王建立，劉欣悅

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033）

智能光學的概念及發(fā)展

王建立，劉欣悅*

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033）

智能光學是在主動光學和自適應光學基礎上發(fā)展起來的新興的概念。本文介紹了智能光學概念的提出和發(fā)展過程，并進一步明確和擴展了智能光學的概念和范疇。對智能光學的技術(shù)基礎及其應用現(xiàn)狀進行了總結(jié)和評述，主要包括動態(tài)光學調(diào)制技術(shù)、動態(tài)光學探測技術(shù)、智能光學系統(tǒng)等，涉及了天文、軍事、空間、生物醫(yī)學等領域中應用的望遠鏡、顯微鏡、激光器等光學系統(tǒng)和光學設備。最后，對智能光學的未來發(fā)展和應用前景提出了展望。

智能光學；主動光學；自適應光學；動態(tài)光學調(diào)制；動態(tài)光學探測

1 引 言

隨著現(xiàn)代光學的應用領域不斷向宏/微觀尺度、高精度、靈活性、智能化發(fā)展，光學系統(tǒng)已經(jīng)不再是嚴格意義上的靜態(tài)系統(tǒng)，基于傳統(tǒng)靜態(tài)認識的技術(shù)手段難以適應現(xiàn)代光學的要求。近年來提出并發(fā)展起來的智能光學概念，為人們提供了一條從動態(tài)系統(tǒng)角度重新認識現(xiàn)代光學系統(tǒng)的技術(shù)途徑。

與智能相機（Smart Camera）和智能手機（Smart Phone）等概念類似，智能光學（Smart Optics or Intelligent Optics）也是一個新興概念。在主動光學（Active Optics）［1］和自適應光學（Adaptive Optics）［2］技術(shù)的基礎上，Greenaway明確提出了智能光學的概念：“能夠動態(tài)調(diào)整的光學系統(tǒng)、組件和技術(shù)”［3］。目前，智能光學的研究主要集中在美國和歐洲，國內(nèi)還沒有建立智能光學研究的明確概念和范疇。美國陸軍研究實驗室在馬里蘭大學設立了智能光學實驗室，主要研究自適應光學技術(shù)在軍事和國防等領域的應用；歐盟也在近期設立了智能光學系統(tǒng)的研究項目，聯(lián)合多所大學和研究所開展望遠鏡、顯微鏡、激光器等光學系統(tǒng)中的智能光學技術(shù)及其在天文、空間、生物醫(yī)學等領域中的應用［4-5］。

智能光學融合了精密加工、新材料、微電子、信息等現(xiàn)代技術(shù)，實現(xiàn)了對傳統(tǒng)光學的進一步發(fā)展。智能光學的內(nèi)容主要涵蓋主動光學和自適應光學，而且與微納光學、微電子學、光電子學、激光光學、信息光學等學科領域都互有交叉，相關(guān)領域中的新方法和新技術(shù)也不斷促進智能光學發(fā)展。智能光學與其他學科領域的關(guān)系如圖1所示。

圖1 智能光學與其他學科領域關(guān)系Fig.1 Relationship between smart optics and other fields

通過對智能光學技術(shù)發(fā)展的總結(jié)和綜合，進一步明確了智能光學的概念：具有動態(tài)可調(diào)、可測、可控能力的光學系統(tǒng)、組件、技術(shù)，可以對光學特性進行動態(tài)調(diào)制（尤其指對局部光學特性的動態(tài)調(diào)制），并/或可以對光學特性進行動態(tài)探測和控制，能夠有效提高光學系統(tǒng)的性能以及光學設計的靈活性。

智能光學還是一個不斷發(fā)展變化的概念，最初智能光學主要包括了主動光學和自適應光學，一般利用反射光學組件實現(xiàn)波前相位的動態(tài)調(diào)制。其中，主動光學通常是指利用具有動態(tài)支撐機構(gòu)的整體或拼接反射鏡進行低速大幅度波前調(diào)制，自適應光學通常是指利用變形鏡（Deformable Mirror，DM）等進行高速小幅度波前調(diào)制。此外，二者都需要利用波前探測器（Wavefront Sensor）和波前控制器（Wavefront Controller）實現(xiàn)動態(tài)波前探測和控制。

