用于投影顯示光學(xué)領(lǐng)域。光強(qiáng)動(dòng)態(tài)調(diào)制使用的調(diào)制器一般為分立的結(jié)構(gòu)。

　　光譜動(dòng)態(tài)調(diào)制：光譜動(dòng)態(tài)調(diào)制，其主要利用聲光調(diào)諧濾波器和液晶調(diào)諧濾波器對(duì)光譜進(jìn)行動(dòng)態(tài)濾波。這項(xiàng)技術(shù)在許多光學(xué)系統(tǒng)(如顯微成像、遙感成像等領(lǐng)域)中有著極為廣泛的應(yīng)用。聲光調(diào)諧濾波器的響應(yīng)速度較高，但其像質(zhì)相對(duì)不足;液晶調(diào)諧濾波器的像質(zhì)較高，但其相應(yīng)速度較低。

　　3 動(dòng)態(tài)光學(xué)探測(cè)

　　基于波前相位和光強(qiáng)信息的光學(xué)特性對(duì)光學(xué)調(diào)制進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。光強(qiáng)動(dòng)態(tài)控制和波前動(dòng)態(tài)控制得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是各種光電傳感器。例如，光電倍增管、雪崩二極管、光電耦合器件等。光電傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)光強(qiáng)信息的直接探測(cè);光電傳感器與其他光學(xué)器件可組成波前探測(cè)器，用以探測(cè)波前信息。根據(jù)波前探測(cè)器波前探測(cè)位置的不同，可以將其分為光瞳面波前探測(cè)器和焦面波前探測(cè)器兩類;根據(jù)波前重構(gòu)過(guò)程的不同，可以將其分為線性波前探測(cè)器和非線性波前探測(cè)器兩類。

　　4 智能光學(xué)系統(tǒng)

　　綜上所述，我們可以將智能光學(xué)系統(tǒng)定義為：具有動(dòng)態(tài)光學(xué)調(diào)制或(和)動(dòng)態(tài)光學(xué)探測(cè)功能的、能夠根據(jù)光學(xué)特性進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制的光學(xué)系統(tǒng)。當(dāng)前，智能光學(xué)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制功能可以分為開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制兩類，開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)主要包括調(diào)制器和控制器兩部分;閉環(huán)控制系統(tǒng)主要包括調(diào)制器、探測(cè)器、控制器三部分。智能控制系統(tǒng)可以分為自適應(yīng)控制系統(tǒng)和主動(dòng)控制系統(tǒng)兩類。

　　自適應(yīng)控制系統(tǒng)主要利用波前探測(cè)器獲取到的波前信息反饋給波前校正器以實(shí)現(xiàn)調(diào)制功能。但需要指出的是，應(yīng)用于顯微系統(tǒng)或者是大氣湍流過(guò)強(qiáng)的環(huán)境中時(shí)，波前探測(cè)器會(huì)受到較為嚴(yán)重的干擾以至于不能準(zhǔn)確獲取波前信息。自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)主要應(yīng)用于補(bǔ)償?shù)鼗酵h(yuǎn)鏡成像過(guò)程中的大氣湍流，調(diào)制(校正)變化速度較快的波前畸變。

　　主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)主要應(yīng)用于反射式、大口徑望遠(yuǎn)鏡中，用以調(diào)制望遠(yuǎn)鏡主鏡的波前畸變。當(dāng)前，主動(dòng)光學(xué)已經(jīng)成為了大口徑望遠(yuǎn)鏡所必備的一項(xiàng)重要技術(shù)。隨著望遠(yuǎn)鏡口徑的不斷增大，一些天基望遠(yuǎn)鏡也開(kāi)始采用主動(dòng)光學(xué)技術(shù)改善像質(zhì)。例如，著名的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡采用了復(fù)雜拼接鏡面主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)獲得了較為理想的像質(zhì)。

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