自适应光学技术
自适应光学技术
自适应光学技术（Adaptive Optics Technology）是一种用于校正和补偿光学系统中的波前畸变的技术。
它可以提高光学系统的分辨率和成像质量，并在大气湍流、光学元件缺陷等影响下实现更精确的光学成像和测量。
自适应光学技术主要包括以下几个关键步骤：
波前测量：通过使用传感器或探测器，测量出来自目标物体的光波在经过光学系统之前受到的畸变和扭曲。
这可以通过测量光波的相位或强度分布来实现。
畸变补偿：根据测量到的波前畸变信息，计算出用于补偿畸变的补偿器件或补偿信号。
常用的补偿器件包括电极驱动的变形镜、液晶空间光调制器等。
实时控制：利用计算机或实时控制系统，根据测量到的波前信息和补偿算法，控制补偿器件的形状或调节信号，实现实时的波前畸变补偿。
自适应光学技术主要应用于天文观测、激光通信、光学成像、激光加工等领域。
在天文观测中，自适应光学技术可以有效抵消大气湍流引起的光学畸变，提高望远镜的分辨率和图像清晰度。
在激光通信和激光加工中，它可以实现精确的光束控制和调节，提高通信传输质量和加工精度。
总体而言，自适应光学技术通过实时测量和补偿光学系统中的波前畸变，使光学系统能够适应和校正外部环境的扰动，从而提高光学系统的性能和稳定性。
自适应光学概述
自适应光学系统
• 自适应光学（AO）是由大气引起的波面误差由一个可变形的镜面 进行实时校正的光学技术，是一个快速增长的多学科领域，包括物理、 化学、电子和计算机科学。AO系统用于校正（形成）一束光的波前。 历史上，该系统起源于天文学和国防，它可产生高分辨率的天文 图像；更清晰的图像产生对比度的额外增益，这对天文学家也有好处， 因为这意味着他们可以探测到其他方法无法观察到的暗淡的天体。当 天文学家在努力克服大气湍流的模糊效应时，国防承包商们却关心如 何保证他们的高功率激光器的光子可正确导向，从而击毁战略目标。 最近，由于在AO组件的精密度和简单化方面的改进，研究人员 已经利用这些系统在飞秒脉冲整形、显微镜、激光通信、视力矫正以 及视网膜成像等领域取得突破。虽然这些领域相差很大，由于不需要 的时变效应的存在，这些领域都将从自适应光学系统中受益。 通常，AO系统由3部分组成：（1）波前传感器，用于测量波前 偏移，（2）可变形镜片，可改变形状以校正高度畸变的波前，及（3） 实时控制软件，用波前传感器收集到的信息计算可变形镜片应该采用 的合适的形状，以抵消畸变的波前。 •
自适应光学控制系统的有效带宽分 析
• 自适应光学技术用在透过大气的目标成像或激光 大气传输的光学系统中，实时校正由大气湍流扰 动引起的随机波前相位畸变，提高光束质量。由 于大气湍流的变化速度较快，要求自适应光学系 统有足够高的控制带宽。目前国际上的自适应光 学系统普遍采用简单的比例积分（ＰＩ）控制器， 并且用闭环带宽作为衡量自适应光学系统对大气 湍流校正能力的主要指标。作者认为，有必要研 究自适应光学控制系统的带宽特点，分析限制控 制系统带宽的因素，并且在不加大硬件复杂性的 情况下，研究合理的高带宽控制器。
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自适应光学系统的构成
光学中的自适应光学成像技术应用
光学中的自适应光学成像技术应用光学成像技术是人类长期以来探索和研究的一个重要领域，目前已经发展成为一种高精度、高效率的成像技术。
然而，由于光学成像技术本身对环境的要求很高，很容易受到环境噪声的影响，这在某些特殊的应用场合会造成极大的问题。
针对这一问题，自适应光学成像技术被提出并逐渐成为人们关注的热点之一。
