什么是自適應(yīng)光學(xué)？自適應(yīng)光學(xué)原理與方法的發(fā)展

對(duì)于傳統(tǒng)的地基天文望遠(yuǎn)鏡，由于受到大氣湍流影響，即使口徑增大，設(shè)計(jì)、加工能力提高，分辨率也無法獲得衍射極限水平。為解決該問題，1953年，美國天文學(xué)家H.W.Babkock提出自適應(yīng)光學(xué)（Adaptive Optics，AO）概念；1957年，蘇聯(lián)天文學(xué)家Linnik也提出類似思想。

經(jīng)過多年的發(fā)展，光學(xué)工作者創(chuàng)立了一個(gè)光學(xué)新分支——自適應(yīng)光學(xué)。

目前，世界上大型的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)都采用了自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，自適應(yīng)光學(xué)的出現(xiàn)為補(bǔ)償動(dòng)態(tài)波前擾動(dòng)，提高光波質(zhì)量提供了新的研究方向。

60多年來，自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)獲得蓬勃發(fā)展，現(xiàn)已應(yīng)用于天文學(xué)、空間光學(xué)、激光、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

在天文學(xué)領(lǐng)域，用于克服大氣湍流形成的波前動(dòng)態(tài)擾動(dòng)，提高光學(xué)儀器分辨率及信噪比；在空間光學(xué)領(lǐng)域，用于遙感成像、戰(zhàn)略防御等系統(tǒng)，以克服設(shè)計(jì)、制造、裝調(diào)及熱、結(jié)構(gòu)變形等誤差；在激光領(lǐng)域，用于克服激光器腔內(nèi)熱變形、光學(xué)元件加工及裝調(diào)誤差、激光增益介質(zhì)不均勻、諧振腔失調(diào)、大氣湍流擾動(dòng)及熱暈效應(yīng)等，以提高高能束到達(dá)靶標(biāo)的能量密度或解決激光通信中激光鏈路相干度退化及可用度降低問題；在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，用于校正各類系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)像差，以獲得清晰的生物組織圖像。

自適應(yīng)光學(xué)集成了光、機(jī)、電、熱、計(jì)算機(jī)、控制等多門學(xué)科的專業(yè)知識(shí)，是一門以多學(xué)科為基礎(chǔ)，以實(shí)際波前誤差為根據(jù)，實(shí)時(shí)校正波前誤差的學(xué)科。

與傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)相比，其在校正光學(xué)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)誤差方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。依據(jù)波前誤差源的時(shí)頻與空頻特性，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)可采用適宜的、各具特色的波前傳感與校正方法，且校正器件種類繁多。

在國際上，通常把校正低頻誤差源的光學(xué)系統(tǒng)稱為主動(dòng)光學(xué)（Active Optics）系統(tǒng)，主動(dòng)光學(xué)的研究內(nèi)容與自適應(yīng)光學(xué)極其相似，兩者的主要區(qū)別是誤差源、傳感器及校正器不同。主動(dòng)光學(xué)的誤差源主要是光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、加工與裝調(diào)、熱畸變、重力變形等誤差，時(shí)頻帶通常低于0.1 Hz，但是幅度可遠(yuǎn)大于幾個(gè)波長。

針對(duì)該類誤差的探測，除采用自適應(yīng)光學(xué)波前傳感器外，還有傳統(tǒng)的電容、電感傳感器以及形變傳感器等。而且，校正器往往放置于大口徑鏡體的背面，具有大型結(jié)構(gòu)，并可承受較重負(fù)載。但是，二者的共同點(diǎn)是主要的。

1

自適應(yīng)光學(xué)的發(fā)展

自適應(yīng)光學(xué)是一門體現(xiàn)科學(xué)性與工程性相結(jié)合的綜合性學(xué)科，是利用光傳播路徑上獲取的信息自動(dòng)改善光波質(zhì)量的理論、系統(tǒng)、技術(shù)和工程。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，新材料、新技術(shù)的涌現(xiàn)，自適應(yīng)光學(xué)也不斷地發(fā)展。美國學(xué)者Robert Tyson 稱，“自適應(yīng)光學(xué)并沒有一個(gè)獨(dú)立的發(fā)明者，而是成百上千的科研與技術(shù)工程人員共同努力下發(fā)展起來的?！碧貏e是近40年來，在自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域發(fā)生了許多革命性變革，科學(xué)工作者們不斷研究新方法、新技術(shù)以實(shí)現(xiàn)無畸變光束傳輸，獲取無畸變圖像。

在美國天文學(xué)家H. W. Babkock首先提出自適應(yīng)光學(xué)概念后；1978年，美國Itek公司的J.W.Hardy對(duì)自適應(yīng)光學(xué)的歷史、技術(shù)和前景作了綜合評(píng)論與總結(jié)。

至此，自適應(yīng)光學(xué)進(jìn)入了一個(gè)真正的發(fā)展時(shí)期，關(guān)鍵器件、信息處理方法、新概念、新系統(tǒng)等不斷涌現(xiàn)。以下從自適應(yīng)光學(xué)原理與方法、器件及應(yīng)用三個(gè)方面簡述自適應(yīng)光學(xué)的發(fā)展。

自適應(yīng)光學(xué)原理與方法的發(fā)展

1953年，H. W. Babkock提出用波前傳感器探測波前畸變信息，再用可任意變形的光學(xué)元件產(chǎn)生可控的光學(xué)移相來補(bǔ)償波前畸變，自適應(yīng)光學(xué)的基本概念由此產(chǎn)生。

1956年，B.Leighton研制了補(bǔ)償天文望遠(yuǎn)鏡影像運(yùn)動(dòng)的一階主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)，獲得了當(dāng)時(shí)最佳質(zhì)量的照片。

20世紀(jì)60年代初期，微波領(lǐng)域出現(xiàn)了對(duì)電磁波前進(jìn)行自適應(yīng)控制的技術(shù)。

1964年，M.I.Skolink和D.D.king提出了相位共軛與波前補(bǔ)償原理。

1964年，R.T.Adams提出發(fā)射波高頻振動(dòng)和接收波成像清晰度最大原理。

上述四種原理成為傳統(tǒng)校正式自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的基本原理。

1972年，B.Y.Zedovich觀察到非線性光學(xué)的相位共軛現(xiàn)象，利用該發(fā)現(xiàn)可自動(dòng)校正光波波前畸變。

經(jīng)5年持續(xù)研究，蘇聯(lián)學(xué)者在拉曼（Raman）散射和瑞利（Rayleigh）散射中亦發(fā)現(xiàn)了相位共軛波，從而出現(xiàn)了另一類型自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)———非線性光學(xué)式自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。目前，該系統(tǒng)適用于發(fā)射激光（但當(dāng)前實(shí)用的非線性介質(zhì)時(shí)間常數(shù)較大，限制了其應(yīng)用范圍）。

傳統(tǒng)的校正式自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性極好，但其包括波前傳感、控制與校正三部分，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴。隨著新技術(shù)和新器件的出現(xiàn)，自適應(yīng)光學(xué)也向著結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉的實(shí)用化方向發(fā)展。 從20世紀(jì)90年代開始，出現(xiàn)了無波前校正器與無波前傳感器自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。

