自适应光学工作原理及应用

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摘要：自适应光学系统是很多现代光学系统中用于解决波前畸变有良好的效果，在很多方面有广泛的应用，本文主要通过介绍自适应光学的定义，工作原理总体概况论述自适应光学，而后从自适应光学系统的三个组成及波前传感器，波前控制法，波前校正器以及后期的图像复原算来详细介绍自适应光学系统，对自适应光学的发展状况以及面临的问题有一定的了解，最后，总结了自适应光学在诸多领域的应用情况来了解自适应光学的发展趋势。
关键字：自适应光学；波前传感器；波前校正器；自适应光学图像复原；自适应光学应用
一、引言
自适应光学是在1953年由HoraceW.Babcock提出，主要构想是用闭环校正波前误差来补偿天文视宁度1。但是知道上个世纪九十年代，随着计算机技术的大幅发展，自适应光学才得以得到普遍的使用.在冷战期间美国曾经使用自适应光学技术来追踪苏联的卫星，从而极大地促进了自适应光学技术的发展。
自适应光学是为了消除波前畸变，提高光学系统对于环境的适应能力，得到更好的成像效果。它的主要工作原理就是通过波前传感器计算光学像差，输出到波前控制器，由波前控制器进行处理转换成为波强校正器的输入，从而调节镜面的面形，补偿波前畸变来实现更好的成像效果。
自适应光学所利用到的基本光学原理是相位共轭.由波前传感器测量的光场是一个存在相位误差的光场，可以表示为：

而自适应光学系统通过共轭调制得到的光场为：

从而使的具有波前畸变的光场成为平面波，得到分辨率更高的像，提高成像效果。
二、波前传感器
1.波前传感器是用来测量光场中的相位误差，提供实时的电压控制信号给波前校正器，获得接近衍射极限的图像。波前传感器主要有四种：ShackHartmannWavefrontsensor，WavefrontCurvaturesensor，点衍射干涉仪。横向剪切干涉仪等等.点衍射干涉仪可以直接测量波前相位，横向剪切干涉仪和Shack-HartmannWavefrontsensor可以通过测量斜率，在通过算法得到波前相位。波前曲率传感器通过测量光场的曲率得到光场的相位。
2.Shack-HartmannWavefrontsensor工作原理