自适应光学成像技术是通过在成像系统中加入适应性元件，如变形镜、电子控制器等，以实现对环境噪声进行消除或者补偿，从而提高成像的质量和精度。
这种技术已经在许多领域得到了广泛的应用，例如天文观测、激光通信、医学成像等。
一种典型的自适应光学成像技术就是自适应光学望远镜技术。
该技术最初应用于天文观测，可以实现对地球大气层带来的波前像差进行实时补偿。
这种技术需要在光路中插入一个变形镜，再通过一个电子控制系统对变形镜进行实时调节，以消除大气层引起的波前像差，获得更加清晰的成像效果。
这种技术的应用极大地提高了天文观测的精度，同时也为其他领域的自适应光学成像技术的发展提供了启示。
在现代通信中，自适应光学成像技术也扮演着重要的角色。
高速光通信需要在光纤中传输大量数据，而频繁的光信号衰减和散射会导致信号质量下降。
自适应光学成像技术可以通过实时补偿折射率的变化，从而减少光纤中的失真和干扰，提高光信号传输的稳定性和性能。
另外，在医学成像中，自适应光学成像技术也有着广泛的应用。
例如在眼科医学领域中，自适应光学成像技术可以对眼球内部的折射率进行实时调节，消除眼球组织带来的畸变和噪声，获得更加清晰的眼底图像，从而为医生提供更加准确的诊断信息。
总的来说，自适应光学成像技术作为一种新兴的成像技术，已经在多个领域得到了广泛的应用，并且得到了不断的完善和发展。
相信在未来的科技创新中，自适应光学成像技术将继续发挥着重要的作用，为人类探索和创造出更加精细和高效的成像技术提供更多的启示。
光学成像技术中的自适应光学系统研究
光学成像技术中的自适应光学系统研究第一章引言自适应光学系统是一种利用反馈信号进行补偿的光学成像技术，可以在光学成像的过程中实现波前畸变的实时补偿，以提高图像的分辨率和对比度。
近年来，自适应光学系统得到了广泛的关注和研究，不仅在军事、航天等领域有着重要应用，同时在医学成像、天体成像等领域也有着广泛的应用。
本文将从自适应光学系统的基本原理和应用展开，对自适应光学系统的研究进展进行一定的梳理和总结，以期为自适应光学系统的进一步发展提供一定的借鉴和参考。
第二章自适应光学系统的基本原理自适应光学系统是一种光学成像系统，其主要特点是利用反馈信号对波前畸变进行实时补偿。
自适应光学系统的基本原理如下：(1) 构造波前传感器，获取反馈信号波前传感器能够读取由透镜引起的波前畸变。
常见的波前传感器有薄膜波前传感器、晶体波前传感器、 Shack-Hartmann 波前传感器等。
(2) 通过控制器从反馈信号中计算出畸变函数利用反馈信号信息计算出波前畸变的形状。
(3) 利用补偿装置进行实时补偿补偿装置能够根据畸变函数对透镜的相位进行调整，以实现波前畸变的实时补偿。
(4) 实现高分辨率成像经过波前畸变补偿后的光学成像系统能够实现高分辨率成像。
第三章自适应光学系统的应用自适应光学系统的应用范围非常广泛，下面从军事、航天、医学、天体等领域进行详细介绍。
(1) 军事领域自适应光学系统在军事领域有着广泛的应用，主要包括制导、侦察及打击等领域。
例如，自适应光学制导系统可以大大提高导弹的命中率，自适应光学侦察系统可以在恶劣气候条件下进行高清晰度成像。
(2) 航天领域在航天探测中，自适应光学系统可以大大提高成像质量和高分辨率成像能力。
例如，自适应光学系统已成功应用于汉光一号卫星、哈勃望远镜等系列空间探测器中。
(3) 医学领域自适应光学成像技术在医学领域有着重要应用，能够实现对人体内部器官组织的高清晰度成像。
例如，自适应光学系统已广泛应用于眼科、心肺外科、神经外科等领域。
自适应光学原理
自适应光学原理
自适应光学原理是一种新兴的技术，它可以帮助我们更好地观察星空
和地球表面。
本文将介绍自适应光学原理的定义、工作原理以及应用