隨著目前光學和光電子學等技術(shù)的發(fā)展，智能光學的概念和范疇可以進一步擴展，包括利用動態(tài)調(diào)整的折射光學組件、衍射光學組件、光電子學組件等對波前相位的動態(tài)調(diào)制、探測和控制，以及利用動態(tài)調(diào)整的光學組件對波前幅度、光強、光譜、偏振、頻率等其他特性的動態(tài)調(diào)制、探測和控制。如利用數(shù)字微鏡陣列（DMD）和液晶空間光調(diào)制器（LC-SLM）實現(xiàn)光強動態(tài)調(diào)制，利用液晶調(diào)制器實現(xiàn)相位、幅度、光譜、和偏振動態(tài)調(diào)制，以及利用聲光調(diào)制器（AOM）和電光調(diào)制器（EOM）實現(xiàn)相位、幅度、光強、光譜、和頻率動態(tài)調(diào)制等。

利用智能光學技術(shù)可以有效降低光學系統(tǒng)的設計難度以及研制成本和周期。對于某些傳統(tǒng)光學設計和加工難以實現(xiàn)的光學系統(tǒng)，甚至是非常復雜的常規(guī)光學系統(tǒng)，采用智能光學技術(shù)也可以在保證性能的同時大大簡化系統(tǒng)實現(xiàn)過程。智能光學技術(shù)可以廣泛應用于光學系統(tǒng)中的發(fā)射、傳輸、探測、處理等多個方面，如望遠鏡、顯微鏡、激光器等，是提高系統(tǒng)性能和實現(xiàn)系統(tǒng)自動化和智能化的關(guān)鍵技術(shù)，在天文、軍事、空間、生物醫(yī)學等領域中都具有廣闊的應用前景。

目前，國內(nèi)外對智能光學的研究工作集中在以下3個方面：動態(tài)光學調(diào)制技術(shù)、動態(tài)光學探測技術(shù)、智能光學系統(tǒng)。其中多數(shù)研究工作是圍繞波前相位的動態(tài)調(diào)制、探測和控制，基本可以歸入主動光學和自適應光學范疇；此外也出現(xiàn)了一些新的應用以及對其他光學特性的動態(tài)調(diào)制、探測和控制技術(shù)。下文分別按照上述3個方面，根據(jù)作者對各項技術(shù)的熟悉和了解程度，對智能光學技術(shù)和應用在國內(nèi)外的進展情況進行介紹，并在最后做出總結(jié)和展望。

2 動態(tài)光學調(diào)制技術(shù)

通常波前相位畸變對光學系統(tǒng)性能影響最大，主動光學和自適應光學技術(shù)的主要目的也是實現(xiàn)對光學系統(tǒng)波前相位畸變的動態(tài)校正/補償，因此目前對動態(tài)光學調(diào)制技術(shù)的研究主要集中在波前相位的動態(tài)調(diào)制。為了能夠進一步提高光學系統(tǒng)性能，在某些情況下還需要同時實現(xiàn)對波前幅度畸變的動態(tài)校正/補償（全光場動態(tài)校正/補償）。

在投影顯示等領域中主要利用光強的動態(tài)調(diào)制技術(shù)，而光譜、偏振、頻率等其他特性的動態(tài)調(diào)制技術(shù)也得到越來越廣泛的應用。下文將以波前動態(tài)調(diào)制為重點，分別介紹各種動態(tài)調(diào)制技術(shù)。

2.1 波前動態(tài)調(diào)制技術(shù)

實現(xiàn)波前動態(tài)調(diào)制的光學組件可稱為波前調(diào)制器（Wavefront Modulator），通常用于波前相位調(diào)制，也可用于波前幅度調(diào)制，有些波前調(diào)制器還可同時實現(xiàn)相位和幅度調(diào)制。波前調(diào)制器一般采用反射鏡加促動器陣列的結(jié)構(gòu)形式來實現(xiàn)，按照整體鏡面和拼接鏡面可以分為連續(xù)和分立兩種結(jié)構(gòu)形式。目前，主動光學和自適應光學常用的促動器類型包括壓力促動器、機電促動器、壓電促動器、微機電促動器（MEMS）、以及其他類型的空間光調(diào)制器。