1990年，J.Primot等提出解卷積式自適應(yīng)光學(xué)原理。通過實(shí)時(shí)測定波前誤差及目標(biāo)像的光強(qiáng)分布，用解卷積的方法恢復(fù)目標(biāo)像。該類系統(tǒng)無波前校正部分，結(jié)構(gòu)較為簡單，也具有較好的實(shí)時(shí)性與自適應(yīng)性，但要求計(jì)算速度較高。

另外，無波前傳感器自適應(yīng)光學(xué)（WavefrontSensorless Adaptive Optics， WSLAO）系統(tǒng)去掉了傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的波前傳感器，直接利用成像傳感器獲取波前誤差信息，實(shí)現(xiàn)了在結(jié)構(gòu)和工作流程上對(duì)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的簡化。

加之，隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)（Micro ElectroMechanical System， MEMS）的飛速發(fā)展，作為波前校正器的變形鏡體積趨向小型化，更為無波前傳感器自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)沿著小型集成、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的方向發(fā)展提供了條件。

按照校正模式，無波前傳感校正方法分為模型法與無模型法，典型的無模型法有高頻振動(dòng)法、爬山法、遺傳算法、隨機(jī)并行梯度下降法等。這些方法中都包含迭代循環(huán)，其收斂性不是十分穩(wěn)定或受到多方面因素的影響而不可預(yù)知，影響了校正效率。

2002年，英國牛津大學(xué)工程系Martin Booth等采用Lukosz模式，選用基于圖像的適宜評(píng)價(jià)函數(shù)，對(duì)光學(xué)掃描顯微鏡首次成功實(shí)施了基于圖像的無波前傳感器模型法自適應(yīng)光學(xué)校正。該方法避免了無模型法收斂不穩(wěn)定問題，校正所用的循環(huán)周期與所用模式階數(shù)相關(guān)，校正次數(shù)固定，具有較好的實(shí)時(shí)性。

上述自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)各具特點(diǎn)，需要根據(jù)所校正的誤差源特性及應(yīng)用環(huán)境合理選擇。

自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)器件的發(fā)展

自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)器件主要包括波前校正器、波前傳感器及波前控制器。

波前校正器波前校正器是以光學(xué)移相技術(shù)為基礎(chǔ)，通過改變折射率與光路長度實(shí)現(xiàn)波前校正。分為傾斜鏡（Tip-Tilt Mirror，TTM）與變形鏡（Deformable Mirror，DM）兩大類。

傾斜鏡用于波前畸變整體傾斜校正，隨著科技的進(jìn)步，傾斜鏡校正誤差的動(dòng)態(tài)范圍及時(shí)間頻率不斷增大，能夠滿足不同使用環(huán)境的需求。德國PI公司是傾斜鏡主要制造商之一，其生產(chǎn)的傾斜鏡動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)30 μm（Z方向位移）、50 mrad（tilt-X，tilt-Y）或更高，快速響應(yīng)可達(dá)亞微秒量級(jí)，已廣泛應(yīng)用于天文、軍事等領(lǐng)域。

除波前整體傾斜外，其他高階項(xiàng)畸變可用變形鏡（反射鏡面面形可主動(dòng)控制）校正。自1966年第一塊變形鏡問世至今的50多年中，隨著超精密加工技術(shù)、電子技術(shù)、新材料技術(shù)及MEMS技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)，變形鏡的發(fā)展經(jīng)歷了從分立力致動(dòng)變形鏡、連續(xù)力致動(dòng)變形鏡、單壓電陶瓷致動(dòng)變形鏡、堆疊式壓電陶瓷變形鏡到MEMS變形鏡5個(gè)階段。

1966年，美國國家航空航天局（NASA）為其56 cm太陽望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)加工了世界上第一塊變形鏡———分立變形鏡，其由3塊小反射子鏡拼合而成，每塊子鏡后有3個(gè)致動(dòng)器，可校正鏡面的二維傾斜（tilt-tilt）與軸向平移（pistion）；隨后，珀金·埃爾默公司（Perkin Elmer）為NASA制造了第一塊連續(xù)表面變形鏡，其口徑為76 cm，有61個(gè)致動(dòng)器，鏡面厚12 mm，面形精度為0.5 λ。

1973年，Itek公司發(fā)明了單壓電陶瓷致動(dòng)器（Monolithic Piezoelectric Mirror，MPM），并成功應(yīng)用于實(shí)時(shí)大氣補(bǔ)償（Real-TimeAtmospheric Compensation，RTAC）計(jì)劃中。

1979年，Itek公司又為美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）制造了第一個(gè)堆疊式壓電陶瓷變形鏡（Stacked Actuator Deformable Mirror，SADM），堆疊的壓電陶瓷結(jié)構(gòu)，可使變形鏡在較低工作電壓下獲得較大動(dòng)態(tài)范圍。

1986年，得州儀器中心研究室研制成功第一個(gè)微變形鏡陣列（Deformable Mirror Device，DMD），在硅基片上，應(yīng)用微電子加工工藝制造出靜電致動(dòng)器陣列，利用靜電力使硅反射膜發(fā)生形變，補(bǔ)償畸變波前相位差。

到了20世紀(jì)90年代，隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，變形鏡的研發(fā)朝著高精度、低功耗、低成本、模塊化的方向邁進(jìn)。

MEMS變形鏡的主要特點(diǎn)是體積小（其單元尺寸達(dá)到微米級(jí)，可與光波波長相比擬），便于儀器小型化；可采用集成電路的平面工藝制作，易于批量生產(chǎn)，價(jià)格便宜；易于制成多陣列元件，產(chǎn)品性能重復(fù)性好，成品率高，便于光機(jī)電集成；具有低慣性，即使在高頻工作狀態(tài)下，也可通過較小的力進(jìn)行精確定位，此外還具有寬帶寬的優(yōu)點(diǎn)。

MEMS變形鏡按照表面形狀可分為連續(xù)表面變形鏡和分立表面變形鏡兩種，后者按致動(dòng)方向又可分為piston型和pistion-tip/tilt型。其主要的鏡面材料有薄膜、多晶硅、單晶硅及金屬，致動(dòng)器類型也可分為靜電、熱、壓電、記憶合金及磁等。歐美等國在MEMS反射鏡的研究與制造能力方面處于世界領(lǐng)先水平，如波士頓大學(xué)、波士頓微機(jī)械公司、AFRL、艾斯自適應(yīng)光學(xué)公司、得州儀器、加州大學(xué)伯克利分校、貝克自適應(yīng)光學(xué)公司、OKO公司等。

目前，單元數(shù)最多的MEMS變形鏡是波士頓微機(jī)械公司研制的4096單元變形鏡，其將被應(yīng)用于Gemini South望遠(yuǎn)鏡上。

由于上述各類變形鏡的表面運(yùn)動(dòng)可見，將其稱為慣性型變形鏡。此外，還有利用電光、聲光等特性研制而成的非慣性型變形鏡，如液晶空間光調(diào)制器、聲光調(diào)制器等。