领域。
1. 自适应光学原理的定义：
自适应光学原理是一种通过控制光线传播路径的技术，可以让光学装
置更适应天文、大气等环境变化，从而得到更高质量的观测结果。
2. 自适应光学原理的工作原理：
- 采集信号：先使用光学元件采集来自天文目标、地球表面等的光信号。
- 计算变形：将这些光信号与参考光信号进行比较，计算出光学元件
与参考光信号之间的变形。
- 进行调整：根据计算结果，通过电磁铁等元件对光学元件进行调整，以使其完全适应环境变化，保持最佳成像状态。
3. 自适应光学原理的应用领域：
- 天文观测：自适应光学原理可以大大提高天文望远镜的分辨率，使
得观测结果更加精确。
- 地球观测：自适应光学原理可以使得地球观测卫星等设备在大气变
化等环境下保持高精度观测结果。
- 其他领域：自适应光学原理还被广泛应用于医学成像、雷达系统等
领域。
综上所述，自适应光学原理是一项强大的技术，可以使得光学设备更
适应各种环境变化，从而得到更高质量的观测结果。
它的应用领域广泛，未来有望得到更加广泛的应用。
自适应光学在双光子显微成像技术中的应用
自适应光学在双光子显微成像技术中的应用自适应光学（Adaptive Optics，简称AO）是一种能够实时校正光学系统中非理想光学成像效果的技术。
双光子显微成像技术（Two-photon Microscopy，简称2PM）是一种能够在活体组织中实现高分辨率三维成像的显微镜技术。
本文将探讨自适应光学在双光子显微成像技术中的应用。
自适应光学技术的基本原理是通过实时测量光学系统中的像差，然后根据测量结果，利用变形镜或其他方式对光学系统进行实时校正，以提高成像质量。
在双光子显微成像中，自适应光学技术可以有效地减少组织的散射和吸收，提高成像深度和分辨率。
自适应光学技术可以校正组织中的散射效应。
在传统的显微成像中，组织中的散射会导致成像质量的下降，尤其是在深层组织成像时更为明显。
自适应光学技术通过实时测量散射效应，并根据测量结果对光学系统进行实时校正，可以有效地减少散射效应，提高成像质量。
自适应光学技术可以校正组织中的吸收效应。
在双光子显微成像中，激光束需要穿透组织较深的深度，而组织中的吸收会导致激光能量的损失，从而影响成像质量。
自适应光学技术可以实时测量吸收效应，并对光学系统进行相应的校正，从而减少吸收效应对成像的影响。
自适应光学技术还可以提高双光子显微成像的分辨率。
在传统的显微成像中，由于组织的散射和吸收效应，成像分辨率会受到限制。
而自适应光学技术通过实时校正光学系统中的像差，可以有效地提高成像分辨率，使得细微结构更加清晰可见。
在实际应用中，自适应光学技术与双光子显微成像技术的结合已经取得了令人瞩目的成果。
例如，在神经科学研究中，双光子显微成像技术结合自适应光学技术可以实现对脑组织的高分辨率成像，从而揭示神经元活动的细节。
此外，自适应光学技术还可以应用于其他领域，如生物医学研究、材料科学等，为科学研究和临床应用提供了强有力的工具。
自适应光学技术在双光子显微成像技术中具有广泛的应用前景。
通过实时校正光学系统中的像差，自适应光学技术可以提高双光子显微成像的分辨率和深度，减少组织的散射和吸收效应，从而实现对活体组织的高清晰、高分辨率成像。
自适应光学的原理及应用
自适应光学的原理及应用前言自适应光学（Adaptive Optics，简称AO）是一种基于非线性的光学技术，主要用于校正光学系统中由大气湍流引起的像差。
它通过实时监测大气湍流的变化，并根据反馈控制系统对光学器件进行动态调整，从而实现高分辨率成像、激光束整形等应用。
本文将介绍自适应光学的原理及其在天文观测、激光传输、生物医学等领域的应用。
