光(guang)(guang)學基礎知識大講堂(tang) 自適(shi)應光(guang)(guang)學

我(wo)們的(de)(de)(de)(de)日常生活中存在著(zhu)(zhu)各種各樣的(de)(de)(de)(de)光(guang)學(xue)(xue)系統(tong)(tong)，小(xiao)到一個透鏡(jing)、一副近視眼(yan)(yan)(yan)鏡(jing)，大到顯(xian)微鏡(jing)、攝像機、望(wang)遠鏡(jing)等(deng)等(deng)，這(zhe)(zhe)些(xie)大小(xiao)不一的(de)(de)(de)(de)產(chan)品正(zheng)發揮(hui)著(zhu)(zhu)越來越重要(yao)的(de)(de)(de)(de)作用。但是，經常出現(xian)這(zhe)(zhe)樣的(de)(de)(de)(de)情況，以近視眼(yan)(yan)(yan)鏡(jing)為例，每(mei)當我(wo)們的(de)(de)(de)(de)眼(yan)(yan)(yan)睛度數加深(shen)，就必(bi)須要(yao)換一副眼(yan)(yan)(yan)鏡(jing)，否則就看不清(qing)畫面了，那有沒有那種自行調(diao)節、適應(ying)圖像清(qing)晰度的(de)(de)(de)(de)光(guang)學(xue)(xue)系統(tong)(tong)（當然不僅僅是近視眼(yan)(yan)(yan)鏡(jing)）呢？有，這(zhe)(zhe)就是本期的(de)(de)(de)(de)主題(ti)：自適應(ying)光(guang)學(xue)(xue)。

被動光學和主動光學

在介紹自適應光(guang)(guang)(guang)(guang)學(xue)系(xi)統(tong)之前(qian)，有必要(yao)提(ti)一下被動(dong)(dong)(dong)(dong)光(guang)(guang)(guang)(guang)學(xue)和主動(dong)(dong)(dong)(dong)光(guang)(guang)(guang)(guang)學(xue)這(zhe)2個概念。所謂被動(dong)(dong)(dong)(dong)光(guang)(guang)(guang)(guang)學(xue)，就是被動(dong)(dong)(dong)(dong)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)學(xue)，也就是不能主動(dong)(dong)(dong)(dong)改變系(xi)統(tong)來(lai)(lai)調節改善圖(tu)像質量的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)學(xue)，例(li)如前(qian)面提(ti)到的(de)(de)近(jin)視(shi)眼(yan)鏡等(deng)，如果(guo)需(xu)要(yao)提(ti)高圖(tu)像的(de)(de)清晰(xi)度(du)，那就要(yao)通(tong)過機械的(de)(de)方式譬如打磨(mo)光(guang)(guang)(guang)(guang)學(xue)元件(jian)或(huo)者直(zhi)接更換(huan)元器件(jian)等(deng)來(lai)(lai)實(shi)現，這(zhe)相對比較麻煩，自然這(zhe)也是最(zui)基礎(chu)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)學(xue)系(xi)統(tong)。

那既然(ran)被動(dong)光(guang)學(xue)很“被動(dong)”，我們自然(ran)就(jiu)會想(xiang)到通過在(zai)光(guang)學(xue)系統中(zhong)簡單添加一些(xie)可(ke)修(xiu)正的(de)光(guang)學(xue)部(bu)件，然(ran)后(hou)通過調整(zheng)這些(xie)修(xiu)正部(bu)件來提升圖像質量，這就(jiu)是我們說的(de)主動(dong)光(guang)學(xue)，現實生活(huo)中(zhong)例(li)如(ru)照相機(ji)的(de)調焦功能就(jiu)是這樣(yang)，當然(ran)高級點的(de)還(huan)有人的(de)眼(yan)睛。

接下來進(jin)入正題，自(zi)(zi)適(shi)(shi)應(ying)光(guang)學(xue)(xue)是一(yi)種能夠有(you)效解決(jue)動(dong)靜態誤差過(guo)大、大大提(ti)高成像質量(liang)的(de)光(guang)學(xue)(xue)系統(tong)(tong)，這也算是主(zhu)動(dong)光(guang)學(xue)(xue)的(de)一(yi)種。自(zi)(zi)適(shi)(shi)應(ying)光(guang)學(xue)(xue)這么厲害，為(wei)啥(sha)日常生活中(zhong)(zhong)不(bu)常看到(dao)？你想(xiang)啊，能夠自(zi)(zi)適(shi)(shi)應(ying)的(de)光(guang)學(xue)(xue)系統(tong)(tong)，系統(tong)(tong)必定十分復雜，價格昂貴，你能用幾(ji)百(bai)塊(kuai)換一(yi)副近視眼鏡，自(zi)(zi)然不(bu)會用幾(ji)十幾(ji)百(bai)萬的(de)自(zi)(zi)適(shi)(shi)應(ying)光(guang)學(xue)(xue)系統(tong)(tong)，所以自(zi)(zi)適(shi)(shi)應(ying)光(guang)學(xue)(xue)目前主(zhu)要應(ying)用于高精尖的(de)大項目工程中(zhong)(zhong)。好，接下來我(wo)們來介紹下自(zi)(zi)適(shi)(shi)應(ying)光(guang)學(xue)(xue)系統(tong)(tong)的(de)原理。

