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自适应光学和可变形反射镜简介

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自适应光学(xue)和可变形反射(she)镜(jing)简介


在光学(xue)系统中,组件未(wei)对(dui)准、元(yuan)件缺陷或像差会在内部(bu)降(jiang)低性能,而热量和(he)大(da)气会从外部(bu)降(jiang)低性能。 尽管精心(xin)设计(ji)光学(xue)系统可(ke)(ke)以(yi)减少(shao)这(zhei)些问题,但(dan)性能损(sun)害可(ke)(ke)能太严(yan)重而无法用传(chuan)统方(fang)法解决。 例如,在天文摄影这(zhei)个难以(yi)控制大(da)气扰动(dong)等外部(bu)因素的领域,使(shi)用主动(dong)方(fang)法来校正性能。 宏(hong)观天文学(xue)应(ying)用和(he)微光学(xue)应(ying)用的关键是(shi)自(zi)适应(ying)光学(xue) (AO) 元(yuan)件,包括可(ke)(ke)变形(xing)反(fan)(fan)射镜(jing),如 Iris AO 111 驱动(dong)可(ke)(ke)变形(xing)反(fan)(fan)射镜(jing)。

了解波前

自适应(ying)光(guang)(guang)学(xue) (AO) 是一种通过操纵(zong)光(guang)(guang)波(bo)前(qian)(qian)来增强光(guang)(guang)学(xue)系统性能的(de)技术。与非自适应(ying)系统相(xiang)比,这提(ti)高(gao)了最终输出,提(ti)高(gao)了性能。波(bo)前(qian)(qian)定义为与通过所(suo)有具有相(xiang)同相(xiang)位(wei)的(de)点的(de)传播波(bo)相(xiang)关联(lian)的(de)表面(mian)(mian)(mian)。未失真的(de)波(bo)前(qian)(qian)通常是平面(mian)(mian)(mian)或球面(mian)(mian)(mian)的(de),可以通过使用常见的(de)光(guang)(guang)学(xue)元件来改(gai)变。例如(ru),正(zheng)透镜将(jiang)准(zhun)直光(guang)(guang)聚焦到一个点,将(jiang)平面(mian)(mian)(mian)波(bo)前(qian)(qian)转换(huan)为球面(mian)(mian)(mian)波(bo)前(qian)(qian),如(ru)图 1 所(suo)示。

使用具有自适应(ying)光(guang)学元件(如可(ke)变(bian)形(xing)反射镜(jing))的主动方法来(lai)操纵波(bo)前(qian),可(ke)以(yi)精确控制(zhi)波(bo)前(qian)的形(xing)状(zhuang)。这(zhei)种非(fei)自适应(ying)元件无法实现的精确和“可(ke)编程"控制(zhi)导致(zhi)许多光(guang)学系统性能的显着(zhe)提(ti)高(gao)。这(zhei)就(jiu)是为什(shen)么(me)在广(guang)泛(fan)的成(cheng)像(xiang)和非(fei)成(cheng)像(xiang)应(ying)用中(zhong)采用自适应(ying)光(guang)学来(lai)减少像(xiang)差、提(ti)高(gao)图像(xiang)质(zhi)量或塑造(zao)激光(guang)束的原因(yin)。


图 1:平(ping)凸 (PCX) 透(tou)镜将平(ping)面波前变为球面波前

自适(shi)应光学元件和系统

自适应(ying)光学(xue)通(tong)过(guo)使用(yong)在施加外(wai)部控(kong)制信号(hao)时改变(bian)形(xing)状(zhuang)的(de)光学(xue)元件(jian)来(lai)校正(zheng)波(bo)前。 可(ke)变(bian)形(xing)反(fan)射(she)镜(jing)是一种具(ju)有可(ke)控(kong)反(fan)射(she)表(biao)面形(xing)状(zhuang)的(de)自适应(ying)元件(jian)。 通(tong)过(guo)引(yin)入正(zheng)确的(de)反(fan)射(she)镜(jing)形(xing)状(zhuang),可(ke)以改善(shan)失真的(de)输(shu)入波(bo)前,如(ru)图 2 所示(shi)。


图 2:可(ke)变形反射镜(jing)校正扭曲的波前

镜面形(xing)状可以(yi)从一组预先计算(suan)或存储的(de)(de)形(xing)状中导(dao)出,即开环控(kong)制,或者可以(yi)根据波前传感器的(de)(de)反馈(kui)计算(suan)并在(zai)闭环控(kong)制中运行。

一个(ge)简单的(de)开(kai)环(huan)自适应光学成(cheng)像系(xi)统(tong)如图 3a 所示。 该系(xi)统(tong)由可(ke)变形反(fan)射(she)镜(jing)、反(fan)射(she)镜(jing)控制电子(zi)设备、成(cheng)像传感器和传统(tong)光学元件(jian)组成(cheng)。 例如,控制系(xi)统(tong)以开(kai)环(huan)方式运(yun)行(xing)并且(qie)可(ke)以应用预定的(de)镜(jing)面形状(zhuang)来校正(zheng)不同类型的(de)像差。 该系(xi)统(tong)还可(ke)用于将已(yi)知的(de)光学像差引入系(xi)统(tong),以了解它们对(dui)系(xi)统(tong)性能的(de)影响。