原理自适应光学的原理基于两个关键技术：波前传感器和变形反馈控制系统。
波前传感器波前传感器用于实时测量入射光的波前畸变。
它通过使用一个探测器阵列来捕获像差引起的波前畸变，然后将这些数据传送给反馈控制系统。
常见的波前传感器包括剪切方式波前传感器（Shack-Hartmann）、相位股道（Phase Retrieval）等。
变形反馈控制系统变形反馈控制系统是自适应光学中的关键部分，它通过控制光学器件的形状和位置，实时校正波前畸变。
这一过程可以通过电子控制系统来实现，其中通过接收波前传感器传送的数据，计算出控制信号，进而调整光学器件的形状和位置。
应用自适应光学在许多领域都有着广泛的应用。
以下列举了其中一些重要的应用领域。
天文观测由于大气湍流的存在，地面天文望远镜在进行观测时会受到像差的影响，限制了其分辨率。
自适应光学技术的应用可以实时校正大气湍流引起的像差，提高望远镜的分辨率。
自适应光学天文望远镜已经取得了许多突破性成果，如观测到更加清晰的星系和行星表面。
激光传输在激光传输中，大气湍流会引起激光束的畸变，导致光束发散和功率损失。
自适应光学技术可以通过实时校正激光束的波前畸变，使其尽可能维持为平面波，从而提高激光传输的效率和质量。
这对于激光雷达、激光通信等应用具有重要意义。
生物医学成像在生物医学成像中，自适应光学技术可以实时校正光学成像系统中由组织散射引起的像差，提高成像的分辨率和对比度。
该技术已经成功应用于近红外成像、眼科成像等领域，为医学诊断提供了更清晰的图像。
激光器材加工自适应光学技术还可应用于激光加工中。
自适应光学技术原理及临床应用价值
将切 片架两端小孔完 全套在切 片槽 的定位栓 上 ，并按实 ， 试 剂瓶 型号统一 、 匹配 ， 摆放整齐 ， 确保机械 臂移动无 障碍 。打 印载玻片标签时应 注意使二维码标 识位 于标 签中下部 ， 以确 保仪 器能正确扫描识别。将 当天所需 的试剂瓶全部放置在试 剂架上 ， 并将所有试剂瓶盖拧开 。 由于仪器 吸液 头不能识别载玻片上 的组织位置 ，只能 同 定地滴加各种试剂 于载玻 片某一 位置 ， 切片时组织 蜡膜 的位 置非常重要 ， 如果蜡膜位置不正 确 ，试剂 覆盖不到组织 ， 就 会 出现假 阴性或 “ 阴阳脸 ” 的现 象１ 这就要求 技术员切 片时 ， ２ １ ， 尽量将组织裱在玻片右 １ ／ ，同一组织 的各切片方 向也要 ３处 基本一 致 ， “ 在 滴加情 况” 目内 ， 黄 色标记移 到 “” ， 栏 将 ８ 上 这 样既保证仪器在滴 加抗体 时的位置准确 ， 也有利 于医生正确 判断 比较染 色结果 。如果发现 载玻片上组织 位置偏左 ， 则在
・
医技杂 志 ２ １ 年 ９ ０２ 月第 １ 卷第 ９ －ｏｒ ｌｆ ｒ ｔａ Ｍ ｄ ａＴｃｎ ｕｓ Ｓｐ ｍ ｅ ２ １， ｏ １ Ｎ ． ９ 期＿ Ｊｕ ａｏ Ｐａ ｉ ｌ ｅｉ ｌ ｅｈｉ ｅ， ｅｔ ｂｒ ０２ Ｖ１ ９ ｏ９ ｎ ｃ ｃ ｃ ｑ ｅ ． ７
９ ７９ ・
（ 稿 日期 ：０ ２ ０ ．６ 收 ２ １ ．５ １ ）
自适应光学技术原理及临床应 用价值
上 海拓 普康精 密仪 器有 限公 司（０ ０ ０ ２０５ ） 自适应光学技术是一种利用光电子器件实时测 量波前动 态误差 ， 用快 速的 电子 系统进行 计算 和控制 ， 能 动器件进 用
行 实 时 的 波 前 校 正 ，使 光 学 系 统 具 有 自动 适 应 外 界 条 件 变
自适应光学仪器的设计原理
自适应光学仪器的设计原理自适应光学（Adaptive Optics, AO）是一种先进的技术，用于补偿和校正由于大气湍流或其他因素造成的波前畸变，从而提高光学系统的成像质量。
