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谈谈智能光学发展现状

发布时间：

2021-09-15

智能光学(Smart Optics or Intelligent Optics)，是传统光学与现代计算机系统相结合的产物。智能光学集新材料、计算机信息、电子、紧密加工等现代技术于一体，极大地扩展了传统光学系统应用领域。智能光学以自适应光学和主动光学技术为基础，与微电子学、信息光学、光电子学等学科领域有着紧密的联系——智能光学与相关学科相互促进、共同发展。

　　1 智能光学的概念

　　国外科学家(Greenaway)将智能光学定义为能够实现动态调整的光学技术和组件。智能光学是一项不断发展的概念，其最初是建立在自适应光学和主动光学上的一项技术——以反射光学组件为主要设备进行波前相位的动态调制。这里将对自适应光学和主动光学进行简单介绍。

　　1.1 自适应光学

　　在介绍自适应光学技术前，先对“大气湍流”的概念进行简单介绍。大气湍流实质上是大气中的一种运动形式，由于大气湍流的存在，大气中的水气、热量、动量以及污染物的水平和垂直交换作用得到了极大地增强，而这种运动强度增大趋势远大于分子运动强度的程度。我们知道，大气属于光波的传输媒介之一，光波在大气当中传播时，由于受到大气湍流的影响，进而产生波前畸变(波前在经过传输介质传输后发生了变化)。自适应光学技术应用旨在补偿因大气湍流或其他因素导致的波前畸变。当前，自适应光学主要在智能光学中起到利用变形镜实现高速、小幅波前调制的重要作用。

　　1.2 主动光学

　　主动光学属于一种波面校正技术，其旨在校正望远镜光学系统及其支架受到温度、重力等因素引起的变形。除大气湍流的影响外，诸如温度、压力、重力等因素都可能会导致望远镜的正常观测受到干扰(波前产生形变)，通过主动光学技术，可以控制计算机触动器根据波前形变情况调整自身的工作状态，以实时监测并及时消除波前形变。简而言之，主动光学是通过望远镜内置的“改正仪”主动改变镜面形状以提高像质的技术。

　　随着智能光学的进一步发展，建立在适应性光学和主动光学上的智能光学的概念也得到了进一步补充，即具有可动态调整、可自动控制和可测量能力的光学技术、组件和系统。现阶段，折射衍射光学组件以及光电子组件等也被广泛应用于测控、调制波前相位的过程中;而动态调整光学组件在智能光学中应用，则进一步扩大了光学系统的功能，实现了对波前幅度、偏振、波频率、光强等参数的调制和测控。智能光学进一步推动了传统光学的发展，对于一些设计复杂、常规加工难以实现的光学系统，利用智能光学可以有效地简化光学系统的设计，同时提高光学系统的性能。智能光学在天文、军事、医学等领域都有着广泛的应用。

　　2 动态光学调制

　　上文已经提到，波前畸变是一个影响光学成像的重要因素，智能光学系统中的自适应光学技术和主动光学技术都是为了实现对波前畸变的校正或补偿。动态光学调制作为智能光学的核心技术之一，其也是为了校正或补偿波前畸变，从而提高光学系统的性能。这里以波前畸变的调制(校正或补偿)为重点，介绍几种常用的动态光学调制技术。

　　2.1 波前动态调制技术

　　波前调制器是实现波前动态调制技术的核心光学组件，其用于对波前相位或波前幅度进行调制(某些波前调制器兼具波前相位和波前幅度调制的功能)。波前调制器通常由反射镜和促动器(二者组合为阵列)构成，根据反射镜拼接镜面和整体镜面的不同结构，可以将波前调制器分为分立和连续两种形式。自适应光学和主动光学常用的促动器包括机电促动器、压力促动器、压电促动器以及微机促动器等。

　　自适应光学技术用于高速、小幅的波前调制，其波前调制器(也称之为波前校正器)对精度的要求比较高。自适应光学常用的波前调制器有微机电变形镜、电磁变形镜、压电变形镜以及液晶空间光调制器等。当前，自适应光学波前调制器正朝向高密度、集成化、大幅度调制发展。提高促动器的密度能够有效降低实现校正波前畸变的难度，但其会降低调制幅度。

　　主动光学技术多应用于大口径的反射式望远镜，其能够实现低速、大幅的波前调制，因而需要较强的支撑力。机电促动器和压力促动器是构成主动光学动态支撑结构的主要单位，其起到为主动光学动态支撑结构提供足够支撑力的作用。

　　2.2 其他动态调制技术

　　光强动态调制技术：光强动态调制技术主要依赖于空间光调制器实现，应用于投影显示光学领域。光强动态调制使用的调制器一般为分立的结构。

　　光谱动态调制：光谱动态调制，其主要利用声光调谐滤波器和液晶调谐滤波器对光谱进行动态滤波。这项技术在许多光学系统(如显微成像、遥感成像等领域)中有着极为广泛的应用。声光调谐滤波器的响应速度较高，但其像质相对不足;液晶调谐滤波器的像质较高，但其相应速度较低。

　　3 动态光学探测

　　基于波前相位和光强信息的光学特性对光学调制进行动态控制。光强动态控制和波前动态控制得以实现的基础是各种光电传感器。例如，光电倍增管、雪崩二极管、光电耦合器件等。光电传感器可实现对光强信息的直接探测;光电传感器与其他光学器件可组成波前探测器，用以探测波前信息。根据波前探测器波前探测位置的不同，可以将其分为光瞳面波前探测器和焦面波前探测器两类;根据波前重构过程的不同，可以将其分为线性波前探测器和非线性波前探测器两类。

　　4 智能光学系统

　　综上所述，我们可以将智能光学系统定义为：具有动态光学调制或(和)动态光学探测功能的、能够根据光学特性进行动态控制的光学系统。当前，智能光学系统的动态控制功能可以分为开环控制和闭环控制两类，开环控制系统主要包括调制器和控制器两部分;闭环控制系统主要包括调制器、探测器、控制器三部分。智能控制系统可以分为自适应控制系统和主动控制系统两类。

　　自适应控制系统主要利用波前探测器获取到的波前信息反馈给波前校正器以实现调制功能。但需要指出的是，应用于显微系统或者是大气湍流过强的环境中时，波前探测器会受到较为严重的干扰以至于不能准确获取波前信息。自适应光学系统主要应用于补偿地基式望远镜成像过程中的大气湍流，调制(校正)变化速度较快的波前畸变。

　　主动光学系统主要应用于反射式、大口径望远镜中，用以调制望远镜主镜的波前畸变。当前，主动光学已经成为了大口径望远镜所必备的一项重要技术。随着望远镜口径的不断增大，一些天基望远镜也开始采用主动光学技术改善像质。例如，著名的詹姆斯·韦伯空间望远镜采用了复杂拼接镜面主动光学系统获得了较为理想的像质。

　　参考文献

　　1.王建立，刘欣悦.智能光学的概念及发展.中国光学， 2013，6(4)：437-448.

　　2.高鹏.智能光学发展问题研究.科技视界，2016(17)： 16.

　　3.徐凯.自动光学检测设备在智能化发展中的重要作用.中国高端smt学术会议，2015.

　　4.刘闯.浅析传统光学仪器向现代光学仪器转变的原因. 科技致富向导，2014(14)：232.