Figure1哈特曼波前传感器结构图
Shack-HartmannWavefrontsensor是由前面的lens和后面的CCD探测器阵列组成，光场通过lens投影到各个CCD阵列上面的进行成像，从而得到各个光斑重心相对于参考位置的偏移量，偏移量与透镜焦距的比值即为在小孔前面的光波的分别在x方向和Y方向的平均斜率4.Shack-HartmannWavefrontsensor是多数自适应光学系统的波前检测传感器，主要是因为其光能利用率高，动态测量范围较大，结构简单，但也存在空间分辨率限制和模式截断误差和模式混淆误差。
3.其他波前传感器的工作原理和优缺点
横向剪切干涉仪利用光栅衍射效应的波前横向剪切干涉图样测得相位分布，主要的优点是能够得到较高的信噪比，能够在白光条件下工作，但是光能利用率较低，对于非对称的波前畸变的测量有较大的误差，主要用于强光信号系统。
波前曲率传感器直接测量波前的相位信息，并且可以直接驱动波前校正器，提高系统的信号处理速度，但是对高阶像差的测量精度较低，故只适用于低阶像差信号系统的测量。
点衍射干涉仪是将光束聚焦在中心位置有针孔的半透明掩模板上，被测光束的相位信息会出现在波面和针孔衍射的干涉图中.优点是抗干扰性较好，对相干性要求不高，但同样是由于光能的利用率较低，所以只能适用于光强信号较强的系统。
4.光学波前传输的模拟方法
光学系统的波前模拟主要有四种方法：Zernike多项式K-L函数展开法，Fourier法，小波方法以及ARIMA法.Zernike法适合于圆形域的波前模拟，小波方法计算量较大，无法满足实时性要求.Fourier方法在长时间模拟过程中有很大的不足.故以Zernike方法是现在自适应光学系统应用最为广泛的方法。
三、波前控制器
1.波前控制器相当于计算机中的CPU，能够实现实时处理波前传感器的信号，重构波前相位关系，并且提供控制信号控制波前校正器调整面形，从而实现波前校正，要求能够实时处理波前传感器的信号，要求波前控制器有强大的信号处理能力，简便的算法等等。
2.波前控制器实时性要求（针对Shack-HartmannWavefrontsensor）：要求波前控制器在Shack-HartmannWavefrontsensor第N+1帧输出结束之前完成对第N帧图像的处理.即是意味着波前控制器的运算延时必须小于CCD的采样周期.
3.波前重构过程中的算法研究问题
波前重构的任务就是利用Shack-HartmannWavefrontsensor测量得到的率数据恢复成为波前相位，在波前重构过程中要考虑到实时性要求，高度要求，故在算法研究上着重与减少算法的复杂度和运算量.在波前重构中区域法和模式法是应用较为广泛的研究方法，利用区域法和模式法进行波前重构最终都会归结到高维多元一次线性方程的求解，而求解线性方程主要有直接法（主要以SVD分解法）和迭代法(Krylov空间法).在一般情况下，波前重构综合这几种方法来提高计算速度，但在超大型的光学系统中，CCD单元数量较多的情况下，重构波前采用区域迭代法来满足实时性要求。
四、波前校正器
4.1.波前校正器原理及分类
波前校正器接受波前控制器的输出信号通过电压信号改变面形从而改变光程或者改变传输媒介的折射率以校正相位.目前波前校正器主要有一下几种类型：分离促动器连续表面变形镜，拼接子镜变形镜，薄膜变形镜，双压电片变形镜，微电子机械系统（MEMS）变形镜等等。
4.2.各种波前校正器的原理及发展状况
4.2.1.分离促动器连续表面变形镜
分离促动器连续表面变形镜由镜面薄片，基底以及促动器构成，促动器主要有压电促动器（PZT），伸缩促动器(PMN).其工作原理是通过促动器接受电压信号，从而引起其长度的改变达到改变面形目的，实现波前校正。
在设计过程中为满足变形量，拟合能力和面形误差等要求有很多的设计要求。
分离促动器连续表面变形镜凭借其高响应速度，高可靠性，对波像差拟合能力较好等优点在天文望远镜，激光大气传输等领域应用较多。
4.2.2.薄膜反射镜
薄膜反射镜是以薄膜为基坯，依靠静电力，气体压力等外力对薄膜面形进行变形及维持，主要有静电拉伸式，充气式，电子枪控制压电薄膜等等7。
薄膜反射镜由于面密度较低，易于折叠展开，制造成本较低等诸多优点，但也存在面型控制，反射镜支撑结构上面的难点。主要运用在超轻量，超大口径的空间反射镜中.在未来随着科学技术的发展可能会在太空望远镜，侦察相机等方面得到应用。
4.2.3.MEMS变形镜
MEMS变形镜是用类似于电子芯片光刻技术制成的多个微小校正单元的变形镜，有两种制作方法，一种是类似于薄膜变形镜的校正器，一种是类似于分离促动器变形镜。MEMS变形镜优点有成本较低，驱动器的稳定性和移动性较好，但也存在一定的问题，如静电驱动pull-in现象使得校正行程有限，难以集成控制等等问题，更为广泛的应用还需要进一步的处理和研究，现在MEMS自适应光学成像系统在眼科（如文献8中利用MEMS变形镜构建了视网膜成像自适应光学系统），以及很多高分辨率成像系统中。
五、自适应光学应用
自适应光学是可以用来实时测量，校正由于大气湍流以及各种成像介质所带来的波前畸变，提高成像分辨率的光学新技术。目前在天文观测，激光传输系统，空间目标探测，人眼视网膜成像方面有很广泛的应用。
5.1.自适应光学在天文观测中的应用
自适应光学系统在天文观测中主要是通过校正大气湍流所引起的波前误差。从自适应光学的发展历程中可以得知天文观测以及空间目标探测有着长久的技术积累，特别是在美国的军方方面，如美国的空军毛伊岛光学站5，在美国的毛伊岛光学站有一台口径为3.67m的自适应光电系统，以及NASA的哈勃，韦伯望远镜都采用了自适应光学技术。欧洲的南方天文台也利用自适应光学系统进行天文观测，可以用来分辨天文中的双星系统。
5.2自适应光学在人眼视网膜成像方面的研究
人眼的结构构成复杂，存在动态像差，虽然现在的显微成像技术如荧光素眼底血管造影，光学相干层析技术能够使分辨能力达到10-40um，但是由于动态像差的存在仍然无法观测视网膜细胞的情况。为了对视觉病理做更深层次的研究，观察视网膜细胞便成为最为有效的方法，中国科学院光电技术研究所利用自适应光学技术，测量了感光细胞的密度，以及得到了视网膜血管的高分辨率拼图。深圳大学光电子研究所屈乐军通过自适应技术得到了视网膜单细胞图像.Vienna大学和Murcia大学将自适应光学技术与光纤相干层析技术的结合运用，得到了高分辨率的视网膜图像。
利用自适应光学成像，提供了视网膜细胞结构的高分辨率图，为病理研究提高了很多的依据，如解释了色盲产生的原因.并且在很多临床方面也有很多的应用，如对青光眼进行诊断，也可以由视网膜的肿胀情况判断是否有糖尿病等等。
5.3.波前校正在生物医学成像上的应用
波前校正在生物医学成像方面主要有深层次组织成像，超声辅助浑浊介质聚焦，基于光纤成像，宽市场成像等等，为生物医学成像这一块有巨大的技术推进。
六、结语
自适应光学从提出到现在的发展中已经有几十年的时间了，其巨大的应用价值已经体现出来，虽然仍然存在一些性能上面的问题，如处理速度，分辨率不够高，信噪比等等问题，但是相信随着波前控制器的处理速度不断的提高，变形镜的单元数目的增多，未来自适应光学必定会在光学成像系统中占领自己的一篇天地。
参考文献
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