这项技术广泛应用于天文观测、医学成像、激光通信和激光武器等领域。
本文将介绍自适应光学仪器的设计原理。
1. 光学系统的工作原理光学系统主要由光源、透镜、反射镜、分束器、探测器等组成。
光学系统的工作原理是利用光源发出的光经过透镜、反射镜等光学元件的传输、聚焦、成像，最终被探测器接收并转化为电信号，以便进行图像重建或数据传输。
2. 自适应光学的基本原理自适应光学的基本原理是通过测量和补偿波前畸变，使光学系统输出的图像质量达到最优。
波前畸变是由于光学系统中的各种因素（如大气湍流、光学元件的加工误差、热变形等）导致的。
自适应光学系统通过实时测量波前畸变，然后采用特定的算法对光学系统中的元件进行调整，从而补偿波前畸变，提高成像质量。
3. 自适应光学仪器的设计要素自适应光学仪器的设计主要包括以下几个要素：（1）波前传感器：用于测量波前畸变的装置。
常用的波前传感器有夏克-哈特曼波前传感器、液晶光调制器等。
（2）控制器：根据波前传感器的测量结果，对光学系统中的元件进行调整，以补偿波前畸变。
控制器通常采用数字信号处理器（DSP）或FPGA等硬件实现。
（3）光学元件：用于校正波前畸变的装置。
常用的光学元件有变形镜、反射镜等。
（4）激光器或光源：提供稳定的光源，用于产生待测波前。
（5）图像探测器：用于接收补偿后的图像，评估成像质量。
4. 自适应光学仪器的设计流程自适应光学仪器的设计流程主要包括以下几个步骤：（1）确定光学系统的应用场景和性能指标：如视场角、分辨率、成像质量等。
（2）分析光学系统中的波前畸变来源：如大气湍流、光学元件的加工误差等。
（3）选择合适的波前传感器、控制器和光学元件。
（4）搭建实验系统，进行波前测量和补偿实验。
（5）优化系统参数，提高成像质量。
光学测试技术中的自适应光学研究
光学测试技术中的自适应光学研究1.概述自适应光学技术是在光学仪器和设备中广泛应用的一种新型光学测试技术。
它基于光波前调节技术，将一个实时的光学系统和控制系统结合起来，能够根据任意不规则形状的光波前实现光学成像。
自适应光学技术可以用于望远镜、激光测距仪、激光核聚变实验等领域，具有丰富的物理学、光学学、信息学和计算机科学等学科背景。
下面将分别从自适应光学技术的原理、研究方法、应用领域和未来发展等方面进行阐述。
2.自适应光学技术的原理自适应光学技术最根本的原理是：通过光学元件和控制系统，实时调节光波前的相位、形状和幅度，以此减少光线传输过程中的畸变和像差，从而实现对物体高清晰度的成像。
一般来说，自适应光学技术有两个关键步骤：第一步是记录探测位于物体后面的参考光波前，第二步是对探测到的参考光波前进行分析处理，并通过反馈控制系统实时地调节薄膜形状或晶格变化来实现对物体信号的优化。
自适应光学技术最重要的创新之处在于，它可以用反馈控制系统实时调节光学系统的操作参数，以快速响应和应对随机环境的多种变化，从而实现高质量、高稳定性的光学成像。
3. 自适应光学技术的研究方法在自适应光学技术的研究中，主要有两种方法：基于单薄膜自适应光学技术和基于多薄膜自适应光学技术。
第一种方法采用单个反射或透过薄膜，将被测物体与参考光波前合并，对通过的光进行冷却处理，并加入位移测量元件，最后进行图像重建，以获得更加清晰、高分辨率的图像。
第二种方法则是同时采用多个反射和透过薄膜，形成多通道自适应光学系统，利用多薄膜间的反应耦合，进行更加精确、更加准确的光学测试。
多通道自适应光学系统需要精密调谐，利用反馈控制系统同步调整多路光线的波前形状，以最大程度地提高图像分辨率和信噪比。
