自適應光學和可變形反射鏡簡介

自適應光學和可變形反射鏡簡介

在光學系統中，組件未對準、元件缺陷或像差會在內部降低性能，而熱量和大氣會從外部降低性能。 盡管精心設計光學系統可以減少這些問題，但性能損害可能太嚴重而無法用傳統方法解決。 例如，在天文攝影這個難以控制大氣擾動等外部因素的領域，使用主動方法來校正性能。 宏觀天文學應用和微光學應用的關鍵是自適應光學 (AO) 元件，包括可變形反射鏡，如 Iris AO 111 驅動可變形反射鏡。

了解波前

自適應光學 (AO) 是一種通過操縱光波前來增強光學系統性能的技術。與非自適應系統相比，這提高了最終輸出，提高了性能。波前定義為與通過所有具有相同相位的點的傳播波相關聯的表面。未失真的波前通常是平面或球面的，可以通過使用常見的光學元件來改變。例如，正透鏡將準直光聚焦到一個點，將平面波前轉換為球面波前，如圖 1 所示。

使用具有自適應光學元件（如可變形反射鏡）的主動方法來操縱波前，可以精確控制波前的形狀。這種非自適應元件無法實現的精確和“可編程"控制導致許多光學系統性能的顯著提高。這就是為什么在廣泛的成像和非成像應用中采用自適應光學來減少像差、提高圖像質量或塑造激光束的原因。

圖 1：平凸 (PCX) 透鏡將平面波前變為球面波前

自適應光學元件和系統

自適應光學通過使用在施加外部控制信號時改變形狀的光學元件來校正波前。 可變形反射鏡是一種具有可控反射表面形狀的自適應元件。 通過引入正確的反射鏡形狀，可以改善失真的輸入波前，如圖 2 所示。

圖 2：可變形反射鏡校正扭曲的波前

鏡面形狀可以從一組預先計算或存儲的形狀中導出，即開環控制，或者可以根據波前傳感器的反饋計算并在閉環控制中運行。

一個簡單的開環自適應光學成像系統如圖 3a 所示。 該系統由可變形反射鏡、反射鏡控制電子設備、成像傳感器和傳統光學元件組成。 例如，控制系統以開環方式運行并且可以應用預定的鏡面形狀來校正不同類型的像差。 該系統還可用于將已知的光學像差引入系統，以了解它們對系統性能的影響。

圖 3a：使用在開環控制中運行的可變形反射鏡的自適應光學系統

更復雜的系統采用能夠表征入射波前形狀的波前傳感器（如下所述）。 分束器放置在光路中，用于將部分光反射到波前傳感器上，如圖 3b 所示。 來自該傳感器的信息用于計算校正任何波前畸變所需的鏡面形狀。 然后這些數據被反饋到鏡片的控制系統，進而改變鏡面的形狀。 該系統是一個閉環系統，可以連續采樣和測量波前質量并反饋該信息以控制鏡面形狀。

圖 3b：自適應光學系統中的可變形反射鏡以閉環配置運行，使用來自波前傳感器的反饋來控制反射鏡形狀。

一種常見類型的波前傳感器是 Shack Hartmann 波前傳感器。 該傳感器由安裝在 CCD 或 CMOS 探測器陣列前面的微透鏡陣列制成，如圖 4 所示。如圖 4a 所示，當平面波前入射到傳感器上時，每個小透鏡將光聚焦在 放置在小透鏡陣列焦平面上的陣列中的預定義像素集。 當扭曲的波前入射到微透鏡陣列上時，焦點位于與每個小透鏡相關聯的像素內的不同位置，如圖 4b 所示。 通過分析探測器陣列上各個點的位置，可以表征入射到波前傳感器上的波前的形狀。 該信息可用于確定校正失真所需的可變形鏡面的形狀。

圖 4：Shack Hartmann 波前傳感器基本工作原理示意圖

關鍵自適應光學參數

表面類型、分段膜與連續膜、驅動技術、驅動器數量、涂層類型和光學元件尺寸是關鍵的自適應光學參數。 了解這些參數使用戶能夠選擇適合感興趣的應用的自適應光學元件。 以下總結了為給定應用選擇可變形反射鏡時要考慮的四個關鍵自適應光學參數。

表面類型：

可變形反射鏡可以是分段的或連續的。 分段式反射鏡有許多可以單獨控制的較小的反射鏡部分。 段數越多，鏡面形狀的控制就越精確。 連續膜鏡由一個表面組成，可以在不同的位置變形。

驅動技術：

分段可變形反射鏡具有由致動器使用活塞尖傾斜值或 Zernike 系數定位的分段。 精密線性開環活塞尖傾斜定位可實現高性能自適應光學校正。 *獨立的段定位能夠實現自適應光學、相控陣、光束整形、光纖耦合和許多其他應用。

連續表面可變形反射鏡使用反射面后面的致動器將其變形為必要的形狀。 有多種選擇，從反射膜后面的機械致動器柱來塑造膜，到磁鐵或壓電元件來改變鏡面輪廓。

驅動器數量：

驅動器的數量決定了鏡片可以產生的*形狀的質量和數量。 隨著驅動器數量的增加，變形的多功能性也在增加。 通常，驅動器的數量從幾十到幾百不等。

尺寸：

可變形反射鏡的直徑范圍可以從幾毫米到數百厘米。 它們的尺寸范圍使其成為微觀和宏觀應用的理想選擇。

應用實例

自適應光學用于許多成像和非成像應用，包括 3D 成像、視覺和生物醫學應用。 3D 成像使用可變形反射鏡來增加深度范圍，創建更真實的 3D。在視覺應用中，自適應光學用于機器人視覺和監控攝像頭，以提供實時或遠距離成像。在顯微鏡中，自適應光學校正靜態鏡頭中的像差。包括眼科在內的生物醫學應用使用自適應光學來克服由人眼玻璃體液引起的像差，以捕獲高分辨率的視網膜圖像，或增加光學相干斷層掃描的掃描深度。

自適應光學器件也可用于多種非成像應用，包括激光材料加工，可用于控制激光束形狀和尺寸以提高精度。

自適應光學器件非常適合校正成像和非成像應用中的光束整形中的波前畸變。任何自適應光學系統中的關鍵光學組件都是可變形反射鏡和波前傳感器。當在開環系統中使用時，這些自適應組件可以塑造激光，或通過像差校正來增強成像性能。如果簡單的開環控制不能產生所需的性能，請考慮在閉環控制系統中將自適應元件與波前傳感器配對。使用 Iris AO 自適應光學套件開始探索自適應系統帶來的性能改進。