图 3a:使用在开环控制中运(yun)行的可(ke)变形反射镜的自适应(ying)光(guang)学系统(tong)

更复(fu)杂的(de)系统采用(yong)能够表(biao)征入射波前形(xing)(xing)状(zhuang)的(de)波前传感(gan)(gan)器(qi)(qi)(如下(xia)所(suo)述)。 分(fen)束(shu)器(qi)(qi)放置在光路中,用(yong)于将部分(fen)光反(fan)射到波前传感(gan)(gan)器(qi)(qi)上,如图 3b 所(suo)示。 来(lai)自该(gai)传感(gan)(gan)器(qi)(qi)的(de)信息用(yong)于计算校正任何波前畸变(bian)所(suo)需(xu)的(de)镜(jing)面(mian)形(xing)(xing)状(zhuang)。 然(ran)后(hou)这(zhei)些数据被反(fan)馈(kui)到镜(jing)片(pian)的(de)控制系统,进而改变(bian)镜(jing)面(mian)的(de)形(xing)(xing)状(zhuang)。 该(gai)系统是一个闭环(huan)系统,可以连(lian)续采样和测量波前质量并反(fan)馈(kui)该(gai)信息以控制镜(jing)面(mian)形(xing)(xing)状(zhuang)。


图 3b:自适(shi)应光学(xue)系统中的可变形(xing)反射镜以闭环配置运行(xing),使用来自波前传感器的反馈(kui)来控制反射镜形(xing)状。

一种常见类型(xing)的(de)波前(qian)传(chuan)(chuan)感器是 Shack Hartmann 波前(qian)传(chuan)(chuan)感器。 该传(chuan)(chuan)感器由安装(zhuang)在 CCD 或 CMOS 探(tan)测(ce)器阵(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)前(qian)面的(de)微(wei)透(tou)(tou)(tou)镜阵(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)制成,如图(tu) 4 所(suo)示。如图(tu) 4a 所(suo)示,当(dang)平(ping)面波前(qian)入(ru)射到(dao)传(chuan)(chuan)感器上(shang)(shang)时(shi),每个小(xiao)透(tou)(tou)(tou)镜将光聚(ju)焦在 放(fang)置在小(xiao)透(tou)(tou)(tou)镜阵(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)焦平(ping)面上(shang)(shang)的(de)阵(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)中的(de)预定义(yi)像素集。 当(dang)扭(niu)曲的(de)波前(qian)入(ru)射到(dao)微(wei)透(tou)(tou)(tou)镜阵(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)上(shang)(shang)时(shi),焦点位(wei)于与每个小(xiao)透(tou)(tou)(tou)镜相关联的(de)像素内的(de)不同位(wei)置,如图(tu) 4b 所(suo)示。 通过(guo)分(fen)析探(tan)测(ce)器阵(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)上(shang)(shang)各个点的(de)位(wei)置,可(ke)以表征入(ru)射到(dao)波前(qian)传(chuan)(chuan)感器上(shang)(shang)的(de)波前(qian)的(de)形状。 该信息可(ke)用于确定校正失(shi)真所(suo)需的(de)可(ke)变形镜面的(de)形状。


图 4:Shack Hartmann 波(bo)前传感器基本工(gong)作原(yuan)理示意图

关键自适应光(guang)学参数

表面类型、分段膜与(yu)连续(xu)膜、驱(qu)动技(ji)术、驱(qu)动器数(shu)量、涂层(ceng)类型和光(guang)学(xue)(xue)元(yuan)件尺寸(cun)是关(guan)键(jian)的(de)(de)自(zi)适(shi)(shi)应(ying)光(guang)学(xue)(xue)参数(shu)。 了解这些参数(shu)使用户能(neng)够选择适(shi)(shi)合感兴趣的(de)(de)应(ying)用的(de)(de)自(zi)适(shi)(shi)应(ying)光(guang)学(xue)(xue)元(yuan)件。 以下总结(jie)了为(wei)给(ji)定应(ying)用选择可变形(xing)反射镜时要考虑(lv)的(de)(de)四个(ge)关(guan)键(jian)自(zi)适(shi)(shi)应(ying)光(guang)学(xue)(xue)参数(shu)。

表面(mian)类(lei)型:

可(ke)变(bian)(bian)形(xing)反射镜(jing)(jing)可(ke)以是分(fen)段(duan)的(de)或(huo)连(lian)续(xu)的(de)。 分(fen)段(duan)式反射镜(jing)(jing)有许(xu)多可(ke)以单(dan)独控(kong)制的(de)较小(xiao)的(de)反射镜(jing)(jing)部分(fen)。 段(duan)数越多,镜(jing)(jing)面(mian)形(xing)状的(de)控(kong)制就越精确。 连(lian)续(xu)膜镜(jing)(jing)由(you)一个(ge)表面(mian)组成,可(ke)以在不同的(de)位置变(bian)(bian)形(xing)。

驱动技术(shu):