4. 自适应光学技术的应用领域目前，自适应光学技术已经被广泛应用于不同的领域，如天文观测、医学成像、工业制造、环境监测、军事侦察等多个领域。
举例来说，在天文观测领域，自适应光学技术被应用于望远镜，可根据大气折射率的不断变化，及时补偿大气波前畸变，大幅提升天文观测的清晰度。
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自适应光学技术姜文汉中国工程院院士,中国科学院光电技术研究所,成都610209关键词 自适应光学 波前探测 波前控制 波前校正 高分辨力成像 激光核聚变 人眼视网膜动态光学波前误差是困扰光学界几百年的老问题,自适应光学技术提供了解决这一难题的途径。
自适应光学通过对动态波前误差的实时探测 控制 校正,使光学系统能够自动克服外界扰动,保持系统良好性能。
本文在说明自适应光学技术的基本原理后,介绍由中国科学院光电技术研究所研制的三套自适应光学系统及其使用结果:1.2m 望远镜天体目标自适应光学系统, 神光I 激光核聚变波前校正系统和人眼视网膜高分辨力成像系统。
1自适应光学 自动校正光学波前误差的技术从1608年利普赛(L i ppers hey)发明光学望远镜,1609年伽里略(G alileo)第一次用望远镜观察天体以来已经过去了近400年了,望远镜大大提高了人类观察遥远目标的能力,但是望远镜发明后不久,人们就发现大气湍流的动态干扰对光学观测有影响。
大气湍流的动态扰动会使大口径望远镜所观测到的星像不断抖动而且不断改变成像光斑的形状。
1704年牛顿(I.N e w ton)在他写的《光学》[1]一书中,就已经描述了大气湍流使像斑模糊和抖动的现象,他认为没有什么办法来克服这一现象,他说: 唯一的良方是寻找宁静的大气,云层之上的高山之巅也许能找到这样的大气 。
天文学家们以极大的努力寻找大气特别宁静的观测站址。
但即使在地球上最好的观测站,大气湍流仍然是一个制约观测分辨率的重要因素。
无论多大口径的光学望远镜通过大气进行观察时,因受限于大气湍流,其分辨力并不比0.1~0.2m的望远镜高。
从望远镜发明到20世纪50年代的350来年中,天文学家和光学家像谈论天气一样谈论大气湍流,而且还创造了Seei ng这个名词来描述大气湍流造成星像模糊和抖动的现象,但是对Seei ng的影响还是无能为力。
图1是有无波前误差时点光源成像光斑的比较。
图1(a)是没有波前误差时的光斑,由于光学系统口径的衍射,没有波前误差时的衍射极限光斑由一个中心光斑和一系列逐渐减弱的同心环组成,称为艾利(A ir y)斑。
对圆形口径,83.4%的光能集中在中心斑内,其直径为2.44D, 为光学波长,D为光学系统口径。
图1(b)给出存在 0.56波长(均方根)波前误差时,点光源成像的光斑三维图,光斑显著扩散。
对于大气湍流这样的动态干扰,扩展的光斑将不断改变形状,并且成像位置不断漂移。
图1 波前误差对成像光斑能分布的影响(a)没有波前误差时圆形孔径产生的衍射光斑,(b)当波前误差均方根值为 0.56波长时的弥散光斑1953年美国天文学家Babcock发表了 论补偿天文Seei ng的可能性 [2]的论文,第一次提出用闭环校正波前误差的方法来补偿天文Seeing。
他建议在焦面上用旋转刀口切割星像,用析像管探测刀口形成的光瞳像来测量接收到的光波波前畸变,得到的信号反馈到一个电子枪,电子轰击艾多福(E idopher)光阀上的一层油膜,使油膜改变厚度来补偿经其反射的接收光波的相位(图2)。
这一设想当时并未实现,但用测量 控制 校正的7反馈回路来校正动态波前畸变的思想,成为自适应光学(A dapti ve O ptics)的创始设想。
