智能光学发展问题研究

高鹏

【摘 要】所谓“智能光学”，指的是基于自适应光学、主动光学而逐步发展起来的一种“新兴概念”。在本文中，对“智能光学”这一概念的提出、发展这一过程加以相应的介绍，并有效地对“智能光学”所具备的概念和范畴加以进一步扩展和明确。总结和评述其应用现状、技术基础之类诸多方面，主要包括智能光学系统、动态光学探测技术、动态光学调制技术之类层面，涉及了生物医学、空间、军事、天文等领域中获得应用的激光器、显微镜、望远镜等光学设备及其背后的系统。最后则对智能光学的应用前景、未来发展做出了相应的展望。

【关键词】智能光学；应用前景；发展

0 引言

随着目前光学应用领域越来越向智能化、灵活性、高精度、宏/微观尺度的方向发展，从严格意义上来说，光学系统已经不再类属“静态系统”，故而以传统静态认识为基础的技术体系已经不能和现代光学的要求相互适应。近段时间“智能光学”概念被提出并获得了相应的发展之后，使得研究者获得了能够从动态系统这一层面对现代光学系统所拥有的技术途径有一个重新认识。

1 动态光学调制技术

1.1 波前动态调制技术

光学组件中可以形成“波前动态调制”者可称为“波前调制器”，一般情况下其多在波前相位调制中应用，同时也可作为波前幅度调制的工具，为数不少的波前调制器又能够同时实现幅度、相位两者的调制。而波前调制器多借助于“促动器阵列+反射镜”这一结构形式来对其加以实现，依据拼接镜面和整体镜面的划分标准能够将之进一步划分成“分立”和“连续”两种不同的结构形式。截至如今，自适应光学、主动光学之类层面“出场率”颇高的促动器类型包括微机电促动器、压电促动器、机电促动器、压力促动器以及其他类型的各种空间光调制器。

1.2 其他动态调制技术

光强动态调制能够借助于空间光调制器——包括液晶空间光调制器、数字微镜阵列之类，多被用作光学系统中的投影显示等多方面领域。一般来说，上述调制器多以“分立式结构”为主，而在光强调制方面同样可以就借助于分立式波前调制器开展活动。对于液晶调制器中涉及光强调制者，则可采取反射或透射形式，不仅可以采取向列液晶材料，还可以用铁电等液晶材料作为主体。

2 动态光学探测技术

2.1 光瞳面波前探测技术

所谓“光瞳面波前探测”，指的是动态探测光学系统光瞳面位置上的诸多波前信息——这也是波前探测器类型中最为常用者，包括全息波前探测器、角锥波前探测器、横向剪切干涉仪、夏克哈特曼品牌的波前探测器之类，哈特曼波前探测器是主要以微透镜阵列取代原有的哈特曼模板，由此来改善传统的“哈特曼技术”，广泛应用于激光质量测量、光学检测、自适应光学、主动光学等各种领域。夏克哈特曼波前探测器的主要构成元素是光电传感器、微透镜阵列二者，借助于对局部波前斜率的探测和相应的波前重构来完成波前探测活动。

2.2 焦面波前探测技术

所谓“焦面波前探测”，指的是对波前信息在光学系统焦面位置上开展动态探测，其主要内容包括相位差异、相位提取等。而两者均为以光学系统为基础的焦面图像，借助于“模式”、“区域”之类形式，以“非线性优化”的形式完成波前重构，并且在图像恢复方面依旧可以用上重构的波前信息。而两者的不同之处是相位提取只可以波前探测一些点目标，相位差异又能够波前探测扩展目标。

3 能光学系统

3.1 主动光学系统

该系统一般都会用在反射式、大口径望远镜中，一般用于校正/补偿望远镜主镜出现的各种波前畸变，故而主动光学系统有必要设计和定制相应的望远镜主镜形状、材料之类特性。已依据望远镜主镜所表现出的结构形式，可以将主动光学系统进一步划分为“拼接”和“整体”两种镜面类型，各种形式的主动光学系统中的各种控制器、波前探测器、“动态支撑机构”等结构都有着不小的区别。

截至如今，大口径望远镜已经必须拥有主动光学这一“必备技术”，地基大口径望远镜主镜面形、外部环境因素往往都要用主动光学技术加以克服。随着天基望远镜口径的增大，主动光学技术也在其中获得了应用，如很多空间望远镜中都有着颇为复杂的主动光学系统拼接镜面。

3.2 自适应光学系统

这一系统一般用在控制波前信息中可以用波前校正器波前探测器加以实时探测者。然而在很多应用场合——如显微镜系统、如强湍流大气环境中，经常会难以有效探测波前信息。无波前探测自适应光学技术往往能够借助于度量信息中来自图像中提取者来闭环控制波前校正器，而SPGD （随机并行梯度下降）之类一系列技术则能够实现闭环校正可利用接收光强能量中的各种变化信息。因为能量变化信息、图像度量信息往往没有没有直接对应波前的情况，此类形式多借助于开展非线性优化技术波前重构。最早的自适应光学系统是用于大气湍流补偿地基望远镜成像这一领域，也可实时校正波前畸变。如今，自适应光学已经成为了标准的大气湍流波前畸变的补偿技术，并普遍应用于地基望远镜且向其他领域逐渐扩展。

对于航空光学系统而言，共形光学可以和自适应光学相互结合，将湍流补偿加以实现。而在光学显微镜这一系统之内，波前畸变中来自于样品者往往可以借助于自适应光学加以校正，从而将样本清晰成像。在光学系统中用于眼底成像者方面，其可以有效矫正眼睛的波前畸变，将视网膜图像清晰化。

自适应光学在高功率激光系统中能够对激光器波前畸变借助于输出光束整形来补偿之，又能够对波前畸变中源于光束传播路径中各种形式的大气湍流中发射引起者加以“预补偿”。同时在收发光学系统中自由空间激光通信而言，波前畸变中传播路径中大气湍流造成者可以借助于自适应光学获得预补偿，降低光束能量误码率。

4 结语

截至如今，在“智能光学”这一概念领域当中，至今没有形成明确、统一的认识，动态探测技术和智能光学的动态调制至今依旧处于进一步发展的过程中，并且也逐步与其他领域的技术融合，“智能光学系统”的应用范围依旧在日趋向纵深发展，同时又不断出现各种形式的新应用。借助于如今这一领域的发展趋势，不难看出在现代光学系统中，“智能光学技术”必然会进一步起到越来越重要的作用，与此同时更能够在一系列新的领域中获得越来越广泛的相应层面应用。

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[责任编辑：王伟平]