主動光學技術(shù)的用途單一，都是用于大口徑反射式望遠鏡，因此，主動光學的波前調(diào)制器可以認為是具有動態(tài)支撐機構(gòu)的望遠鏡主鏡。主動光學實現(xiàn)低速大幅度波前調(diào)制需要較大支撐力，因此動態(tài)支撐機構(gòu)主要采用壓力促動器和機電促動器兩種類型，而且自身通常帶有測量裝置以實現(xiàn)閉環(huán)控制。其中機電支撐機構(gòu)較為簡單但產(chǎn)生的支撐力較小，通常用于較小口徑的望遠鏡或與壓力支撐機構(gòu)結(jié)合用于較大口徑的望遠鏡；壓力支撐機構(gòu)包括了液壓支撐機構(gòu)和氣壓支撐機構(gòu)，在大口徑望遠鏡中都得到了應用，目前多數(shù)采用液壓支撐機構(gòu)［6］。主動光學常用的動態(tài)支撐機構(gòu)類型如表1所示。

表1 主動光學常用的動態(tài)支撐機構(gòu)Tab.1 Dynam ic supporting mechanism s of active optics

自適應光學的波前調(diào)制器又可稱為波前校正器（Wavefront Corrector），通常實現(xiàn)高速小幅度波前調(diào)制而且對精度要求很高。目前自適應光學常用的波前校正器包括壓電變形鏡、電磁變形鏡、微機電變形鏡、液晶空間光調(diào)制器等［7-9］。其中壓電變形鏡和電磁變形鏡的應用較多，分別采用壓電陶瓷促動器（PMN或PZT材料）和基于音圈電機的機電促動器；微機電變形鏡基于微電子技術(shù)，促動器是通過半導體刻蝕工藝制造并且由靜電驅(qū)動；液晶空間光調(diào)制器包括透射和反射兩種類型，通常采用向列液晶材料通過改變局部折射率實現(xiàn)波前調(diào)制。自適應光學常用的波前校正器類型如表2所示。

表2 自適應光學常用的波前校正器類型Tab.2 Types of wavefront correctors of adaptive optics

波前校正器的性能指標主要包括促動器單元數(shù)、調(diào)制幅度、響應速度、滯后等，其中促動器單元數(shù)和調(diào)制幅度決定了波前的空域擬合能力，響應速度決定了波前的時域擬合能力，滯后是動態(tài)波前控制的重要影響因素。上述波前校正器中，壓電變形鏡的優(yōu)點是促動器可擴展到較多單元及響應速度較高，但調(diào)制幅度較小、存在滯后現(xiàn)象且成本較高。電磁變形鏡最初以望遠鏡自適應次鏡的形式出現(xiàn)，隨著音圈電機的微型化成為獨立的波前校正器。電磁變形鏡的優(yōu)點是調(diào)制幅度較大及沒有滯后現(xiàn)象，但促動器單元數(shù)通常較少、響應速度較低且成本較高。微機電變形鏡和液晶空間光調(diào)制器都是近年來出現(xiàn)且很有前景的新型波前校正器，微機電變形鏡的響應速度更高、沒有滯后現(xiàn)象而且成本很低，缺點是目前促動器單元數(shù)較少以及調(diào)制幅度較??；液晶空間光調(diào)制器的優(yōu)點是促動器單元數(shù)很多、調(diào)制幅度較大、沒有滯后而且成本較低，但是需要線偏振光而且光譜范圍較小，響應速度也有待進一步提高。自適應光學常用波前校正器的主要優(yōu)缺點比較如表3所示。

表3 自適應光學常用的波前校正器比較Tab.3 Comparison of wavefront correctors of adaptive optics

目前，自適應光學波前校正器的發(fā)展方向主要是高促動器密度、大調(diào)制幅度、以及集成化［10］。其中，提高促動器密度可以降低大規(guī)模波前校正器的實現(xiàn)難度，但是，同時也會降低調(diào)制幅度和/或響應速度；提高調(diào)制幅度可以擴展波前校正器適用范圍，但是也會影響響應速度等其他性能；集成化是指將多種功能集成在單一的波前校正器中，如可將傾斜鏡和變形鏡相結(jié)合同時實現(xiàn)傾斜和高階像差校正功能，將波前相位和幅度校正功能集成到單一校正器等。

圖2 自適應光學常用的波前校正器產(chǎn)品Fig.2 Products of wavefront correctors of adaptive optics