波前傳感器自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的另一個(gè)重要器件是波前傳感器。波前傳感技術(shù)分為直接測量和間接測量兩類。直接波前測量，即直接探測入瞳面被測波前的特征量。該類方法主要分為兩類，一類是通過測量波前斜率獲得波前相位信息，典型的有夏克－哈特曼（Shack-Hartmann，SH）法、金字塔波前傳感法以及由這些方法派生出來的其他類似方法。

1971年，夏克（R.K.Shack）基于經(jīng)典的測量幾何像差的哈特曼（Hartmann）方法，研制成功了夏克－哈特曼（SH）波前傳感器。隨著高靈敏度、高量子效率、低噪聲的新型陣列式光電探測器件，如像增強(qiáng)CCD、光子計(jì)數(shù)雪崩光電二極管陣列等的不斷問世，夏克－哈特曼波前傳感技術(shù)不斷改進(jìn)，在子孔徑數(shù)很多和參考光很弱的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中，夏克－哈特曼波前傳感器已成為使用最廣泛的一種波前傳感器。

近20年來，在不同的應(yīng)用背景中，發(fā)展了擴(kuò)展目標(biāo)波前傳感器和金字塔波前傳感器。另一類是通過測量波前曲率獲得波前相位信息，典型的有波前曲率傳感器，于1988年由F.Roddier提出，它與雙壓電變形反射鏡或薄膜變形反射鏡結(jié)合，可將波前誤差的輸出信號(hào)直接用于波前畸變校正，但是只適用于波前低階模誤差的測定。

直接測量方法中，還可將整個(gè)光瞳面相位分布在模式上分解成各階波前，設(shè)法探測出各階模式系數(shù)，繼而由各階系數(shù)重構(gòu)出整個(gè)波前分布，典型的有整體傾斜傳感器、離焦傳感器、光學(xué)全息傳感器等。 1972年，R.N.Smartt提出點(diǎn)衍射干涉儀，可以直接測量波前的相位分布。由于這種干涉儀的光能利用率很低，所以只適用于發(fā)射強(qiáng)激光的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。

間接波前測量，即通過測量與光波波前存在一定數(shù)學(xué)關(guān)系的其他物理量間接獲得波前信息，如由被測入瞳波前在后焦面上或附近的光強(qiáng)分布而逆解出入瞳波前分布的相位恢復(fù)（Phase Retrieval，PR）法和相位變更（Phase Diversity，PD）法。

1972年，Gerchberg Saxton提出從已知像平面和衍射平面（出射光瞳）上的強(qiáng)度分布，計(jì)算出兩個(gè)平面上的相位分布（稱為GS算法）。

1973年，Misell仿照GS算法，提出從兩個(gè)離焦平面上的強(qiáng)度分布，計(jì)算出兩個(gè)離焦平面上的相位分布，稱為Misell算法，從而將離焦型相位變更應(yīng)用于點(diǎn)光源（目標(biāo)）的相位恢復(fù)波前傳感中。

1982年，Gonsalves提出相位變更法，將其應(yīng)用于擴(kuò)展光源（目標(biāo)）的相位恢復(fù)波前傳感中，通過獲得多個(gè)添加不同相位變更后的像面光強(qiáng)分布，可同時(shí)求解出被測波前和成像系統(tǒng)的物分布。該兩種方法的傳感系統(tǒng)相對(duì)簡單，但傳感原理和相應(yīng)算法比較復(fù)雜。

目前，難以用于快速變化波前的傳感，但其空間分辨率高、空間頻率范圍大、精度高，比夏克－哈特曼波前傳感的某些性能有明顯的優(yōu)勢。因此，當(dāng)波前傳感對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高時(shí)（在主動(dòng)光學(xué)中），它是首選的波前傳感方案，在近些年來引起了較高的重視并引發(fā)了研究熱潮。

波前控制器波前傳感器輸出信息一般要經(jīng)過處理，即經(jīng)過波前重構(gòu)后才能得到校正波前信號(hào)。連接波前傳感器與波前校正器的就是波前控制器。它最早是模擬電路，精度低，也缺乏靈活性，現(xiàn)在已全部采用數(shù)字電路。

在算法上，D.L.Fried等詳細(xì)研究了區(qū)域法重構(gòu)波前算法，為快速、精確重構(gòu)波前和消除病態(tài)解問題打下了良好基礎(chǔ)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是方法簡單，要求的計(jì)算速度不特別高；缺點(diǎn)是沒有分離出對(duì)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)非常重要的波前傾斜量和離焦量。

1979年，R.Cubealchini提出了用Zernike多項(xiàng)式重構(gòu)波前的算法（稱為模式法），解決了區(qū)域法存在的問題，但是也存在模式間耦合和混淆以及要求很高的計(jì)算速度問題。在這以后，為了提高區(qū)域法和模式法的計(jì)算精度、降低計(jì)算容量和速度、消除病態(tài)解等，還提出了許多優(yōu)化算法。為了實(shí)現(xiàn)快速算法，還研制了專用數(shù)字計(jì)算機(jī)、脈動(dòng)（Systolic）運(yùn)算器、空間光運(yùn)算器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算器等。

自適應(yīng)光學(xué)應(yīng)用的發(fā)展

自適應(yīng)光學(xué)發(fā)展之初主要服務(wù)于軍事應(yīng)用，之后，隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展與變革，開始向天文觀測等民用領(lǐng)域推廣，在天文界形成了應(yīng)用自適應(yīng)光學(xué)的熱潮。

隨著新技術(shù)、新工藝及新材料的不斷涌現(xiàn)，目前自適應(yīng)光學(xué)除應(yīng)用于天文觀測外，還廣泛應(yīng)用于軍事及民用等其他領(lǐng)域。例如，激光大氣傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)誤差校正，激光加工中的光束穩(wěn)定、凈化和整形，激光核聚變波前校正，大型航天望遠(yuǎn)鏡由溫度變化和失重造成變形的補(bǔ)償，空間相機(jī)光軸的擺動(dòng)和抖動(dòng)誤差校正，自由空間激光通信大氣擾動(dòng)的補(bǔ)償，紅外制導(dǎo)的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)校正，光學(xué)掃描顯微鏡系統(tǒng)的誤差校正及人眼視網(wǎng)膜高分辨率成像等。

1）軍事應(yīng)用

自適應(yīng)光學(xué)的應(yīng)用可以追溯到20世紀(jì)的70年代，美國是研究自適應(yīng)光學(xué)最早和投入最大的國家。雖然該概念是為滿足天文觀測的需要提出的，但是最早卻應(yīng)用在了軍事領(lǐng)域。

1982年，世界上第一臺(tái)實(shí)用化的天文觀測自適應(yīng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡被安裝在美國夏威夷的Maui島上，用于美國空軍探測基地觀察近地軌道上運(yùn)行的空間目標(biāo)（衛(wèi)星、助推器及其殘?。闷湫螒B(tài)特性進(jìn)行識(shí)別和分類。該系統(tǒng)工作于可見光波段，有168個(gè)子孔徑，波前傳感器采用交流橫向剪切干涉儀，波前校正器為整塊式壓電變形鏡，系統(tǒng)帶寬1000Hz，探測靈敏度達(dá)到7等星。