分(fen)段可(ke)(ke)变形反(fan)射镜具有由(you)致动器使用活(huo)(huo)塞尖倾(qing)(qing)斜值或 Zernike 系数定(ding)位(wei)的(de)(de)分(fen)段。 精密线性开环活(huo)(huo)塞尖倾(qing)(qing)斜定(ding)位(wei)可(ke)(ke)实(shi)(shi)现高性能自(zi)适(shi)(shi)应(ying)光学校正。 完(wan)全独(du)立(li)的(de)(de)段定(ding)位(wei)能够实(shi)(shi)现自(zi)适(shi)(shi)应(ying)光学、相(xiang)控阵、光束整形、光纤耦合和许多(duo)其他应(ying)用。

连续表面(mian)可变形反(fan)(fan)射(she)镜使用反(fan)(fan)射(she)面(mian)后面(mian)的(de)致动器将其变形为必要的(de)形状。 有(you)多种选择,从反(fan)(fan)射(she)膜后面(mian)的(de)机(ji)械(xie)致动器柱来塑造膜,到磁铁(tie)或压电(dian)元件来改变镜面(mian)轮(lun)廓。

驱动器数量(liang):

驱(qu)动(dong)器的数量(liang)决(jue)定了镜(jing)片可以产(chan)生(sheng)的独特形(xing)状的质量(liang)和数量(liang)。 随着驱(qu)动(dong)器数量(liang)的增加,变形(xing)的多(duo)功(gong)能性也在增加。 通(tong)常(chang),驱(qu)动(dong)器的数量(liang)从几(ji)十到几(ji)百不等(deng)。

尺寸:

可变形反射镜的直(zhi)径范围(wei)可以从几毫米(mi)到数百厘米(mi)。 它们的尺(chi)寸范围(wei)使其成(cheng)为微观(guan)和(he)宏观(guan)应(ying)用的理想选择。

应(ying)用实例


自(zi)适(shi)(shi)(shi)应(ying)(ying)光学(xue)(xue)(xue)用于许多成像(xiang)和(he)非(fei)成像(xiang)应(ying)(ying)用,包括 3D 成像(xiang)、视觉(jue)和(he)生物医学(xue)(xue)(xue)应(ying)(ying)用。 3D 成像(xiang)使(shi)用可变形(xing)反射镜(jing)(jing)来增加(jia)深(shen)度范围,创建更真实的(de)(de) 3D。在(zai)视觉(jue)应(ying)(ying)用中,自(zi)适(shi)(shi)(shi)应(ying)(ying)光学(xue)(xue)(xue)用于机(ji)器人视觉(jue)和(he)监控摄像(xiang)头(tou)(tou),以提供实时(shi)或远距离(li)成像(xiang)。在(zai)显微镜(jing)(jing)中,自(zi)适(shi)(shi)(shi)应(ying)(ying)光学(xue)(xue)(xue)校正静态(tai)镜(jing)(jing)头(tou)(tou)中的(de)(de)像(xiang)差(cha)。包括眼(yan)科在(zai)内的(de)(de)生物医学(xue)(xue)(xue)应(ying)(ying)用使(shi)用自(zi)适(shi)(shi)(shi)应(ying)(ying)光学(xue)(xue)(xue)来克(ke)服由(you)人眼(yan)玻璃体液引起的(de)(de)像(xiang)差(cha),以捕获高分(fen)辨率(lv)的(de)(de)视网膜图像(xiang),或增加(jia)光学(xue)(xue)(xue)相干断层扫描的(de)(de)扫描深(shen)度。

自适应(ying)光学器件也可用于多种非成(cheng)像应(ying)用,包括激(ji)光材料加工(gong),可用于控制激(ji)光束形状和尺寸以提高精度。

自(zi)(zi)适(shi)应(ying)光学器(qi)件非常适(shi)合校正成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)和非成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)应(ying)用中(zhong)(zhong)的(de)光束整形中(zhong)(zhong)的(de)波(bo)(bo)前(qian)畸变(bian)。任何自(zi)(zi)适(shi)应(ying)光学系(xi)(xi)统(tong)中(zhong)(zhong)的(de)关键光学组件都是可变(bian)形反(fan)射镜(jing)和波(bo)(bo)前(qian)传感器(qi)。当在开环(huan)系(xi)(xi)统(tong)中(zhong)(zhong)使用时,这些自(zi)(zi)适(shi)应(ying)组件可以塑造激光,或通过(guo)像(xiang)(xiang)(xiang)差校正来(lai)增强成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)性(xing)能。如(ru)果简单的(de)开环(huan)控制(zhi)不能产(chan)生所需的(de)性(xing)能,请考虑在闭环(huan)控制(zhi)系(xi)(xi)统(tong)中(zhong)(zhong)将自(zi)(zi)适(shi)应(ying)元(yuan)件与(yu)波(bo)(bo)前(qian)传感器(qi)配对。使用 Iris AO 自(zi)(zi)适(shi)应(ying)光学套件开始探索自(zi)(zi)适(shi)应(ying)系(xi)(xi)统(tong)带来(lai)的(de)性(xing)能改进。


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