目前，能夠提供自適應光學波前校正器的廠商主要包括法國CILAS和美國Xinetics（壓電變形鏡），法國ALPAO、意大利Microgate和ADS（電磁變形鏡），美國BMC和IrisAO、荷蘭OKO和TNO（微機電變形鏡），美國BNS（液晶空間光調(diào)制器）等，自適應光學常用的波前校正器產(chǎn)品如圖2所示。

2.2 其他動態(tài)調(diào)制技術(shù)

光強動態(tài)調(diào)制可以利用空間光調(diào)制器，如數(shù)字微鏡陣列以及液晶空間光調(diào)制器等，主要用于投影顯示等領域的光學系統(tǒng)。上述調(diào)制器一般采用分立式結(jié)構(gòu)，分立式波前調(diào)制器也可以用于光強調(diào)制。光強調(diào)制的液晶調(diào)制器可以采用透射或反射類型，除了向列液晶材料外還可以采用鐵電等液晶材料。

光譜動態(tài)調(diào)制可利用液晶調(diào)諧濾波器（LCTF）和聲光調(diào)諧濾波器（AOTF）等實現(xiàn)對光譜的動態(tài)濾波，在顯微成像、遙感成像等領域的多光譜和超光譜光學系統(tǒng)中都有重要的應用。其中，液晶調(diào)諧濾波器的成像質(zhì)量很高，但透過率和響應速度較低；聲光調(diào)諧濾波器的響應速度高，但成像質(zhì)量較低。

DMD光強調(diào)制器和LCTF光譜調(diào)制器如圖3所示，除了光強和光譜動態(tài)調(diào)制以外，目前也出現(xiàn)了一些偏振和頻率等特性動態(tài)調(diào)制的組件和應用。

圖3 光強和光譜動態(tài)調(diào)制器Fig.3 Dynamic modulators of optical intensity and spectrum

3 動態(tài)光學探測技術(shù)

利用動態(tài)探測的光學特性可以實現(xiàn)對光學調(diào)制的動態(tài)控制，波前相位和光強信息是目前動態(tài)探測的主要光學特性。主動光學和自適應光學通常利用波前相位信息實現(xiàn)波前畸變的動態(tài)校正/補償，對于精度要求不高的應用也可利用光強信息實現(xiàn)對波前畸變的動態(tài)控制。波前和光強動態(tài)探測的基礎都是各種光電傳感器，包括光電耦合器件（CCD）、互補金屬氧化物半導體，CMOS、光電倍增管（PMT）、及雪崩二極管（APD）等。光電傳感器可以直接探測光強信息，波前信息則是由光電傳感器和其他光學器件構(gòu)成的波前探測器（WFS）通過間接方式探測。

目前常用的波前探測器主要包括了夏克哈特曼波前探測器（Shack-Hartmann WFS）、橫向剪切干涉儀（Lateral Shearing Interferometer）、角錐波前探測器（Pyramid WFS）、全息波前探測器（Holographic WFS）、相位提?。≒hase Retrieval）、相位差異（Phase Diversity）等，這些波前探測器各具不同的特點，在主動光學和自適應光學等領域中都得到了應用。波前探測器按照波前探測位置可以分為光瞳面和焦面波前探測，按照波前重構(gòu)方式可以分為區(qū)域和模式波前探測，按照波前重構(gòu)過程可以分為線性和非線性波前探測，上述波前探測器的分類如表4所示。

表4 常用的波前探測器分類Tab.4 Classification of wavefront sensors

波前探測器的性能指標要包括探測精度、速度、分辨率、靈敏度、動態(tài)范圍、光譜范圍等。上述波前探測器中，夏克哈特曼波前探測器的探測動態(tài)范圍和光譜范圍較大而且速度較高，但探測精度、靈敏度和分辨率較低；橫向剪切干涉儀的探測動態(tài)范圍和光譜范圍較大、精度和分辨率較高，但探測速度和靈敏度較低；角錐波前探測器的探測速度和靈敏度較高、光譜范圍較大，但探測精度和分辨率較低、動態(tài)范圍較??；全息波前探測器的探測速度和靈敏度高、計算量小而且對光強閃爍不敏感，但探測精度和分辨率較低、光譜范圍較小；相位提取和相位差異的探測精度、靈敏度和分辨率較高，但探測速度較低而且光譜范圍較小，相位提取的探測動態(tài)范圍要比相位差異大，而相位差異適于對擴展目標進行波前探測。目前常用的波前探測器的主要優(yōu)缺點比較如表5所示。

