接着上一篇文章的话题，这次我来介绍一种典型的微透镜阵列的应用场景。自适应光学技术的发展使得人类得以克服大气湍流等环境因素的影响，在光学成像和激光传输领域实现了突破性的进展。自适应光学最初是为了解决天文学观测中的成像畸变问题而提出的，但如今，它的应用已经远远超出了天文观测，进入了激光通信、材料加工和生物医学等领域。本文将围绕自适应光学的核心组件——波前传感器，特别是Shack-Hartmann波前传感器，详细探讨其原理、应用及发展前景。
Part1
自适应光学简介
如果大家关注光学领域的科研前沿的话，时不时可以在Nature以及Science看到自适应光学相关的研究。自适应光学的历史可以追溯到20世纪50年代，当时美国空军科学家Horace W. Babcock首次提出了利用动态镜面来校正天文学观测中大气湍流造成的成像失真。这一设想虽然在当时的技术条件下难以实现，但为自适应光学的发展奠定了基础。直到20世纪70年代，随着计算机技术、光学传感器和驱动器技术的发展，自适应光学逐渐成为现实，并在天文学中开始应用。
自适应光学系统的工作原理是通过实时探测波前畸变并进行校正，以提升光学系统的成像质量。这一技术最早在反射式天文望远镜中应用，用于克服大气湍流引起的星光抖动问题。天文观测中，大气层的扰动会导致星光的波前畸变，影响图像的清晰度，所谓“一闪一闪亮晶晶”正是在由于大气湍流等影响，在人眼看来恒星在闪烁。自适应光学通过实时校正这些波前变形，使望远镜的分辨率接近其理论衍射极限，从而获取更清晰的天体图像。
随着技术的进步，自适应光学系统逐渐应用于更广泛的领域。除了天文望远镜外，它还在激光通信、激光材料加工以及生物医学成像中发挥重要作用。例如，在激光通信系统中，自适应光学用于修正大气湍流对激光信号的影响，确保信号传输的稳定性和高质量。在人眼像差检测与矫正方面，自适应光学通过实时测量并校正眼球的像差，提升了人眼成像系统的精度。
自适应光学系统通常由三大部分组成：波前探测器、波前校正器和波前控制器。波前探测器用于实时测量光波的波前畸变，而波前校正器则利用驱动器对波前进行精确校正。波前控制器负责计算波前误差并将其反馈至校正器，从而完成整个校正过程。
自适应光学的发展离不开波前探测技术的进步，而Shack-Hartmann波前传感器无疑是这一领域的里程碑。它的发明使得波前探测的速度和精度得到了大幅提升。Shack-Hartmann传感器由微透镜阵列和光电探测器组成，能够对波前的局部斜率进行精确测量。相比于早期的哈特曼传感器，Shack-Hartmann传感器通过使用微透镜阵列大大提高了波前探测的精度和速度，因此成为了现代自适应光学系统中最常用的波前探测工具。
Part2
Shack-Hartmann波前传感器是基于传统哈特曼光阑法发展而来的波前探测工具，通过测量波前的局部斜率来分析和重构波前畸变。它由两个主要部分组成：微透镜阵列和光电探测器（通常是CCD或CMOS）。这些组件共同作用，使得Shack-Hartmann传感器能够快速、精确地测量波前误差。
1. 微光学元件的作用
微透镜阵列是Shack-Hartmann传感器的核心光学元件。它由一组微型透镜构成，通常以规则的矩阵形式排列，每个透镜负责聚焦一部分入射光波前到光电探测器上。微透镜的直径通常为几十微米至几百微米，焦距也较短，从而确保系统能够捕捉到波前的细微变化，在上一篇文章中，我已经做了详细的介绍。
在正常工作中，入射光波经过微透镜阵列后，每个透镜将其对应的光束会聚成一个光斑。这些光斑在光电探测器上形成图像，并根据光斑位置的偏移量来推断出入射波前在每个子孔径区域内的斜率。如果波前是平坦的，则所有的光斑都会聚在预定位置上；如果波前发生了变化，则光斑会相应地偏离其位置。通过分析这些光斑的偏移量，可以重构出整个波前的变形情况。
微透镜阵列的设计与制造是Shack-Hartmann传感器性能的关键。随着微光学加工技术的进步，二元光学和光刻技术使得高精度微透镜的制造成为可能。微透镜不仅需要具有高精度的几何形状，以保证光束能够准确聚焦，还需要满足较高的透射率和较低的像差要求，以确保光斑在CCD上具有足够的精度。
在波前重构过程中，微透镜阵列的分辨率决定了波前的空间采样频率，而其焦距则影响了测量波前斜率的灵敏度。因此，设计时需要综合考虑微透镜的焦距、孔径和排列方式，以在动态范围和测量精度之间取得平衡。
微光学系统的优势在于，它不仅可以高效地聚焦光束，还能通过紧凑的结构提高系统的光能利用率。在Shack-Hartmann传感器中，微透镜阵列确保了波前斜率的高精度测量，并将波前探测的速度和精度提升到了一个新的水平。相比于传统的哈特曼法，Shack-Hartmann传感器的动态范围更大，空间分辨率更高，且结构更加紧凑，适用于大气扰动测量、激光光束质量检测和人眼像差测量等应用领域。
