光学自适应原则

图2-1 表面粗糙度干涉仪 光学自适应原则简述

摘要： 光学自适应原则在光学精密仪器的设计中是一个很重要的原则。该原则是广大光学系统设计者长久以来积累的经验，并且在理论上是基于非线性动力学与混沌理论。该原则提出了共光路这一思想，主要解决了光学系统中存在的大气扰动问题，并广泛运用于各类光学仪器中。本文简要介绍了光学自适应原则的内容和发展，并列举了应用该原理的一些实例。

关键词：自适应原则；共光路；自适应光学

The Description of Adaptive Optical

Abstract ：Adaptive Principle, which is based on Nonlinear Dynamics and Chaos Theory, is an important principle in the optical instruments design. The principle, which is applied to many optical instruments, mainly solves atmospheric disturbance problems by idea of common path in optical system. This paper gives a brief introduction of content and development of Adaptive Principle, and lists some examples which apply this principle.

Key words: Adaptive Principle; Common path; Adaptive optical

1 引言

在光学精密仪器的设计中，设计人员经常需要注意几个原则，如阿贝原则、运动学原则、光学自适应原则等。其中，光学自适应原则是一项很重要的原则，它指的是“在拟定光学系统方案时，除了安排信号（包括扰动和噪声）的通道，还要设法实现对噪声和扰动的短时间预报，以得到理想的测量结果”。这是由于光学精密仪器在实际测量过程中，空气的微小扰动将会导致结果产生较大变化，因此需要在设计时遵循自适应原则。自适应原则在光学系统上通常有两种表现方式，一种是共光路光学系统，另一种则是共轭光学系统【1】。前者同时采集背景噪声和有效信号与噪声信号之和，由于两者共光路，可以认为大气扰动所造成的干扰是相同的，因而再对两者进行差分就可以去除噪声。后者则是利用了入射光与出射光相共轭，所以由起点经过一次光学系统后再回到起点后噪声均被抵消。在实际的光学精密仪器设计与应用中，自适应原则得到了广泛应用。

2 共光路原理与典型应用

最早体现共光路原理的是干涉仪系统，例如海定格干涉

仪、斐索干涉仪等。图2-1给出了一个测量表面粗糙度的干涉

仪装置。入射光经过半反半透镜BS 后，再经过由双折射晶体

制成的透镜L1。由于L1对于o 光和e 光的折射率不同，从而使

得焦距较短的光线聚集在被测面M 上，而焦距较长的则成为

参考光。之后两者经由BS 反射，通过偏振片P 后产生干涉，

最终由透镜L2聚焦到探测器D 上。这样一来信号光与参考光

同光路，即使在光路中大气产生了扰动，对于测量结果的影

响也会大大减小。

图2-2则是“双焦干涉表面微观轮廓检测仪”的工作原理图【2】。双焦透镜是由三片透镜胶合而成，中间一片是方解石负透镜，两边是二片光学玻璃的正透镜。它具有偏振分束的功能，该系统利用它将入射光分解形成两个正交偏振的光束，其中一束被准直，另一束聚焦于

图3-1 星体观测成像波面校正系统

图2-2 双焦干涉表面微观轮廓检测仪 被测表面，准直光束包围聚焦光束。之后两束光经过

被测表面反射后重新被双焦透镜重新汇合但偏振方向

正交。最后通过物镜将两路光束聚焦在光电探测器上，

送入示波器中观察。由于两束光线满足共路原则，因

而对外界扰动具有实时预报功能，具有一定的抗干扰

能力。 3 自适应光学技术

光学自适应原则也运用在天文望远镜的设计中，并且进一步衍生出了自适应光学技术。自适应光学技术的思想最早是1953年美国天文学家Babcock 在论文“论补偿天文Seeing 的可能性”中提出，之后逐渐发展成为一种以“光学波前为对象的自动控制系统，利用对光学波前的实时‘测量—控制—校正’，使光学系统具有自动适应外界条件变化，始终保持良好工作状态的能力”的技术【3】。图3-1是一个星体观测成像

波面校正系统的简要框图。目标星体发出的光通过大气

后被探测器接收。由于存在大气湍流等的影响，导致探

测器接收的星光存在波前畸变与整体倾斜，进而使得图

像的分辨率下降，即使增大光学系统分辨率或是探测器

分辨率也无法改善图像质量。因而在光学系统中加入了

波前倾斜传感器、波前畸变传感器、倾斜修正镜与可变

形镜来修正这两种波前误差。这是一种反馈校正方法，

在空气折射率无法避免的情况下能够有效提高成像质量。

另外，近年来自适应光学技术应用到眼科，成为国际上视觉科学和自适应光学技术研究的热点。众所周知人眼作为一个光学系统并不完美，除了由于晶状体聚焦能力以及弯曲能力下降而导致的近视、远视以及散光以外，还存在着高阶

像差。这些因素使得经过人眼所成图像的分辨力远没有

达到视网膜上视觉神经细胞自身所决定的分辨力大小。

中国科学院光电技术研究所依据自适应光学理论，研制

出了用于视网膜的高分辨率观测用自适应光学系统，并

获得了视网膜高分辨率图像【4】。其光学系统如图3-2所示。首先使用激光器在人眼眼底产生一个发光点，并由此发

光点经由瞳孔出射的光束来测量人眼的波前误差。经由波前复原与控制算法进行校正，在CCD 上得到最终的视网膜图像。

4 小结

光学自适应原则是前人经验教训的总结，从以上所举出的几个例子可以看出，如果在系统设计中应用好光学自适应原则，能够对系统的分辨率有很大的提升。其实，除了光学自适应原则以外，还有很多其他的在光学精密仪器设计中需要注意的原则，如阿贝原则、运动学原则、变形最小原则、测量链最短原则、基面统一原则等

【5】。在光学精密仪器的设计中，

这些原则都是需要我们遵守的。

图3-2 人眼高分辨率成像自适应光学