自适应光学和可变形反射镜导论

在光学系统中，组件错位、元件缺陷或像差会在内部降低性能，而热量和大气会在外部降低性能。尽管光学系统的精心设计可以减少这些问题，但性能损害可能太严重，无法用传统方法解决。例如，在天文摄影中，一个难以控制大气干扰等外部因素的领域，使用主动方法来校正性能。宏天文学应用和微光学应用的关键是自适应光学（AO）元件，包括可变形镜，如ALPAO可变形模态镜和动态光学可变形透镜。

了解波阵面

自适应光学（AO）是一种通过操纵光学波前来提高光学系统性能的技术。这提高了最终输出，与非自适应系统相比提高了性能。波阵面被定义为与通过具有相同相位的所有点的传播波相关的表面。未失真的波阵面通常是平面或球形的，可以通过使用常见的光学元件来改变。例如，正透镜将准直光聚焦到一点，将平面波阵面转换为球面波阵面，如图1所示。

使用自适应光学元件（如可变形镜）操纵波阵面的主动手段可以精确控制波阵面的形状。这种非自适应元件无法实现的精确和“可编程”控制，极大地提高了许多光学系统的性能。这就是为什么自适应光学在广泛的成像和非成像应用中被用来减少像差、提高图像质量或整形激光束的原因。

图1：平面凸（PCX）透镜将平面波前转换为球面波前

自适应光学元件和系统

自适应光学通过使用在施加外部控制信号时改变形状的光学元件来校正波阵面。可变形反射镜是一种具有可控反射表面形状的自适应元件。通过引入正确的镜面形状，可以改善失真的输入波前，如图2所示。

图2：可变形反射镜校正畸变波前

镜子形状可以从一组预先计算或存储的形状中得出，即开环控制，或者可以根据波阵面传感器的反馈计算并在闭环控制中操作。

图3a展示了一个简单的开环自适应光学成像系统。该系统由可变形反射镜、反射镜控制电子设备、成像传感器和传统光学元件组成。控制系统操作开环，并且可以应用预定的镜子形状来校正不同类型的像差。该系统也可用于将已知的光学像差引入系统，以了解其对系统性能的影响。

图3a：使用在开环控制中运行的可变形反射镜的自适应光学系统

更复杂的系统采用能够表征入射波前形状的波前传感器（如下所述）。分束器放置在光路中，用于将部分光反射到波阵面传感器上，如图3b所示。从该传感器获得的信息用于计算校正任何波前畸变所需的镜子形状。然后，这些数据被反馈到镜子的控制系统中，进而改变镜子的形状。该系统是一个闭环系统，可以连续采样和测量波前质量，并反馈这些信息以控制镜面形状。

图3b：自适应光学系统中的可变形反射镜，在闭环配置中使用来自波前传感器的反馈来控制反射镜形状

一种常见的波前传感器是Shack-Hartmann波前传感器。该传感器由安装在CCD或CMOS探测器阵列前面的微透镜阵列制成，如图4所示。如图4a所示，当平面波阵面入射到传感器上时，每个小透镜将光线聚焦在阵列中一组预定义像素的中心，这些像素位于小透镜阵列的焦平面上。当畸变波阵面入射到微透镜阵列上时，焦点位于与每个小透镜相关的像素内的不同位置，如图4b所示。通过分析探测器阵列上各个点的位置，可以表征入射到波阵面传感器上的波阵面形状。该信息可用于确定校正失真所需的可变形镜面的形状。

图4：显示Shack-Hartmann波前传感器基本工作原理的图示

关键自适应光学参数

表面类型、分段膜与连续膜、致动技术、致动器数量、涂层类型和光学元件尺寸是关键的自适应光学参数。了解这些参数使用户能够选择最适合感兴趣应用的自适应光学元件。表1总结了为给定应用选择可变形反射镜时需要考虑的四个关键自适应光学参数。

应用实例

自适应光学用于许多成像和非成像应用，包括3D成像、视觉和生物医学应用。3D成像使用可变形的镜子来增加深度范围，从而创建更真实的3D。在视觉应用中，自适应光学用于机器人视觉和监控摄像头，以提供实时或长距离成像。在显微术中，自适应光学校正静态透镜中的像差。生物医学应用，包括眼科，使用自适应光学来克服人眼玻璃体引起的像差，以捕获高分辨率的视网膜图像，或增加光学相干断层扫描的扫描深度。

自适应光学也可用于多种非成像应用，包括激光材料加工，可用于控制激光束的形状和大小以提高精度。

自适应光学是校正成像中的波前畸变和非成像应用中的光束整形的理想选择。任何自适应光学系统中的关键光学元件都是可变形反射镜和波前传感器。当在开环系统中使用时，这些自适应组件可以塑造激光器，或通过像差校正提高成像性能。如果简单的开环控制不能产生所需的性能，可以考虑将自适应元件与闭环控制系统中的波前传感器配对。