自适应光学和可变形反射镜简介

自适应光学和可变形反射镜简介

在光学系统中，组件未对准、元件缺陷或像差会在内部降低性能，而热量和大气会从外部降低性能。 尽管精心设计光学系统可以减少这些问题，但性能损害可能太严重而无法用传统方法解决。 例如，在天文摄影这个难以控制大气扰动等外部因素的领域，使用主动方法来校正性能。 宏观天文学应用和微光学应用的关键是自适应光学 (AO) 元件，包括可变形反射镜，如 Iris AO 111 驱动可变形反射镜。

了解波前

自适应光学 (AO) 是一种通过操纵光波前来增强光学系统性能的技术。与非自适应系统相比，这提高了最终输出，提高了性能。波前定义为与通过所有具有相同相位的点的传播波相关联的表面。未失真的波前通常是平面或球面的，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个点，将平面波前转换为球面波前，如图 1 所示。

使用具有自适应光学元件（如可变形反射镜）的主动方法来操纵波前，可以精确控制波前的形状。这种非自适应元件无法实现的精确和“可编程"控制导致许多光学系统性能的显着提高。这就是为什么在广泛的成像和非成像应用中采用自适应光学来减少像差、提高图像质量或塑造激光束的原因。

图 1：平凸 (PCX) 透镜将平面波前变为球面波前

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前。 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。 通过引入正确的反射镜形状，可以改善失真的输入波前，如图 2 所示。

图 2：可变形反射镜校正扭曲的波前

镜面形状可以从一组预先计算或存储的形状中导出，即开环控制，或者可以根据波前传感器的反馈计算并在闭环控制中运行。

一个简单的开环自适应光学成像系统如图 3a 所示。 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。 例如，控制系统以开环方式运行并且可以应用预定的镜面形状来校正不同类型的像差。 该系统还可用于将已知的光学像差引入系统，以了解它们对系统性能的影响。

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前传感器上，如图 3b 所示。 来自该传感器的信息用于计算校正任何波前畸变所需的镜面形状。 然后这些数据被反馈到镜片的控制系统，进而改变镜面的形状。 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该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以闭环配置运行，使用来自波前传感器的反馈来控制反射镜形状。

一种常见类型的波前传感器是 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，当平面波前入射到传感器上时，每个小透镜将光聚焦在 放置在小透镜阵列焦平面上的阵列中的预定义像素集。 当扭曲的波前入射到微透镜阵列上时，焦点位于与每个小透镜相关联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，可以表征入射到波前传感器上的波前的形状。 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：Shack Hartmann 波前传感器基本工作原理示意图

关键自适应光学参数

表面类型、分段膜与连续膜、驱动技术、驱动器数量、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适合感兴趣的应用的自适应光学元件。 以下总结了为给定应用选择可变形反射镜时要考虑的四个关键自适应光学参数。

表面类型：

可变形反射镜可以是分段的或连续的。 分段式反射镜有许多可以单独控制的较小的反射镜部分。 段数越多，镜面形状的控制就越精确。 连续膜镜由一个表面组成，可以在不同的位置变形。

驱动技术：

分段可变形反射镜具有由致动器使用活塞尖倾斜值或 Zernike 系数定位的分段。 精密线性开环活塞尖倾斜定位可实现高性能自适应光学校正。 *独立的段定位能够实现自适应光学、相控阵、光束整形、光纤耦合和许多其他应用。

连续表面可变形反射镜使用反射面后面的致动器将其变形为必要的形状。 有多种选择，从反射膜后面的机械致动器柱来塑造膜，到磁铁或压电元件来改变镜面轮廓。

驱动器数量：

驱动器的数量决定了镜片可以产生的*形状的质量和数量。 随着驱动器数量的增加，变形的多功能性也在增加。 通常，驱动器的数量从几十到几百不等。

尺寸：

可变形反射镜的直径范围可以从几毫米到数百厘米。 它们的尺寸范围使其成为微观和宏观应用的理想选择。

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 成像使用可变形反射镜来增加深度范围，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，以提供实时或远距离成像。在显微镜中，自适应光学校正静态镜头中的像差。包括眼科在内的生物医学应用使用自适应光学来克服由人眼玻璃体液引起的像差，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。

自适应光学器件也可用于多种非成像应用，包括激光材料加工，可用于控制激光束形状和尺寸以提高精度。

自适应光学器件非常适合校正成像和非成像应用中的光束整形中的波前畸变。任何自适应光学系统中的关键光学组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，或通过像差校正来增强成像性能。如果简单的开环控制不能产生所需的性能，请考虑在闭环控制系统中将自适应元件与波前传感器配对。使用 Iris AO 自适应光学套件开始探索自适应系统带来的性能改进。