图2 1953年天文学家B abcock 提出的实时补偿波前误差的原始设想20多年后,到20世纪70年代由于基础技术的发展成熟,也由于在高分辨力成像观测和高集中度激光能量传输等方面对克服动态干扰的需求更趋迫切,自适应光学的设想才得以实现,长期以来光学系统对动态干扰无能为力的局面才有了改变。
此后,又经过20余年的发展,自适应光学技术日趋成熟,世界上许多大型天文望远镜都装备了自适应光学系统,而且应用领域正在从大型望远镜和激光工程扩展到民用领域。
自适应光学技术是以光学波前为对象的自动控制系统[3,4],利用对光学波前的实时测量 控制 校正,使光学系统具有自动适应外界条件变化、始终保持良好工作状态的能力(图3)。
自适应光学系统包括3个基本组图3 自适应光学系统的基本组成成部分:波前探测器,波前控制器和波前校正器。
波前探测器实时测量从目标或目标附近的信标来的光学波前误差。
波前控制器把波前探测器所测到的波前畸变信息转化成波前校正器的控制信号,以实现对光学波前的闭环控制。
波前校正器是一种可以快速改变波前相位的能动光学器件,将波前控制器提供的控制信号转变为波前相位变化,以校正波前畸变。
由于很难直接测量波前相位误差,在自适应光学系统中常常先测量波前斜率或曲率,再用波前复原算法计算出波前相位。
在各种测量方法中,以测量波前斜率的哈特曼(Hart m ann)传感器(图4)最为常用。
哈特曼传感器用一个透镜阵列对波前进行分割采样,每个子孔径范围内的波前倾斜将使单元透镜的聚焦光斑产生横向漂移,测量光斑中心在两个方向上相对于用平行光标定的基准位置的漂移量,可以求出各子孔径范围内的波前在两个方向上的平均斜率。
图4 哈特曼传感器波前校正器有两类:校正波前相位的变形反射镜和校正波前整体倾斜的高速倾斜镜。
变形反射镜(图5)是在刚性的基板上固定多个用压电陶瓷(PZT 或P M N )制成驱动器,驱动柔性的镜面面板,在驱动器的推动下,使面板产生所需要的微小变形,使面板反射的光束波前产图5 变形反射镜8生变化。
高速倾斜镜是用压电驱动器推动刚性的镜面,产生两轴的倾斜,从而改变反射光束的方向。
自适应光学系统中的波前校正器要求有很高的分辨力(10纳米或10纳弧度量级)和很快的响应速度(毫秒量级)。
自适应光学系统是将反馈控制用于光学系统内部。
但与一般的控制系统相比,有如下的特点:控制对象是光学波前,控制的目标是要达到良好的光学质量,控制精度为1/10光波波长即数十纳米量级,控制通道数从几十到上百个,控制带宽达几百赫兹,可利用的光能有时非常弱,常常要用光子计数的方式进行波前探测。
这些特点带来一系列特殊的技术问题,也是自适应光学技术的难点之所在。
中国科学院光电技术研究所于1979年在我国率先开始研究自适应光学。
二十余年来,建立了基础技术,研制成功多套自适应光学系统。
下面将简要介绍我们建立的几套不同结构和用途的自适应光学系统。
2自适应光学提高对天体目标成像的分辨力由中国科学院光电技术研究所研制的1.2m 望远镜自适应光学系统[5]用于天文目标观测。
该套系统安置在云南天文台1.2m 望远镜上,在全口径上实现大气湍流动态波前误差的实时校正,实现对星体目标的高分辨力成像。
系统原理结构如图6所示,主要由望远镜、自适应光学系统、精密跟踪系统和成像系统4部分组成。
图6 云南天文台1.2m 望远镜的自适应光学系统望远镜具有地平式机架,绕俯仰和方位两轴旋转以跟踪天体目标。
望远镜的光学系统口径为1.2m,为库德(Coude)式结构,光路经主镜和次镜后由反射镜导向,分别穿过俯仰轴和方位轴,传到位于望远镜下方的库德房,自适应光学和成像系统都在库德房内的平台上。