美國的“星球大戰(zhàn)”計(jì)劃直接促進(jìn)了自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的研究與應(yīng)用。

1982-1985年，麻省理工學(xué)院研制出自適應(yīng)光學(xué)激光光束補(bǔ)償系統(tǒng)，并于1984年和1985年分別對(duì)飛機(jī)和探空火箭、航天飛機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，均獲得成功，是美國“星球大戰(zhàn)”計(jì)劃取得的重要進(jìn)展。在對(duì)地偵察方面，美軍發(fā)射了多顆偵察衛(wèi)星，均采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)以提高地面分辨率。例如，KH-12偵察衛(wèi)星，由于采用了自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，在160 km的軌道高度上觀測地面目標(biāo)，可獲得分辨率為8-10 cm的可見光圖像。

除了對(duì)地偵察外，自適應(yīng)光學(xué)更是激光武器中的關(guān)鍵技術(shù)之一，以強(qiáng)激光武器為背景開展了大量的研究工作。

1990年，美國發(fā)射了名為“低功率大氣補(bǔ)償試驗(yàn)”（LACE）衛(wèi)星，用來驗(yàn)證自適應(yīng)光學(xué)對(duì)激光束的校正能力。

1991年，MIT對(duì)LACE衛(wèi)星進(jìn)行發(fā)射激光試驗(yàn)，達(dá)到0.2′′的接近衍射極限的高分辨率，并且還進(jìn)行了激光導(dǎo)星和合作目標(biāo)試驗(yàn)，取得成功，創(chuàng)造了衛(wèi)星跟蹤精度的世界紀(jì)錄，從而證明了自適應(yīng)光學(xué)可以有效地校正地面向衛(wèi)星發(fā)射激光束所受大氣湍流的影響。

1990年，卡門（Kaman）宇航公司也進(jìn)行了激光光束校正試驗(yàn)，采用交變剪切干涉儀作波前傳感器，采樣頻率為3950幀／s，并采用登山法校正低階Zernike像差，使像清晰化函數(shù)達(dá)極值。

1990年，美國洛倫茲·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室建立了一個(gè)校正激光像散的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，采用哈特曼波前傳感器和壓電驅(qū)動(dòng)的15單元變形反射鏡，校正頻率為6 Hz。

1992年，TETC公司開展了自適應(yīng)光學(xué)激光光束控制系統(tǒng)的研究，采用直流剪切干涉儀，應(yīng)用3.5 GHz的脈動(dòng)陣列完成波前處理，系統(tǒng)帶寬2 kHz，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果使斯特列爾比（Strehl Ratio，SR）從0.1提高到0.55。

近年來，美國在其龐大的天基激光器（SBL）、機(jī)載激光器（ABL）、地基反衛(wèi)星激光器、艦載激光器等計(jì)劃中都采用了自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，并在多次激光打靶試驗(yàn)中成功地進(jìn)行了應(yīng)用。

2）天文觀測

如上所述，自適應(yīng)光學(xué)是為解決大氣湍流問題應(yīng)運(yùn)而生的，已廣泛地應(yīng)用于天文觀測領(lǐng)域中。

1981年，J.Feinleib提出激光瑞利散射導(dǎo)星的概念，使自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)觀察弱光目標(biāo)成為可能。

1984年，美國洛克希德公司研制了用于觀察太陽的自適應(yīng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。

1987-1990年，歐洲南方天文臺(tái)（ESO）在法國空間研究院和Laserdot公司的協(xié)助下，開展了COME-ON的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)研制計(jì)劃。該系統(tǒng)相繼于1989年在法國Haute省天文臺(tái)的1.5 m望遠(yuǎn)鏡上和1990年在智利La-Sila山上的ESO3.6 m望遠(yuǎn)鏡上試驗(yàn)成功，并進(jìn)行了實(shí)用的天文觀測。這是自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)在天文觀測上第一次成功的應(yīng)用，是天文觀測技術(shù)發(fā)展的里程碑。

1991年，美國軍方對(duì)其自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)進(jìn)行了局部解密，促使自適應(yīng)光學(xué)向天文觀測、工業(yè)、醫(yī)學(xué)等民用領(lǐng)域發(fā)展，掀起了自適應(yīng)光學(xué)研究的熱潮。

目前，許多地基望遠(yuǎn)鏡，特別是大口徑地基望遠(yuǎn)鏡都采用了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)校正大氣湍流所帶來的波前畸變誤差，如位于美國新墨西哥州的1.5 m自適應(yīng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡；美國加州LICK天文臺(tái)的3.5 m自適應(yīng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡；位于西班牙的德國—西班牙天文中心3.5 m自適應(yīng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡；位于夏威夷Mauna Kea島的8 m北半球雙子星Gemini自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡；日本8.3的Subaru自適應(yīng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡；位于智利的ESO的8 m VLT自適應(yīng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡；位于美國夏威夷的10 m口徑超大雙子型Keck自適應(yīng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)等。

此外，很多正在建設(shè)的大口徑望遠(yuǎn)鏡也都計(jì)劃采用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，如ESO 50 m歐洲超大望遠(yuǎn)鏡（E-ELT）、美國與加拿大共同設(shè)計(jì)研究的30 m大口徑望遠(yuǎn)鏡（TMT）、美國25 m大麥哲倫望遠(yuǎn)鏡（GMT）等，均在設(shè)計(jì)時(shí)加入了自適應(yīng)光學(xué)校正系統(tǒng)。

除對(duì)星觀測外，太陽觀測也是天文領(lǐng)域一個(gè)重要的研究課題。由于太陽是擴(kuò)展目標(biāo)，傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)由于受到大氣非等暈的影響，不能滿足校正要求。

1988年，J.Beckers首次提出多層共軛自適應(yīng)光學(xué)（Multi Conjugate Adaptive Optics，MCAO）的概念，可以有效地?cái)U(kuò)大校正視場，特別適用于太陽望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。

從20世紀(jì)90年代末開始，MCAO系統(tǒng)的研究進(jìn)入一個(gè)黃金時(shí)代。目前，以美國和德國為代表的許多國家都在研制多層共軛自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，大大推動(dòng)了自適應(yīng)光學(xué)在天文觀測領(lǐng)域的應(yīng)用。

例如，位于夏威夷Haleakala天文臺(tái)的ATST（現(xiàn)改名DKIST）是由美國國家太陽天文臺(tái)牽頭，22家研究機(jī)構(gòu)共同參與研制，口徑為4 m的大型地面太陽望遠(yuǎn)鏡，工作波長為300 nm～35 μm。該望遠(yuǎn)鏡的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)包括高階自適應(yīng)光學(xué)校正系統(tǒng)（子口徑1232單元SH-WFS、快速傾斜鏡及1313單元DM）、自適應(yīng)次鏡（336單元）及MCAO系統(tǒng)三個(gè)部分，擬采用主動(dòng)光學(xué)（校正主鏡重力、熱變形誤差）和自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)（校正大氣擾動(dòng)），實(shí)現(xiàn)高分辨率太陽觀測。

