智能光学的概念及发展

Concept and development of smart opticsWANG Jian-li，LIU Xin-yue(Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China)Corresponding author，E-mail：sirliuxy###sina.cornAbstract：Smart optics is an emerging concept developed from conventional optics based on the active opticsand adaptive optics.This paper introduces the evolution and development of smart optics and explains and ex-tends its concept and scopes further.Then，it summarizes and comments the developing states and applicationsof the smart optics，which mainly includes the dynamic optical modulation，dynamic optical sensing，andsmart optics systems，involving the telescopes，microscopes，lasers，etc.in the applications of astronomy，military，space，biology，medicine，e c.. Finally，the future outlooks of developments and applications ofsmart optics are given。

Key words：smart optics；active optics；adaptive optics；dynamic optical modulation；dynamic optical detection收稿 日期 ：2013437439：修订 日期 ：2013438-16基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)资助项 目(No.2012AAXXX1003P)第4期 王建立，等：智能光学的概念及发展 439领域中都具有广阔的应用前景。

目前，国内外对智能光学的研究工作集中在以下 3个方面：动态光学调制技术、动态光学探测技术、智能光学系统。其中多数研究工作是围绕波前相位的动态调制、探测和控制，基本可以归入主动光学和自适应光学范畴；此外也出现了-些新的应用以及对其他光学特性的动态调制、探测和控制技术。下文分别按照上述 3个方面，根据作者对各项技术的熟悉和了解程度，对智能光学技术和应用在国内外的进展情况进行介绍，并在最后做出总结和展望。

2 动态光学调制技术通常波前相位畸变对光学系统性能影响最大，主动光学和自适应光学技术的主要 目的也是实现对光学系统波前相位畸变的动态校正/补偿，因此目前对动态光学调制技术的研究主要集中在波前相位的动态调制。为了能够进-步提高光学系统性能，在某些情况下还需要同时实现对波前幅度畸变的动态校正/补偿(全光场动态校正/补偿)。

在投影显示等领域中主要利用光强的动态调制技术，而光谱、偏振、频率等其他特性的动态调制技术也得到越来越广泛的应用。下文将以波前动态调制为重点，分别介绍各种动态调制技术。

2.1 波前动态调制技术实现波前动态调制的光学组件可称为波前调制器(Wavefront Modulator)，通常用于波前相位调制，也可用于波前幅度调制，有些波前调制器还可同时实现相位和幅度调制。波前调制器-般采用反射镜加促动器阵列的结构形式来实现，按照整体镜面和拼接镜面可以分为连续和分立两种结构形式。目前，主动光学和自适应光学常用的促动器类型包括压力促动器、机电促动器、压电促动器、微机电促动器(MEMS)、以及其他类型的空间光调制器。

主动光学技术的用途单-，都是用于大 口径反射式望远镜，因此，主动光学的波前调制器可以认为是具有动态支撑机构的望远镜主镜。主动光学实现低速大幅度波前调制需要较大支撑力，因此动态支撑机构主要采用压力促动器和机电促动器两种类型，而且自身通常带有测量装置以实现闭环控制。其中机电支撑机构较为简单但产生的支撑力较小，通常用于较汹径的望远镜或与压力支撑机构结合用于较大口径的望远镜；压力支撑机构包括了液压支撑机构和气压支撑机构，在大口径望远镜中都得到了应用，目前多数采用液压支撑机构 J。主动光学常用的动态支撑机构类型如表 1所示。

表 1 主动光学常用的动态支撑机构Tab.1 Dynamic supporting mechanisms of active optics自适应光学的波前调制器又可称为波前校正器(Wavefront Corrector)，通常实现高速小幅度波前调制而且对精度要求很高。目前自适应光学常用的波前校正器包括压电变形镜、电磁变形镜、微机电变形镜 、液晶空间光调制器等 。其中压电变形镜和电磁变形镜的应用较多，分别采用压电陶瓷促动器(PMN或 PZT材料)和基于音圈电机的机电促动器；微机电变形镜基于微电子技术，促动器是通过半导体刻蚀工艺制造并且由静电驱动；液晶空间光调制器包括透射和反射两种类型，通常采用向列液晶材料通过改变局部折射率实现波前调制。自适应光学常用的波前校正器类型如表2所示表2 自适应光学常用的波前校正器类型Tab.2 Types of wavefront correctors of adaptive optics自适应光学常用波前校正器压电变形镜电磁变形镜微机电变形镜液晶空间光调制器层叠促动器压电变形镜(连续式/分立式)双/单片促动器压电变形镜(Bimorph/Unimorph)微型电磁变形镜自适应望远镜次镜连续式微机电变形镜分立式微机电变形镜向列液晶空间光调制器第4期 王建立，等：智能光学的概念及发展制器)等，自适应光学常用的波前校正器产品如图 2所示 。

2.2 其他动态调制技术光强动态调制可以利用空间光调制器，如数字微镜阵列以及液晶空间光调制器等，主要用于投影显示等领域的光学系统。上述调制器-般采用分立式结构，分立式波前调制器也可以用于光强调制。光强调制的液晶调制器可以采用透射或反射类型，除了向列液晶材料外还可以采用铁电等液晶材料。

光谱 动态 调制 可 利 用液 晶调谐 滤 波器(LCTF)和声光调谐滤波器(AOTF)等实现对光谱的动态滤波，在显微成像、遥感成像等领域的多光谱和超光谱光学系统中都有重要的应用。其中，液晶调谐滤波器的成像质量很高，但透过率和响应速度较低；声光调谐滤波器的响应速度高，但成像质量较低。