为了提高对目标的跟踪精度,设置了两级精跟踪系统,以补偿地平式机架的跟踪误差和大气湍流造成的波前整体倾斜误差。
第一级精跟踪系统的倾斜镜是在俯仰轴头的45 反射镜,并在方位轴顶部的45 反射镜处进行分光,一部分光透过45 反射镜进入精跟踪传感器,由像增强电荷耦合器件(I CCD )探测器进行跟踪误差探测。
跟踪误差(星像光斑重心位移)计算和控制算法计算由高速数字信号处理器完成,其输出经过高压放大器放大后控制前述高速倾斜镜进行跟踪误差校正。
自适应光学系统由61单元变形反射镜、哈特曼传感器和波前处理机组成。
哈特曼传感器同时进行自适应光学系统的波前误差和第二级精跟踪误差的探测,由60个六角形的子孔径构成。
哈特曼传感器子孔径与变形反射镜驱动器的布局见图7。
采用高量子效率、低噪声、高帧频电荷耦合器件(CCD )作为探测器。
哈特曼光斑中心计算、波前复原计算和控制算法计算由专用数字信号处理器完成。
哈特曼传感器得到的波前整体平均斜率数据用来控制第二级高速倾斜镜进行第二级精跟踪控制,进一步校正波前倾斜,减少星像抖动。
波前校正后的图像由成像CCD探测。
图7 1.2m 望远镜自适应光学系统的变形镜驱动器与哈特曼子孔径的布局关系图8是系统对亮度为3.3星等的星体3种不同校正状态的成像光强分布,系统未校正时,光斑宽度1.12arc -sec ;只加倾斜校正的长曝光像,光斑宽度0.49arcsec ;倾斜和波前校正系统都闭环时的长曝光像,光斑宽度0.20arcsec ;为衍射极限的1.3倍,已接近衍射极限成像。
93激光核聚变装置波前校正系统提高了激光能量集中度激光核聚变装置波前校正系统于1985研制[6,7],采用爬山法优化原理,用于中国科学院上海光学与精密机械研究所的 神光Ⅰ 激光核聚变装置上。
这是国际上激光核聚变装置中第一套自适应光学系统。
神光Ⅰ 激光核聚变装置,是由两路钕玻璃固体激光器组成的一个庞大的装置。
该装置由一个功率不大的激光器发出的一个激光脉冲经过多级氙灯泵浦的放大器逐级放大,到光路末端形成口径达200mm 、脉冲功率可达1012瓦的高功率激光,将这束激光引入一个真空靶室并聚焦到靶室中央的靶球上引发核聚变。
整个系统十分庞大复杂(图9),每条光路总长度达到几十米,有一百多个光学表面,激光通过的光学材料的总厚度超过3m 。
尽管已经在光学材料、光学加工和装调方面采取许多措施来保证精度,但由于光路长、光学表面多,光学表面加工误差和材料不均匀性的积累仍然产生可观的静态波前误差,使聚焦光斑弥散,靶面上能量集中度降低。
为了校正这一套庞大系统的光学误差,研制了这一套激光波前校正系统。
图8 1.2m 望远镜自适应光学系统对星体校正前后的焦斑光强三维图(a)未校正长曝光像,(b)倾斜校正长曝光像,(c)倾斜和波前校正长曝光像图9 神光Ⅰ 激光核聚变装置中的激光波前校正系统如图9所示,在光路的起始端引入一束与主激光波长相同、方向一致的小功率连续激光,利用这一束激光作为光源进行校正,在光路的中段设置一个19单元的变形反射镜作为波前校正器。
由于这一系统的目的是校正 神光Ⅰ 装置的静态误差,可以用较慢的速度完成校正过程,因而采用了串行工作的爬山法优化方法。
在光路末端通过一个分光镜将光引向一个聚焦透镜,在它的焦面上设置一个针孔,用光电倍增管探测通过针孔的激光能量作为优化判据。
在脉冲激光正式工作之前,注入小功率连续激光,进行爬山法优化,在变形反射镜驱10动器上施加高频小振幅电压产生试验扰动,当一个驱动器上施加高频振动时,通过针孔的激光能量受到调制,光电倍增管探测这一调制信号,并与驱动信号进行比相,比相信号的极性表明应施加校正电压的方向,在这个方向上不断施加校正电压,直到比相信号改变极性时为止。