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自适应光学(Adaptive optics,缩写为AO)是一项使用可变形镜面矫正因大气抖动造成光波波前发生畸变,从而改进光学系统性能的技术。
自适应光学的概念和原理最早是在1953年由海尔天文台的胡瑞斯·拜勃库克(Horace Babcock)提出的,但是超越了当时的技术水平所能达到的极限,只有美国军方在星球大战计划中秘密研发这项技术。冷战结束后,1991年5月,美国军方将自适应光学的研究资料解密,计算机和光学技术也足够发达,自适应光学技术才得以广泛应用。配备自适应光学系统的望远镜能够克服大气抖动对成像带来的影响,将空间分辨率显著提高大约一个数量级,达到或接近其理论上的衍射极限。第一台安装自适应光学系统的大型天文望远镜是欧洲南方天文台在智利建造的3.6米口径的新技术望远镜。目前越来越多的大型地面光学/红外望远镜都安装了这一系统,比如位于夏威夷莫纳克亚山的8米口径双子望远镜、3.6米口径的加拿大-法国-夏威夷望远镜、10米口径的凯克望远镜、8米口径的日本昴星团望远镜等等。自适应光学已经逐步成为各大天文台所广泛使用的技术,并为下一代更大口径的望远镜的建造开辟了道路。

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自适应光学

来源:何卓铭科学网博客

我们的日常生活中存在着各种各样的光学系统,小到一个透镜、一副近视眼镜,大到显微镜、摄像机、望远镜等等,这些大小不一的产品正发挥着越来越重要的作用。但是,经常出现这样的情况,以近视眼镜为例,每当我们的眼睛度数加深,就必须要换一副眼镜,否则就看不清画面了,那有没有那种自行调节、适应图像清晰度的光学系统(当然不仅仅是近视眼镜)呢?有,这就是本期的主题:自适应光学。

被动光学和主动光学

在介绍自适应光学系统之前,有必要提一下被动光学和主动光学这2个概念。所谓被动光学,就是被动的光学,也就是不能主动改变系统来调节改善图像质量的光学,例如前面提到的近视眼镜等,如果需要提高图像的清晰度,那就要通过机械的方式譬如打磨光学元件或者直接更换元器件等来实现,这相对比较麻烦,自然这也是最基础的光学系统。
     那既然被动光学很“被动”,我们自然就会想到通过在光学系统中简单添加一些可修正的光学部件,然后通过调整这些修正部件来提升图像质量,这就是我们说的主动光学,现实生活中例如照相机的调焦功能就是这样,当然高级点的还有人的眼睛。


照相机对焦原理(图片来源于网络)

自适应光学

接下来进入正题,自适应光学是一种能够有效解决动静态误差过大、大大提高成像质量的光学系统,这也算是主动光学的一种。自适应光学这么厉害,为啥日常生活中不常看到?你想啊,能够自适应的光学系统,系统必定十分复杂,价格昂贵,你能用几百块换一副近视眼镜,自然不会用几十几百万的自适应光学系统,所以自适应光学目前主要应用于高精尖的大项目工程中。好,接下来我们来介绍下自适应光学系统的原理。

  • 原理

为了能够让我们看得更加清楚,排除一些不必要的扰动和误差,例如图2 的望远镜系统,我们引入了自适应光学系统,从而得到了清晰的图像。在这里必须要引入一个光学概念:波前。所谓波前就是电磁波在传输过程中,达到某一个位置时各个点(振动相位一致)组成的波阵面,波阵面按照曲面面型的不同有球面波(点光源)、平面波等之分。如果波经过理想的光学系统,那么波前相位是不会发生畸变的,也就是成像质量不会变模糊,但是由于大气湍流、非理想的光学器件等因素,导致最后望远镜接收到的图像是不可辨识的,如果波前改变仅像图3(a)那样,我们也还可以通过调焦来实现,那么如图3(b)的情况,则真正需要自适应光学系统来改善图像质量。

 
自适应光学系统原理(图片来源于网络)

 
 
不规则波前造成模糊成像(图片来源于网络)

如图2所示,自适应光学系统由波前探测器、波前控制器、波前校正器组成。波前探测器,主要是探测光的波前畸变,其常用的类型有Hartmann-Shack 传感器、剪切干涉仪和曲率传感器等。本文仅以常用的Hartmann-Shack 传感器为例进行介绍,该传感器由透镜阵列和CCD相机组成,通过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,从而求出各子孔径范围内的波前在两个方向上的平均斜率,如图4所示。

 
4 Hartmann-Shack 传感器原理(图片来源于网络)

波前控制器对于自适应光学系统来说就如同计算机的CPU,通过波前探测器得到的波前斜率,经过一系列算法解算出波前相位,然后通过控制系统反馈给波前校正器改变变形镜的各子模块来补偿畸变波前,提高图像精度。所以,自适应光学系统通常也简单地称之为变形镜。而波前校正器其实就是在变形镜上安装多个压电陶瓷制成的驱动器,用来改变不同子孔径的姿势,从而改变反射光束的方向,达到校正波前的目的。

 

 图变形镜驱动与哈特曼子孔径的布局关系(图片来源于网络)

  • 应用
  • 天体观测方面的应用

天体观测目前主要通过把自适应光学系统结合到望远镜上,从而提高成像精度,涉及单位主要有中科院的各大天文台。

  • 生物成像方面的应用

生物成像尤其是人眼视网膜成像方面,利用自适应光学大大增强了我们对视觉细胞的观测程度,典型单位为中科院光电技术研究所,这里也不得不提一下我们的老前辈姜文汉院士,也称得上中国自适应光学领域的开拓者。

  • 神光系列装置方面的应用

众所周知,神光系列装置是一个非常庞大且复杂的光学系统,会有非常多的光学元器件,那么激光自然经过这些光学元件后,或多或少都会因为元器件表面的加工误差和材料的不均匀性导致聚焦光斑弥散,所以就需要自适应光学系统来校正系统的波前,从而提高能量集中度,完成打靶工程。典型单位:中科院上海光机所、中国工程物理研究院激光聚变研究中心。

激光武器追求的是能量密度,如果不清楚的童靴请见第6期:如何提高激光的功率,那如何把激光聚焦到足够小的面积上从而产生破坏性效果,美国军方就采用了自适应光学的方式将几束激光聚焦到足够小的面积上来制成激光武器,而且这也大大降低了激光武器的成本。

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自适应光学系统——ALPAO  
自适应光学系统——ALPAO
Alpao公司先进的技术实力,可以根据客户需求,定制高品质,易操作的自适应系统,是教学或研究自适应光学的强大工具,其开放式结构在研究及工业领域有广泛的应用。尤其适用于天文、眼科、显微技术、无线光通信及激光等领域。
自适应光学系统——OKO  
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自适应光学是补偿由大气湍流或其他因素造成的成像过程中波前畸变的最有前景的技术
自适应系统------NightN  
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闭环自适应光学系统是用来纠正低阶激光光束产生的波前畸变。该系统是利用压电式变形镜作为波前校正器,利用Shack-Hartman波前传感器作为波前测量,闭环软件是用来控制整套校正系统。
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