2010-2012年，德國科學(xué)家連續(xù)發(fā)表了所擁有的VTT及GREGOR太陽望遠(yuǎn)鏡研究現(xiàn)狀，其鮮明特色為采用MCAO系統(tǒng)擴(kuò)大太陽望遠(yuǎn)鏡高分辨率成像視場。

2013年11月，GREGOR望遠(yuǎn)鏡更新了MCAO系統(tǒng)，并可與之前的傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)自由切換，GREGORMCAO系統(tǒng)使用了三個(gè)DM分別共軛在0 km、8 km、25 km的高度，兩個(gè)相關(guān)夏克－哈特曼傳感器（CSHWFS），預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)1′的校正視場。

2013年11月和2014年1月進(jìn)行了太陽觀測試驗(yàn)，但效果并不理想，系統(tǒng)仍需調(diào)試。美國大熊湖天文臺(tái)1.6 m口徑太陽望遠(yuǎn)鏡NST，于2013年10月安裝了一套自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)AO-308，使用了一個(gè)308子孔徑的SHWFS和一個(gè)357致動(dòng)單元的DM，后來又更新了MCAO系統(tǒng)，增加了兩個(gè)357致動(dòng)單元的DM。NSTMCAO系統(tǒng)的三個(gè)DM，其中一個(gè)與系統(tǒng)入瞳共軛，另外兩個(gè)分別與2～5 km和6～9 km的高層大氣共軛，這兩個(gè)DM可以沿軌道靈活調(diào)整共軛位置，也可以互換位置。

2014年4月，NST成功進(jìn)行了太陽觀測試驗(yàn)，試驗(yàn)表明MCAO系統(tǒng)擴(kuò)大了校正視場。但是，圖像的校正效果并不明顯，還需要進(jìn)一步完善。

此外，歐洲計(jì)劃發(fā)展的4 m太陽望遠(yuǎn)鏡（EST）將采用集成自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)和多層共軛自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的方案。2012年發(fā)表的文獻(xiàn)中提到，EST使用兩套自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，分別是傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)（Conventional Adaptive Optics，CAO）系統(tǒng)和MCAO系統(tǒng)。其中，MCAO系統(tǒng)使用五個(gè)DM，分別共軛在0和1.6 km、6.6 km、10.6 km、23.6 km高空；在傳感器方面，中心視場采用一個(gè)高階CSHWFS，邊緣視場使用一個(gè)低階CSHWFS，EST計(jì)劃實(shí)現(xiàn)1′以上的校正視場。

除了MCAO系統(tǒng)外，Rigaut于2000年提出的地表層自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)（Ground LayerAdaptive Optics，GLAO）目前也在天文觀測領(lǐng)域被廣泛關(guān)注。GLAO大部分試驗(yàn)研究在夜天文自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)上開展。

2006年，美國亞利桑那大學(xué)在1.55 m口徑的Kuiper望遠(yuǎn)鏡上開展開環(huán)GLAO試驗(yàn)，可以在2′視場內(nèi)進(jìn)行可見光到紅外波段的恒星成像。位于南美智利的4.1 m SOAR望遠(yuǎn)鏡上裝備了單導(dǎo)星GLAO試驗(yàn)系統(tǒng)SAM，采用了一顆高度為7 km、波長為355 nm的紫外光瑞利導(dǎo)星，60單元雙壓電變形鏡，工作在藍(lán)光（320 nm）到近紅外波段，視場為3′的方形區(qū)域，在天氣情況良好的條件下校正后的圖像半寬高（FWHM）能達(dá)到0.3′′。

一般情況下，I波段FWHM為0.4′′，V波段為0.5′′。位于美國亞利桑那州格拉漢姆山國際天文臺(tái)的8.4 m口徑大雙筒望遠(yuǎn)鏡也裝備了GLAO試驗(yàn)系統(tǒng)，名為ARGOS。大雙筒望遠(yuǎn)鏡的每只“眼”都裝備有三個(gè)波長為532 nm的綠光瑞利導(dǎo)星，傳感區(qū)域直徑為2′，成像視場大小為4′，工作在可見光到中紅外波段，并使用一個(gè)672單元的自適應(yīng)次鏡進(jìn)行校正。

在2014年和2015年進(jìn)行的觀測試驗(yàn)中，裝備了ARGOS系統(tǒng)后的校正效果在H波段可以達(dá)到0.27′′，與未校正的圖像相比效果提升了近40％。

3）空間光學(xué)遙感

空間光學(xué)遙感器成像質(zhì)量一方面取決于光學(xué)系統(tǒng)自身的設(shè)計(jì)、制造、裝調(diào)；另一方面與系統(tǒng)熱變形、力學(xué)變形、遙感器平臺(tái)抖動(dòng)等諸多影響因素有關(guān)。

為了實(shí)現(xiàn)空間光學(xué)遙感器高分辨率成像的目標(biāo)，必須對(duì)系統(tǒng)中誤差源的特性及其對(duì)像質(zhì)的影響進(jìn)行詳細(xì)分析，同時(shí)采取必要的措施將誤差限制在可以接受的范圍以內(nèi)。

當(dāng)對(duì)系統(tǒng)的像質(zhì)要求很高時(shí)，采用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)（主動(dòng)光學(xué)）校正波前誤差是較為常用的解決辦法，在有些情況下甚至是唯一可行的解決辦法。

目前，國際上已有多個(gè)空間光學(xué)遙感器采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高分辨率成像觀測，如哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（HST）、下一代空間望遠(yuǎn)鏡（NGST）、詹姆斯－韋伯空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）、美國空軍發(fā)展大型空間可折疊展開光學(xué)系統(tǒng)研究計(jì)劃等。

HST主鏡后裝有24個(gè)面形致動(dòng)器，次鏡后裝有6個(gè)位置致動(dòng)器，均由計(jì)算機(jī)控制，可以實(shí)現(xiàn)主鏡和次鏡的準(zhǔn)確定位，并修正鏡面的重力變形、發(fā)射過程中的力學(xué)變形和在軌工作時(shí)的溫度變形。

LDR是美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）于1985年提出的大型空間可展開望遠(yuǎn)鏡方案，采用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)校正主鏡的分塊鏡位置誤差以及鏡面熱變形和材料老化引起的低階像差。

1998年，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了美國空軍發(fā)展大型空間可折疊展開光學(xué)系統(tǒng)的研究計(jì)劃（AFRL計(jì)劃），該計(jì)劃的應(yīng)用目標(biāo)是空基激光彈道導(dǎo)彈防御計(jì)劃中的激光鏡及戰(zhàn)略偵察傳輸式衛(wèi)星相機(jī)主鏡。采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)波前傳感與誤差校正。