表5 常用的波前探測器比較Tab.5 Com parison of wavefront sensors

3.1 光瞳面波前探測技術(shù)

光瞳面波前探測是指在光學系統(tǒng)光瞳面位置對波前信息進行動態(tài)探測，這是最常用的波前探測器類型，包括夏克哈特曼波前探測器、橫向剪切干涉儀、角錐波前探測器、全息波前探測器等。

夏克，哈特曼波前探測器是利用微透鏡陣列替代哈特曼模板實現(xiàn)對傳統(tǒng)哈特曼技術(shù)的改進［11］，廣泛應用于主動光學、自適應光學、光學檢測、激光質(zhì)量測量等領域。夏克哈特曼波前探測器主要由微透鏡陣列和光電傳感器構(gòu)成，通過探測局部波前斜率并進行波前重構(gòu)實現(xiàn)波前探測。夏克哈特曼波前探測原理如圖4所示。

橫向剪切干涉儀的原理是將入射光束分為多個橫向剪切光束后通過干涉測量實現(xiàn)波前探測，傳統(tǒng)的橫向剪切干涉儀通常采用兩波干涉，而目前采用三波或四波干涉的多波橫向剪切干涉儀可以更有效地實現(xiàn)波前探測［12-14］，在自適應光學、光學檢測、激光質(zhì)量測量等領域都有應用。多波橫向剪切干涉儀主要由基于相位光柵的改進哈特曼模板和光電傳感器構(gòu)成，通過分析多波干涉模式進行波前探測，四波橫向剪切干涉儀的改進哈特曼模板如圖5所示。

圖4 夏克哈特曼波前探測的原理Fig.4 Principle of Shack-Hartmann wavefront sensor

圖5 四波橫向剪切干涉儀的改進哈特曼模板結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure ofmodified Hartmannmask ofquadricwave lateral shearing interferometer

角錐波前探測器的原理可以看作是夏克哈特曼的逆向過程，利用角錐將焦面圖像轉(zhuǎn)換為多個光瞳面圖像進行波前探測［15-17］。與夏克哈特曼相比，角錐波前探測器的靈敏度更高，適于弱光條件下的波前探測如望遠鏡自適應光學。角錐波前探測器主要由角錐以及光電傳感器構(gòu)成，目前通常采用的四棱錐波前探測原理如圖6所示。

與前3種區(qū)域波前探測器不同，全息波前探測器是一種模式波前探測器，利用相位全息圖將入射光束分解為多個模式（澤尼克模式）實現(xiàn)波前探測［18-20］。全息波前探測器的計算量很小，適于高速探測應用。目前全息波前探測器只適于單色光，通常在激光系統(tǒng)中應用。全息波前傳感器主要由計算全息模板以及光電傳感器陣列構(gòu)成，每個光電傳感器分別探測獨立的模式，然后進行波前重構(gòu)。全息波前探測的原理如圖7所示。

圖6 四棱錐波前探測的原理Fig.6 Principle of rectangular pyramid wavefront sensor

圖7 全息波前探測的原理Fig.7 Principle of holographic wavefront sensor

3.2 焦面波前探測技術(shù)

焦面波前探測是指在光學系統(tǒng)焦面位置對波前信息進行動態(tài)探測，主要包括相位提取和相位差異等。相位提取和相位差異都是基于光學系統(tǒng)的焦面圖像，采用區(qū)域或模式的方法通過非線性優(yōu)化實現(xiàn)波前重構(gòu)，而且重構(gòu)的波前信息還可用于圖像恢復［21-23］。相位提取與相位差異的不同之處在于相位提取僅能對點目標進行波前探測，而相位差異還適用于擴展目標的波前探測。

相位提取可以利用在焦圖像進行波前探測，也可同時利用在焦和離焦圖像進行波前探測，后者又稱為相位差異相位提取，具有更高的精度以及更大的動態(tài)范圍。相位差異通常利用在焦和離焦圖像的差異進行波前探測，也可利用其他像差或其他特性的差異進行波前探測，后者可以稱為廣義相位差異。由于計算量大、探測速度低，相位提取和相位差異通常用于圖像恢復和光學檢測等領域，但隨著計算技術(shù)的發(fā)展，目前也應用于自適應光學等領域中的高速探測?；陔x焦差異的相位提取和相位差異原理如圖8所示。