2. 波前重构
Shack-Hartmann传感器不仅能够测量波前的局部误差，还可以通过数学方法将这些局部信息组合起来，重构出完整的波前。最常用的波前重构方法是Zernike多项式展开，它能够将波前的像差分解为各种Zernike模式，并精确描述不同类型的像差，如球差、彗差、像散等。
假设波前是一个连续的函数，通过波前传感器我们可以得到一系列离散的点（m个子孔径对应m个数据），运用数值分析的知识，我们就可以用一个目标多项式去拟合函数，如果我们用Zernike多项式的前若干项拟合，则有：
G是由波前传感器得到的斜率向量，A是泽尼克多项式对应的向量系数，通过求解系数矩阵A，我们就可以将波前函数表示为泽尼克多项式的形式，这在现代计算机手段下是非常容易的。
通过计算微透镜阵列下每个子孔径的波前斜率，传感器可以精确地重构出整个波前的相位分布。这一信息不仅可以用于实时波前校正，还能为光学系统的调试和优化提供重要数据。这里的知识熟悉非球面光学系统设计或非球面检测的朋友应该很熟悉，实际上，波前传函与干涉测量确实有一定的替代关系，在一定精度条件下，与干涉仪相比，波前传感器具有方法简单、容易操作，价格低及速度快等优点。
总之，Shack-Hartmann波前传感器通过微透镜阵列和微光学系统的创新设计，极大地提升了波前测量的精度与实时性。它已广泛应用于天文观测、激光加工、光学系统检测等众多领域，成为自适应光学系统的核心技术之一。
Part3
波前传感器的应用
自适应光学（Adaptive Optics, AO）是波前传感器最经典的应用领域，特别是在天文学和激光系统中。自适应光学的主要目的是实时校正光波在传播过程中受到的干扰，从而提高成像质量或光束质量，目前已经发展成为了一个相对独立的研究领域。通过Shack-Hartmann传感器精确的波前测量，许多应用领域得到了突破性发展，尤其是在自适应光学系统中的应用尤为突出。接下来，我们将简单探讨这些实际应用。
在天文学观测中，由于地球大气层的扰动，来自天体的光波前往往会产生变形，导致望远镜成像模糊。因此，各国都在发展天基大型光学望远镜系统，我国目前同样有相关计划。但是天基望远镜部署困难，发射和维护成本非常高，随着波前传感器的出现，尤其是Shack-Hartmann波前传感器，通过实时测量从天体到达望远镜的光波前畸变，将这些误差信息传递给系统中的波前校正器，校正器根据波前传感器提供的误差信号进行微调，补偿波前的变化，从而使光学获得接近大气湍流前的理想图像。这样，地面望远镜的分辨率得以大幅提高，甚至可以接近其衍射极限。
在自适应光学系统中，波前矫正器是关键组件之一，负责通过实时校正波前畸变来恢复系统的光学性能。最常见的波前矫正器是自适应反射镜，它能够动态改变自身表面的形状，以补偿光波经过大气或其他介质时引入的畸变。
最新的自适应光学系统的波前校正速度可达到千赫兹级。这种高频率的实时校正使系统能够有效应对快速变化的大气湍流现象，尤其在天文观测和激光通信中表现出色。在某些激光应用中，自适应光学系统甚至能够达到更高的响应速度，以适应激光光束在空气中传播时的快速变化和衰减。自适应反射镜的校正精度取决于镜面驱动器的数量和灵敏度，目前主流的一种方案是采压电驱动器。
波前传感器在大气湍流测量中的应用非常重要，尤其是在天文学和激光传输系统中。大气湍流会引起光波前的随机畸变，导致图像质量和信号传输的显著下降。波前传感器能够实时测量大气中的波前变化，将其用于反馈校正系统或研究大气湍流特性。在高功率激光系统中，波前畸变不仅影响光束的质量，还降低了聚焦精度。波前传感器能够检测这些微小的波前畸变，并通过反馈控制系统进行实时校正，优化激光传输路径和聚焦性能。自适应光学技术广泛应用于激光材料加工、激光通信及光电对抗系统中，尤其在激光通信中，自适应光学技术能够克服大气湍流的干扰，保证信号的稳定性与传输距离。
Part4
总结
通过本文的讨论，我们可以清楚地看到，波前传感器，尤其是Shack-Hartmann波前传感器，极大地推动了自适应光学系统的发展。从天文观测到激光通信，从激光材料加工到生物医学成像，这些传感器的高精度测量为这些领域提供了更高的分辨率和稳定性。随着微纳光学技术和波前校正技术的进一步进步，我们可以预见，未来的波前传感器将在更加复杂的应用环境中发挥更为重要的作用，不仅限于提升图像质量，还将为科学研究和工业应用带来更多创新的可能性。