NGST是NASA在1996年正式啟動(dòng)的作為哈勃望遠(yuǎn)鏡繼任者的下一代空間望遠(yuǎn)鏡研究計(jì)劃（后更名為JWST），光學(xué)系統(tǒng)采用三鏡消像散及分塊主鏡結(jié)構(gòu)，采用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)分階段校正主鏡各分塊鏡、次鏡、三鏡的位置誤差和面形誤差。2002年，在NGST的基礎(chǔ)上，開展了JWST的研究。JWST采用了復(fù)雜的波前傳感和控制方法逐級(jí)校正波前誤差，在工作波長大于2 μｍ時(shí)可以達(dá)到接近衍射極限的像質(zhì)。

4）其他領(lǐng)域

激光應(yīng)用領(lǐng)域

1985年，中國科學(xué)院成都光電技術(shù)研究所在“神光”Ｉ激光核聚變裝置中采用爬山法實(shí)現(xiàn)了激光波前校正，開創(chuàng)了自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)在激光核聚變裝置中使用的先河。接著，其他國家也都在其各自的激光核聚變裝置中添加了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)以校正激光束的波前。

1988年，TRW公司聯(lián)合Itek公司利用像差補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)化學(xué)激光器輸出光束進(jìn)行凈化和診斷。此后，采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的光束凈化裝置成為很多輸出高質(zhì)量光束激光器的重要組成部分。

2003年，日本早稻田大學(xué)的Hirokilshkawa等報(bào)道了利用一塊雙壓電變形鏡對(duì)重復(fù)頻率50 Hz，峰值功率7 TW（168 mJ/脈沖，24 fs/脈沖）的Ti:Sapphire激光器系統(tǒng)進(jìn)行光束凈化，哈特曼傳感器用來測量系統(tǒng)的波前畸變。經(jīng)校正后，SR由0.073提高到了0.87。

2003年，法國的Thomas Planchon等報(bào)道了10Hz/100TW CPATi ： Sapphier激光器光束凈化結(jié)果，其中波前校正器為36單元的雙壓電變形鏡，哈特曼傳感器用于探測激光器及系統(tǒng)中球面反射鏡的波前畸變。

對(duì)于F數(shù)分別為6.7、5和3.3的球面鏡，SR分別由校正前的0.10、0.02和0.01提升到校正后的0.94、0.89和0.71。

2005年，LLNL的科學(xué)家K.N.LaFortune等報(bào)道了對(duì)平均功率為10 kW的脈沖固體熱容激光器實(shí)施腔內(nèi)校正的結(jié)果。在激光器沒有運(yùn)行時(shí)，先用參考光束入射到諧振腔內(nèi)，用哈特曼傳感器測量該參考光，對(duì)靜態(tài)像差進(jìn)行預(yù)校正。開啟激光器后，用哈特曼傳感器探測出射的主激光，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)像差進(jìn)行校正。SR由0.03提高到最多達(dá)0.26，充分證明了該校正系統(tǒng)及方法的有效性。

2006年，J.V.Sheldkova等報(bào)道了應(yīng)用水冷雙壓電變形鏡的1 kW連續(xù)二極管泵浦固體激光器光束凈化試驗(yàn)，優(yōu)化算法采用基于爬山法和遺傳算法的改進(jìn)算法，低功率下腔外校正使Ｍ2因子由6減小到3，在高功率下腔內(nèi)校正使Ｍ2因子由55減小到50。

2008年，S.Fourmaux等報(bào)道了利用48個(gè)驅(qū)動(dòng)器的雙壓電變形鏡對(duì)重復(fù)頻率10 Hz，平均功率200 TW，功率密度1020 W／cm2的高亮度Ti:Sapphire脈沖固體激光器光束凈化試驗(yàn)研究，經(jīng)校正后，遠(yuǎn)場光斑聚焦性明顯提升，SR由0.34提高至0.84。

同年，JiPingZou等人報(bào)道了法國LULI2000拍瓦激光系統(tǒng)波前畸變控制情況，該系統(tǒng)中采用了PHASICS的四波橫向剪切干涉儀作為波前探測器，控制一塊32單元的雙壓電變形鏡實(shí)施光束凈化，最終遠(yuǎn)場光斑的SR由0.2提高到0.7。

另外，英國Strathclyde大學(xué)的Walter Lubegt等也于2008年報(bào)道了應(yīng)用37單元薄膜變形鏡作為激光器腔鏡，提高板條激光器亮度的研究。

分別利用遺傳算法和模擬退火算法控制變形鏡使得輸出功率6W的側(cè)面泵浦Nd:YaO激光器和輸出功率15 W掠入射Nd:GdVO4激光器光束質(zhì)量提高，其中掠入射Nd:GdVO4激光器兩方向M2因子分別由27減小到9，由10.5減小到3。

2009年，Strathclyde大學(xué)WLubeigt等用變形鏡校正固體激光介質(zhì)開機(jī)過程中的動(dòng)態(tài)熱透鏡效應(yīng)，使激光器的“開機(jī)全亮?xí)r間”縮短了1/6～1/3。

N.K.Metzge等在2010年報(bào)道了超短脈沖激光腔內(nèi)光束凈化試驗(yàn)，凈化系統(tǒng)使脈沖持續(xù)時(shí)間降低了41 fs。

2011年，俄羅斯V.V.Kiyko等報(bào)道了一種輸出模式可控的固體激光器，該激光器采用變形鏡進(jìn)行模式控制，可以輸出基模、平頂光和幾種超高斯光束。

2012年，德國Stuttgart大學(xué)在一臺(tái)單盤片激光器中，利用變形鏡作為諧振腔的高反射腔鏡，實(shí)現(xiàn)了最大輸出功率達(dá)800 W，光束質(zhì)量M2≈1.2，接近衍射極限的光束輸出。

2013年，南非Sandil Ngcobo等報(bào)道了一臺(tái)能夠產(chǎn)生任意模式輸出的“數(shù)字激光器”。該激光器采用液晶空間光調(diào)試器（SLM）作為諧振腔的腔鏡。通過改變液晶空間光調(diào)制器位相，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器輸出模式的實(shí)時(shí)控制，理論上數(shù)字激光器可以實(shí)現(xiàn)任意模式的激光輸出。

2015年，俄羅斯Julia Sheldakova等利用雙壓電變形鏡和夏克－哈特曼波前探測器搭建了一套焦面光束整形系統(tǒng)，取得了較好的校正效果。

生物醫(yī)學(xué)、眼科領(lǐng)域

近年來，在光學(xué)掃描顯微鏡、眼底視網(wǎng)膜成像等領(lǐng)域，自適應(yīng)光學(xué)也顯示了很好的應(yīng)用前景。例如，在眼底視網(wǎng)膜成像領(lǐng)域，涌現(xiàn)了許多應(yīng)用自適應(yīng)光學(xué)的眼底成像系統(tǒng)。 目前，應(yīng)用于眼底成像的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)主要有CAO、MCAO及無波前傳感自適應(yīng)光學(xué)（WSLAO）。CAO因?yàn)榧夹g(shù)成熟，已經(jīng)廣泛與各種眼底成像技術(shù)結(jié)合，如蔡司公司出品的第四代OCT產(chǎn)品上都已經(jīng)整合了CAO技術(shù)。