為了能夠(gou)讓我(wo)們(men)看得更加清楚(chu)，排除一(yi)些不必要的(de)(de)(de)(de)擾動和誤差，例(li)如(ru)圖2 的(de)(de)(de)(de)望遠(yuan)鏡(jing)系(xi)統，我(wo)們(men)引入了自適(shi)應(ying)光(guang)學系(xi)統，從而得到(dao)了清晰的(de)(de)(de)(de)圖像(xiang)(xiang)。在這里必須要引入一(yi)個光(guang)學概念：波(bo)(bo)(bo)前。所(suo)謂波(bo)(bo)(bo)前就是電(dian)磁波(bo)(bo)(bo)在傳輸過(guo)程(cheng)中，達(da)到(dao)某(mou)一(yi)個位(wei)置(zhi)時各個點（振動相位(wei)一(yi)致(zhi)(zhi)）組成的(de)(de)(de)(de)波(bo)(bo)(bo)陣面，波(bo)(bo)(bo)陣面按(an)照曲面面型的(de)(de)(de)(de)不同有球面波(bo)(bo)(bo)（點光(guang)源）、平面波(bo)(bo)(bo)等之分。如(ru)果(guo)波(bo)(bo)(bo)經過(guo)理(li)想(xiang)的(de)(de)(de)(de)光(guang)學系(xi)統，那么波(bo)(bo)(bo)前相位(wei)是不會(hui)發(fa)生(sheng)畸變的(de)(de)(de)(de)，也(ye)就是成像(xiang)(xiang)質量不會(hui)變模糊，但是由于(yu)大氣湍流、非理(li)想(xiang)的(de)(de)(de)(de)光(guang)學器件等因素，導致(zhi)(zhi)最后望遠(yuan)鏡(jing)接收到(dao)的(de)(de)(de)(de)圖像(xiang)(xiang)是不可辨識的(de)(de)(de)(de)，如(ru)果(guo)波(bo)(bo)(bo)前改(gai)變僅像(xiang)(xiang)圖3（a）那樣，我(wo)們(men)也(ye)還可以(yi)通過(guo)調焦來實現，那么如(ru)圖3（b）的(de)(de)(de)(de)情況，則真正需要自適(shi)應(ying)光(guang)學系(xi)統來改(gai)善圖像(xiang)(xiang)質量。

如圖2所(suo)示，自適應光(guang)學系(xi)統由波(bo)前(qian)(qian)探(tan)測器(qi)、波(bo)前(qian)(qian)控制(zhi)器(qi)、波(bo)前(qian)(qian)校正器(qi)組成。波(bo)前(qian)(qian)探(tan)測器(qi)，主要是(shi)探(tan)測光(guang)的(de)(de)波(bo)前(qian)(qian)畸變(bian)，其(qi)常(chang)用(yong)的(de)(de)類(lei)型有(you)Hartmann-Shack 傳感(gan)器(qi)、剪切干涉儀和(he)曲率傳感(gan)器(qi)等。本文僅以常(chang)用(yong)的(de)(de)Hartmann-Shack 傳感(gan)器(qi)為例進行介紹，該(gai)傳感(gan)器(qi)由透(tou)鏡陣列和(he)CCD相機組成，通(tong)過透(tou)鏡陣列對波(bo)前(qian)(qian)進行分割采樣(yang),每個(ge)(ge)子(zi)孔徑范圍(wei)內(nei)的(de)(de)波(bo)前(qian)(qian)傾斜(xie)將使(shi)單元透(tou)鏡的(de)(de)聚(ju)焦(jiao)光(guang)斑產生橫向漂(piao)移(yi),測量(liang)光(guang)斑中心在兩個(ge)(ge)方向上相對于(yu)用(yong)平行光(guang)標(biao)定的(de)(de)基準(zhun)位置的(de)(de)漂(piao)移(yi)量(liang),從而求出各子(zi)孔徑范圍(wei)內(nei)的(de)(de)波(bo)前(qian)(qian)在兩個(ge)(ge)方向上的(de)(de)平均斜(xie)率，如圖4所(suo)示。