DMD光强调制器和 LCTF光谱调制器如图 3所示，除了光强和光谱动态调制以外，目前也出现了-些偏振和频率等特性动态调制的组件和应用(a)数字微镜阵列(a)Digital micro-miror device(b)液晶调谐滤波器(b)Liquid crystal tunable filter图3 光强和光谱动态调制器Fig.3 Dynamic modulators of optical intensity andspectrum3 动态光学探测技术利用动态探测的光学特性可以实现对光学调制的动态控制，波前相位和光强信息是 目前动态探测的主要光学特性。主动光学和自适应光学通常利用波前相位信息实现波前畸变的动态校正/补偿，对于精度要求不高的应用也可利用光强信息实现对波前畸变的动态控制。波前和光强动态探测的基础都是各种光电传感器，包括光电耦合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体，CMOS、光电倍增管(PMT)、及雪崩二极管(APD)等。光电传感器可以直接探测光强信息，波前信息则是由光电传感器和其他光学器件构成的波前探测器(WFS)通过问接方式探测。

目前常用的波前探测器主要包括了夏克哈特曼波前探测器(Shack-Hartmann WFS)、横向剪切干涉仪(Lateral Shearing Interferometer)、角锥波前探测器(Pyramid WFS)、全息波前探测器 (Holo-graphic WFS)、相位提取(Phase Retrieva1)、相位差异(Phase Diversity)等，这些波前探测器各具不同的特点，在主动光学和 自适应光学等领域中都得到了应用。波前探测器按照波前探测位置可以分为光瞳面和焦面波前探测，按照波前重构方式可以分为区域和模式波前探测，按照波前重构过程可以分为线性和非线性波前探测，上述波前探测器的分类如表 4所示。

表4 常用的波前探测器分类Tab.4 Classifcation of wavefront sensors波前探测器的性能指标要包括探测精度、速度、分辨率、灵敏度、动态范围、光谱范围等。上述波前探测器中，夏克哈特曼波前探测器的探测动态范围和光谱范围较大而且速度较高，但探测精度、灵敏度和分辨率较低；横向剪切干涉仪的探测动态范围和光谱范围较大、精度和分辨率较高，但探测速度和灵敏度较低；角锥波前探测器的探测速度和灵敏度较高、光谱范围较大，但探测精度和分辨率较低、动态范围较小；全息波前探测器的探测速度和灵敏度高、计算量小而且对光强闪烁不敏感，但探测精度和分辨率较低、光谱范围较小；相位提韧相位差异的探测精度、灵敏度和分辨第4期 王建立，等：智能光学的概念及发展 443图6 四棱锥波前探测的原理Fig.6 Principle of rectangular pyramid wavefrontSensor前探测 。全息波前探测器的计算量很小，适于高速探测应用。目前全息波前探测器只适于单色光，通常在激光系统中应用。全息波前传感器主要由计算全息模板以及光电传感器阵列构成，每个光电传感器分别探测独立的模式，然后进行波前重构。全息波前探测的原理如图7所示。

图7 全息波前探测的原理Fig.7 Principle of holographic wavefront sensor3.2 焦面波前探测技术焦面波前探测是指在光学系统焦面位置对波前信息进行动态探测，主要包括相位提韧相位差异等。相位提韧相位差异都是基于光学系统的焦面图像，采用区域或模式的方法通过非线性优化实现波前重构，而且重构的波前信息还可用于图像恢复 。 。相位提取与相位差异的不同之处在于相位提撒能对点目标进行波前探测，而相位差异还适用于扩展 目标的波前探测。

相位提壬以利用在焦图像进行波前探测，也可同时利用在焦和离焦图像进行波前探测，后者又称为相位差异相位提取，具有更高的精度以及更大的动态范围。相位差异通常利用在焦和离焦图像的差异进行波前探测 ，也可利用其他像差或其他特性的差异进行波前探测，后者可以称为广义相位差异。由于计算量大、探测速度低，相位提韧相位差异通常用于图像恢复和光学检测等领域，但随着计算技术的发展，目前也应用于自适应光学等领域中的高速探测。基于离焦差异的相位提韧相位差异原理如图8所示。

图目标 湍流 分光镜 光电传感器离焦器图8 基于离焦差异的相位提韧相位差异原理Fig.8 Principle of focus-diverse phase retrieval and di-versity4 智能光学系统智能光学系统可以定义为具有动态光学调制和/或动态光学探测的光学组件，并能够对光学特性进行动态控制的光学系统。智能光学系统的动态控制可以采用闭环和开环两种控制方式，其中闭环控制系统由调制器、探测器和控制器共同构成，控制器根据探测器的探测信息对调制器实施反镭制-环控制系统可以包括探测器，但是控制器采用开环控制法则，也可以不包括探测器而是由控制器根据其他法则对调制器实施控制。

主动光学系统由于对控制速度要求很低，通常采用开环控制方式，但动态支撑机构的促动器带有测量装置，可以实现自身的闭环控制。自适应光学系统对控制的实时性要求很高，为了抑制误差通常采用闭环控制方式，而具有无滞后波前校正器的自适应光学系统也可采用开环控制方式。在光强调制和光谱调制等智能光学系统中，由于不需要对光强及光谱范围等特性进行动态探测，通常不包括探测器直接实施开环控制。

4.1 主动光学系统主动光学系统均用于大口径反射式望远镜中，实现对望远镜主镜波前畸变的校正/补偿，因此主动光学系统需要根据望远镜主镜的材料和形中国光学 第6卷5 结束语智能光学是在主动光学和自适应光学基础上发展起来的-个新兴的概念，它提供了-条从动态系统角度认识现代光学系统的技术途径。智能光学技术可使光学系统具有动态可调、可测、可控的能力，从而能够有效提高系统的性能以及设计