MCAO是近幾年才開始用于眼底成像技術(shù)的，主要是為了解決CAO成像視場小的問題。

WSCAO可以視為一種CAO的替代，其不需波前傳感，可以簡化系統(tǒng)，是研究熱點(diǎn)之一。

1994年，美國Rochester大學(xué)視覺科學(xué)中心的Junzhongliang等將自適應(yīng)光學(xué)應(yīng)用于視覺研究，建立了世界上第一臺(tái)用于人眼的自適應(yīng)光學(xué)成像系統(tǒng)，并且首次得到了活體人眼高分辨率單視錐細(xì)胞圖像，證實(shí)了自適應(yīng)光學(xué)的引入可以很好地消除人眼像差等問題以得到高分辨率的圖像。

2004年，Hermann將時(shí)域光學(xué)相干層析技術(shù)（OCT）與自適應(yīng)光學(xué)結(jié)合，采用光路切換方式實(shí)現(xiàn)高分辨率眼底成像。

2009年，Cense Barry等將超輻射發(fā)光二極管及飛秒激光器應(yīng)用于AO-OCT得到了高分辨率的視網(wǎng)膜成像，分辨率達(dá)到3.2 μm。

2011年，Robert將自適應(yīng)光學(xué)分別應(yīng)用于激光掃描檢眼鏡（Scanning Laser Ophthalmoscopy，SLO）和OCT，采用兩種模式觀察視網(wǎng)膜，并得到了高分辨率的視網(wǎng)膜圖像，其中AO-SLO和AO-OCT分辨率均可以高于3.5 μm。

2012年，Takayama等將自適應(yīng)光學(xué)與SLO相結(jié)合，構(gòu)成AO-SLO系統(tǒng)，獲得了視神經(jīng)乳頭的高分辨率成像。

2006年，P.A.Bedggood等基于ZEMAX建立了MCAO眼底成像仿真模型。仿真結(jié)果表明，相對(duì)于CAO，MCAO可以將校正視場從2°擴(kuò)大至8°左右。

2009年，J.Thaung等也設(shè)計(jì)了基于ZEMAX平臺(tái)的MCAO眼底成像系統(tǒng)，采用5顆導(dǎo)星傳感波前誤差，并使用兩個(gè)DM（37單元和79單元）進(jìn)行校正，稱為雙層共軛自適應(yīng)光學(xué)眼底成像系統(tǒng)（DCAO）。仿真結(jié)果表明，DCAO眼底成像技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)校正視場的擴(kuò)大，證明了MCAO的可行性。

為了解決CAO眼底成像技術(shù)所帶來的問題，近年來WSLAO眼底成像研究逐步展開并且發(fā)展迅速。WSLAO不需要專用的波前傳感器，就可以直接由成像探測器的光強(qiáng)信息建立像質(zhì)評(píng)價(jià)函數(shù)；然后基于特定的優(yōu)化算法（一般分為無模型法和模型法）控制波前校正器尋找評(píng)價(jià)函數(shù)的極值，當(dāng)評(píng)價(jià)函數(shù)達(dá)到極值時(shí)即認(rèn)為波前誤差得到了校正。

WSLAO系統(tǒng)去掉了SH-WFS的影響，對(duì)于噪聲和誤差有很好的免疫性，校正能力穩(wěn)定，并且眼部抖動(dòng)對(duì)其影響較小。

WSLAO眼底成像系統(tǒng)的算法研究最早可追溯至2006年。S.Zommer等分別使用仿真眼和人造眼作為研究對(duì)象，對(duì)常用的SPGD和模擬退火算法（SA）進(jìn)行了比較。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，SA比SPGD計(jì)算速度更快，效果更好；另外，和具有SH-WFS的CAO系統(tǒng)相比，雖然SA運(yùn)算時(shí)間長，但可以通過使用單發(fā)光二極管（LED）降低圖像采集等過程所花費(fèi)的時(shí)間，使其最終與傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)達(dá)到相近的迭代收斂時(shí)間。

2015年，QingyunYang等又提出了一種自由衍生信賴域算法（TRDF），并證明了這種算法在DM行程為中等大小時(shí)，收斂速率要快于SPGD和SA算法。

近年來，WSLAO結(jié)合各種眼底成像技術(shù)的系統(tǒng)層出不窮。

2011年，Hofer Heidi首次將WSLAO結(jié)合CSLO，并用于活體人眼眼底成像，其系統(tǒng)可以分別實(shí)現(xiàn)CAO眼底成像和WSLAO眼底成像。其中的SLO系統(tǒng)控制垂直振鏡（VS）和水平振鏡（HS）并通過光電倍增管（PMT）得到眼底圖像。

采用雙DM實(shí)現(xiàn)校正，其中擁有52個(gè)致動(dòng)器的低頻DM可以校正低階Zernike像差，擁有140個(gè)致動(dòng)器的高頻ＤＭ可以校正高階Zernike像差。

算法上采用了SPGD算法，對(duì)3～20階Zernike系數(shù)進(jìn)行校正，最終實(shí)現(xiàn)了1.5°視場成像，單幅成像周期為40ms。試驗(yàn)結(jié)果證明，與CAO眼底成像相比較，WSLAO眼底成像在系統(tǒng)復(fù)雜度、光強(qiáng)利用率等方面具有顯著優(yōu)勢。

2013年，S.Bonora等提出了一種基于模式變形鏡（MDM）的WSLAO-OCT系統(tǒng)，使用了基于模型的算法，因其迭代次數(shù)比無模型算法要少，故收斂速度快。系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)作為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，校正后橫向分辨率達(dá)到了14.4 μm，接近系統(tǒng)衍射極限（10 μm）。另外，MDM可以只用9個(gè)致動(dòng)器就實(shí)現(xiàn)低階像差的校正，因而系統(tǒng)復(fù)雜度可大大降低。

2015年，Kevin. K. Wong等，進(jìn)行了基于頻域OCT（FD-OCT）的活體人眼WSLAO眼底成像系統(tǒng)的研究。經(jīng)WSLAO校正后，系統(tǒng)波前RMS值小于λ／14，接近衍射極限水平。與CAO眼底成像相比較，WSLAO可簡化系統(tǒng)，大幅降低成本，這對(duì)于未來臨床產(chǎn)品的推廣具有重大意義。

當(dāng)然，WSLAO也存在諸多不足，如算法會(huì)直接影響收斂速度和成像精度，WSLAO眼底成像技術(shù)雖然對(duì)抖動(dòng)適應(yīng)性較強(qiáng)。但是，在一些系統(tǒng)中抖動(dòng)仍然不可以忽略，WSLAO技術(shù)依然面臨成像視場小的問題。

2

我國自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的發(fā)展概況

1978年，我國開始自適應(yīng)光學(xué)的研究。

1980年，中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所（簡稱成都光電所）成立了第一個(gè)自適應(yīng)光學(xué)研究室。此后，在長達(dá)40余年的研究中，為我國自適應(yīng)光學(xué)的發(fā)展做出了杰出貢獻(xiàn)。

1985年，建立了國際上第一套用于激光核聚變裝置的校正激光波前誤差的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。