圖8 基于離焦差異的相位提取和相位差異原理Fig.8 Principle of focus-diverse phase retrieval and diversity

4 智能光學系統(tǒng)

智能光學系統(tǒng)可以定義為具有動態(tài)光學調(diào)制和/或動態(tài)光學探測的光學組件，并能夠?qū)鈱W特性進行動態(tài)控制的光學系統(tǒng)。智能光學系統(tǒng)的動態(tài)控制可以采用閉環(huán)和開環(huán)兩種控制方式，其中閉環(huán)控制系統(tǒng)由調(diào)制器、探測器和控制器共同構(gòu)成，控制器根據(jù)探測器的探測信息對調(diào)制器實施反饋控制。開環(huán)控制系統(tǒng)可以包括探測器，但是控制器采用開環(huán)控制法則，也可以不包括探測器而是由控制器根據(jù)其他法則對調(diào)制器實施控制。

主動光學系統(tǒng)由于對控制速度要求很低，通常采用開環(huán)控制方式，但動態(tài)支撐機構(gòu)的促動器帶有測量裝置，可以實現(xiàn)自身的閉環(huán)控制。自適應光學系統(tǒng)對控制的實時性要求很高，為了抑制誤差通常采用閉環(huán)控制方式，而具有無滯后波前校正器的自適應光學系統(tǒng)也可采用開環(huán)控制方式。在光強調(diào)制和光譜調(diào)制等智能光學系統(tǒng)中，由于不需要對光強及光譜范圍等特性進行動態(tài)探測，通常不包括探測器直接實施開環(huán)控制。

4.1 主動光學系統(tǒng)

主動光學系統(tǒng)均用于大口徑反射式望遠鏡中，實現(xiàn)對望遠鏡主鏡波前畸變的校正/補償，因此主動光學系統(tǒng)需要根據(jù)望遠鏡主鏡的材料和形狀等特性進行設計和定制。按照望遠鏡主鏡的結(jié)構(gòu)形式，主動光學系統(tǒng)可以分為整體鏡面和拼接鏡面兩種類型，不同類型主動光學系統(tǒng)的動態(tài)支撐機構(gòu)以及波前探測器和控制器都存在較大差別。

目前，主動光學已經(jīng)成為大口徑望遠鏡的必備技術(shù)，地基大口徑望遠鏡普遍采用主動光學技術(shù)克服自身和外部環(huán)境因素對主鏡面形的影響。隨著口徑的增大，天基望遠鏡也逐步采用主動光學技術(shù)，如詹姆斯韋伯空間望遠鏡（JWST）采用了復雜的拼接鏡面主動光學系統(tǒng)［24］，其模型如圖9所示。

圖9 詹姆斯韋伯空間望遠鏡的拼接鏡面主動光學系統(tǒng)Fig.9 Active optics system of segmentedmirror of JWST

4.2 自適應光學系統(tǒng)

自適應光學系統(tǒng)通常利用波前探測器實時探測的波前信息對波前校正器進行控制。但在某些應用場合如強湍流大氣環(huán)境和顯微鏡系統(tǒng)中，往往難以對波前信息進行有效探測。無波前探測自適應光學技術(shù)［25-26］可以利用從圖像中提取的度量信息對波前校正器進行閉環(huán)控制，而隨機并行梯度下降（SPGD）等技術(shù)［27-28］則可利用接收光強能量的變化信息實現(xiàn)閉環(huán)校正。由于圖像度量信息以及能量變化信息與波前沒有直接對應關(guān)系，這些方法一般采用非線性優(yōu)化技術(shù)進行波前重構(gòu)。

自適應光學系統(tǒng)最初用于地基望遠鏡成像的大氣湍流補償，對快速變化的波前畸變進行實時校正。目前自適應光學已經(jīng)成為補償大氣湍流波前畸變的標準技術(shù)，在地基望遠鏡中普遍應用，并逐漸擴展到其他領域。圖10為望遠鏡成像應用的自適應光學系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)。

圖10 望遠鏡自適應光學系統(tǒng)Fig.10 Adaptive optics system for telescopes

對于航空光學系統(tǒng)，自適應光學可以與共形光學結(jié)合實現(xiàn)湍流補償［29-31］。圖11為用于某航空光學系統(tǒng)氣動湍流補償?shù)淖赃m應光學系統(tǒng)［32］。

