光學基礎知識大講堂 自適應光學

我們的日常生活中存在著各種各樣的光學系統，小到一個透鏡、一副近視眼鏡，大到顯微鏡、攝像機、望遠鏡等等，這些大小不一的產品正發揮著越來越重要的作用。但是，經常出現這樣的情況，以近視眼鏡為例，每當我們的眼睛度數加深，就必須要換一副眼鏡，否則就看不清畫面了，那有沒有那種自行調節、適應圖像清晰度的光學系統（當然不僅僅是近視眼鏡）呢？有，這就是本期的主題：自適應光學。

被動光學和主動光學

在介紹自適應光學系統之前，有必要提一下被動光學和主動光學這2個概念。所謂被動光學，就是被動的光學，也就是不能主動改變系統來調節改善圖像質量的光學，例如前面提到的近視眼鏡等，如果需要提高圖像的清晰度，那就要通過機械的方式譬如打磨光學元件或者直接更換元器件等來實現，這相對比較麻煩，自然這也是最基礎的光學系統。

那既然被動光學很“被動”，我們自然就會想到通過在光學系統中簡單添加一些可修正的光學部件，然后通過調整這些修正部件來提升圖像質量，這就是我們說的主動光學，現實生活中例如照相機的調焦功能就是這樣，當然高級點的還有人的眼睛。

接下來進入正題，自適應光學是一種能夠有效解決動靜態誤差過大、大大提高成像質量的光學系統，這也算是主動光學的一種。自適應光學這么厲害，為啥日常生活中不常看到？你想啊，能夠自適應的光學系統，系統必定十分復雜，價格昂貴，你能用幾百塊換一副近視眼鏡，自然不會用幾十幾百萬的自適應光學系統，所以自適應光學目前主要應用于高精尖的大項目工程中。好，接下來我們來介紹下自適應光學系統的原理。

為了能夠讓我們看得更加清楚，排除一些不必要的擾動和誤差，例如圖2 的望遠鏡系統，我們引入了自適應光學系統，從而得到了清晰的圖像。在這里必須要引入一個光學概念：波前。所謂波前就是電磁波在傳輸過程中，達到某一個位置時各個點（振動相位一致）組成的波陣面，波陣面按照曲面面型的不同有球面波（點光源）、平面波等之分。如果波經過理想的光學系統，那么波前相位是不會發生畸變的，也就是成像質量不會變模糊，但是由于大氣湍流、非理想的光學器件等因素，導致最后望遠鏡接收到的圖像是不可辨識的，如果波前改變僅像圖3（a）那樣，我們也還可以通過調焦來實現，那么如圖3（b）的情況，則真正需要自適應光學系統來改善圖像質量。

如圖2所示，自適應光學系統由波前探測器、波前控制器、波前校正器組成。波前探測器，主要是探測光的波前畸變，其常用的類型有Hartmann-Shack 傳感器、剪切干涉儀和曲率傳感器等。本文僅以常用的Hartmann-Shack 傳感器為例進行介紹，該傳感器由透鏡陣列和CCD相機組成，通過透鏡陣列對波前進行分割采樣,每個子孔徑范圍內的波前傾斜將使單元透鏡的聚焦光斑產生橫向漂移,測量光斑中心在兩個方向上相對于用平行光標定的基準位置的漂移量,從而求出各子孔徑范圍內的波前在兩個方向上的平均斜率，如圖4所示。