1990年，建立的“21單元星體成像自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)”在云南天文臺(tái)首次實(shí)現(xiàn)對(duì)星體目標(biāo)的大氣湍流校正成像，使我國成為繼美國和法、德聯(lián)合研究之后，世界上第三個(gè)實(shí)現(xiàn)星體目標(biāo)實(shí)時(shí)校正成像的國家。 1998年，將自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)成功應(yīng)用于北京天文臺(tái)2.16 m望遠(yuǎn)鏡的紅外波段大氣湍流校正。

2000年，研制了用于活體人眼視網(wǎng)膜成像的19單元小型自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。

2002年，又將其升級(jí)為37單元，獲得了視覺細(xì)胞和眼底微血管的高分辨率圖像，從而使我國成為繼美國之后第二個(gè)獲得活體人眼視覺細(xì)胞實(shí)時(shí)成像的國家。

同年，成都光電所與南京大學(xué)合作，研制了國內(nèi)首套太陽觀測傾斜校正自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，使我國成為國際上少數(shù)幾個(gè)擁有自適應(yīng)光學(xué)太陽望遠(yuǎn)鏡的國家之一，并研制成功用于激光核聚變裝置的45單元方形激光束校正系統(tǒng)。

2007年，在云南天文臺(tái)1.2 m地平式望遠(yuǎn)鏡上利用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)對(duì)大氣波前的傾斜量進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，完成了月球激光測距試驗(yàn)。

2009年，在云南天文臺(tái)26 cm精細(xì)結(jié)構(gòu)望遠(yuǎn)鏡上，采用由37單元DM和基于絕對(duì)差分算法的SH-WFS組成的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，首次獲得了高分辨率太陽表面圖像。

2011年，在1 m紅外太陽塔上，利用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)同時(shí)獲得了可見光波段和近紅外波段的太陽黑子高分辨率圖像。

2013年，成功地研制出太陽活動(dòng)區(qū)多波段同時(shí)成像試驗(yàn)系統(tǒng)，并對(duì)37單元太陽自適應(yīng)光學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)升級(jí)，突破了白天太陽自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)高時(shí)間帶寬、高幀頻相關(guān)夏克—哈特曼波前探測、高速波前實(shí)時(shí)處理控制以及多波段太陽高分辨率同時(shí)成像等技術(shù)難題，并于6月16日在云南天文臺(tái)1 m紅外太陽望遠(yuǎn)鏡上實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽擴(kuò)展目標(biāo)的低階自適應(yīng)光學(xué)校正，獲得了太陽活動(dòng)區(qū)多波段高分辨率層析圖像。

在GLAO應(yīng)用方面，成都光電所于2016年在云南撫仙湖1 m新型真空太陽望遠(yuǎn)鏡（NVST）上用一臺(tái)GLAO的原型機(jī)進(jìn)行了觀測試驗(yàn)。系統(tǒng)采用了一臺(tái)30孔徑的CSHWFS和一臺(tái)151單元DM，在1′成像視場上對(duì)可見光波段進(jìn)行了校正試驗(yàn)。

此外，我國計(jì)劃將于南極DomeA建造的2.5 m口徑“昆侖”暗宇宙巡天望遠(yuǎn)鏡（KDUST）擬采用GLAO系統(tǒng)，裝備一個(gè)激光導(dǎo)星和一個(gè)變形鏡，通過旋轉(zhuǎn)激光導(dǎo)星來實(shí)現(xiàn)區(qū)域傳感。

北京理工大學(xué)在自適應(yīng)光學(xué)的發(fā)展方面也做了很多有意義的工作。

1996年，出版了國內(nèi)第一部自適應(yīng)光學(xué)專著，并培養(yǎng)了國內(nèi)第一位自適應(yīng)光學(xué)的研究生和博士后。

1995年，研究成功極弱光哈特曼波前傳感器，可以進(jìn)行單光子測試，達(dá)到了理論的極限靈敏度。

1996年9月，建立了大氣湍流共軛校正的兩層湍流模型，首次求解出最小二乘解。

1999年，對(duì)星載高分辨率相機(jī)鏡面溫度及自重變形的自適應(yīng)光學(xué)校正技術(shù)進(jìn)行了仿真研究，并進(jìn)行了縮比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2000年，建立了微小型自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，質(zhì)量不到4 kg，波前校正精度為λ／10。由于體積小、質(zhì)量小、成本低，特別適用于空間光學(xué)系統(tǒng)，同時(shí)也可用于激光加工、醫(yī)用光學(xué)、測量計(jì)量等光學(xué)儀器與系統(tǒng)，該成果入選我國高科技發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）十五周年成果展。

2005年，北京理工大學(xué)與中國航天科技集團(tuán)508所、中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所等單位合作，完成了機(jī)內(nèi)信標(biāo)及徑向斜率波前傳感方法、擴(kuò)展信標(biāo)及相關(guān)夏克－哈特曼波前傳感方法的理論和實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了空間光學(xué)系統(tǒng)熱畸變的地面演示驗(yàn)證。

2004-2008年，開展新型空間光學(xué)系統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)理論與方法研究，填補(bǔ)了我國在大型空基光學(xué)系統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)校正研究領(lǐng)域的空白。

2008年，利用相位差異法實(shí)現(xiàn)了空間光學(xué)遙感器大動(dòng)態(tài)范圍高精度波前傳感的仿真研究及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2009年，對(duì)高分辨率空間光學(xué)遙感器的寬視場自適應(yīng)光學(xué)校正進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)研究。

從2005年至今，一直從事空間自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的理論、方法研究及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作，獲得了重要的研究成果，為空間自適應(yīng)光學(xué)的發(fā)展奠定了雄厚的理論基礎(chǔ)。

2009年起，北京理工大學(xué)開展了WSLAO系統(tǒng)研究，并在原理、方法、應(yīng)用等方面取得豐碩成果。同時(shí)，在氣動(dòng)光學(xué)、高能激光、共型光學(xué)、太陽觀測、眼底成像等領(lǐng)域也開展了大量的研究工作。

除了上述兩個(gè)主要研究單位外，國家天文臺(tái)、中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所、南京天文光學(xué)技術(shù)研究所、中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、國防技術(shù)大學(xué)等也在從事自適應(yīng)光學(xué)的研究。

例如，我國于1997年開始實(shí)施的LAMOST望遠(yuǎn)鏡（大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜望遠(yuǎn)鏡）計(jì)劃，該望遠(yuǎn)鏡采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)控制主分塊鏡面拼接和非球面面型校正，同時(shí)還建立了一個(gè)低階自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，用于校正地面觀測引起的低階波前誤差。

2008年10月，LAMOST望遠(yuǎn)鏡正式竣工，成為世界上光譜獲取率最高的望遠(yuǎn)鏡。

目前，我國的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)不僅應(yīng)用于天文觀測、激光核聚變、激光武器、眼科醫(yī)學(xué)中，在光束凈化、光束整形、激光通信、氣動(dòng)光學(xué)等方面也得到了應(yīng)有的重視。

審核編輯：黃飛