圖11 航空光學自適應光學系統(tǒng)Fig.11 Adaptive optics system for aero optical system

在光學顯微鏡系統(tǒng)中，自適應光學可以對樣品引起的波前畸變進行校正，實現(xiàn)對樣本的清晰成像［33-36］。圖12為某配備自適應光學系統(tǒng)的顯微鏡光學系統(tǒng)［37］。

圖12 配備自適應光學系統(tǒng)的顯微鏡Fig.12 Microscope with adaptive optics system

在用于眼底成像的光學系統(tǒng)中，自適應光學可以對眼睛自身的波前畸變進行校正得到清晰的視網(wǎng)膜圖像［38-40］。圖13為某配備自適應光學系統(tǒng)的眼底相機光學系統(tǒng)［41-42］。

在高功率激光系統(tǒng)中，自適應光學可以對輸出光束整形以補償激光器自身的波前畸變，還可以對發(fā)射光束傳播路徑中大氣湍流引起的波前畸變進行預補償，使光束能量集中從而提高系統(tǒng)性能［43-46］。圖14為用于補償激光傳播路徑中大氣湍流的自適應光束控制系統(tǒng)［47］。

圖13 配備自適應光學系統(tǒng)的眼底相機Fig.13 Retinal camera with adaptive optics system

圖14 通過大氣湍流激光傳播的自適應光束控制系統(tǒng)Fig.14 Adaptive beam control system for laser propagation through turbulence

在自由空間激光通信的收發(fā)光學系統(tǒng)中，自適應光學可以對傳播路徑中大氣湍流引起的波前畸變進行預補償，使光束能量集中從而降低誤碼率［48-51］。圖15為用于激光通信的某自適應光學系統(tǒng)［52］。

圖15 用于激光通信的自適應光學系統(tǒng)Fig.15 Adaptive optics system for laser communications

5 結(jié)束語

智能光學是在主動光學和自適應光學基礎上發(fā)展起來的一個新興的概念，它提供了一條從動態(tài)系統(tǒng)角度認識現(xiàn)代光學系統(tǒng)的技術(shù)途徑。智能光學技術(shù)可使光學系統(tǒng)具有動態(tài)可調(diào)、可測、可控的能力，從而能夠有效提高系統(tǒng)的性能以及設計的靈活性。目前，對智能光學概念尚缺乏統(tǒng)一明確的認識，智能光學的動態(tài)調(diào)制和動態(tài)探測技術(shù)還在繼續(xù)發(fā)展并與其他領域的技術(shù)融合，智能光學系統(tǒng)的應用范圍仍在逐漸擴展，其新應用也不斷出現(xiàn)。根據(jù)目前的發(fā)展趨勢，我們認為智能光學技術(shù)在現(xiàn)代光學系統(tǒng)中必將起到越來越重要的作用，而且在更多的領域中也將得到越來越廣泛的應用。

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Concept and development of smart optics

WANG Jian-li，LIU Xin-yue*
（Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）

，E-mail：sirliuxy@sina.com

Smart optics is an emerging concept developed from conventional optics based on the active optics and adaptive optics.This paper introduces the evolution and development of smart optics and explains and extends its conceptand scopes further.Then，it summarizes and comments the developing states and applications of the smart optics，which mainly includes the dynamic optical modulation，dynamic optical sensing，and smart optics systems，involving the telescopes，microscopes，lasers，etc.in the applications of astronomy，military，space，biology，medicine，etc..Finally，the future outlooks of developments and applications of smart optics are given.

smart optics；active optics；adaptive optics；dynamic opticalmodulation；dynamic optical detection

TH74；O439

A

10.3788/CO.20130604.0437

王建立（1971—），男，山東曲阜人，博士，研究員，博士生導師，2002年于中國科學院長春光學精密機械與物理研究所獲得博士學位，主要從事空間目標探測技術(shù)、地基高分辨率成像光電望遠鏡總體技術(shù)等方面的研究。E-mail：wangjianli@ciomp.ac.cn

劉欣悅（1973—），男，遼寧大連人，博士，副研究員，2006年于中國科學院長春光學精密機械與物理研究所獲得博士學位，主要從事光學成像技術(shù)及圖像處理分析方面的研究。E-mail：sirliuxy @sina.com

1674-2915（2013）04-0437-12

2013-07-09；

2013-08-16

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目（No.2012AAXXX1003P）