【激埃特光电】自适应光学工作原理及应用(一)

2020-10-08 10:37:32

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 Horace W. 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：ShackHartmann Wavefront sensor，Wavefront Curvature sensor，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-Hartmann Wavefront sensor 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-Hartmann Wavefront sensor 工作原理

Figure 1 哈特曼波前传感器结构图

Shack-Hartmann Wavefront sensor 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-Hartmann Wavefront sensor 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-Hartmann Wavefront sensor）：要求波前控制器在 Shack-Hartmann Wavefront sensor 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-Hartmann Wavefront sensor 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。

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