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案例研究2:
使用可变形反射镜进行精密波前校正

Iris AO, Inc.和爱特蒙特光学提供的新型自适应光学模块可以轻松执行波前校正

UVP

可变形反射镜是自适应光学应用必不可少的组件。自适应光学元件是指通过高像差介质对波前进行优化的一组硬件和软件技术。例如,天文学家会使用自适应光学元件来获取尽可能最佳的夜空影像,即使在大气导致来自遥远星球的光在传播过程中发生扭曲时,也是如此。眼科医师也会使用自适应光学元件来拍摄视网膜的清晰影像,即使眼睛的玻璃体会产生失真,也是如此(请参阅第4页“拓展光学元件的功能”)。上述及其他应用的自适应光学元件系统需要使用可变形反射镜。

可变形反射镜 (DM) 包含许多促动器,这些促动器所连接的反射表面可以根据响应电子信号而改变形状。改变形状的目的是对传输介质产生的像差进行精确补偿。几十年前,DM及其电子设备体积庞大,价格昂贵,仅限使用于无预算限制的一些高端应用中。现在,精密加工技术的发展使自适应光学元件技术能为更多用户所用。

Iris AO, Inc.(位于美国加州伯克利)是引领可变形反射镜技术发展的公司之一。其独特的方式在于使用微机电系统 (MEMS) 制造方法来制造具有出众性能的DM(请参阅第5页“领先同类的反射镜”)。例如,其可变形反射镜具有很大的动态范围、很高的激光损伤阈值,以及无与伦比的稳定性。凭借出众的稳定性,可以消除对DM形状进行管理所用控制算法面临的许多限制,用户由此拥有无可比拟的灵活性,可以自定义创新型补偿工作。  

Iris AO 111 Actuator Deformable Mirror (EO stock #33-267) with a Vortex aberration of charge 9, applied using the included Graphical User Interface (GUI)
图1: Iris AO 111促动器可变形反射镜(爱特蒙特光学现货编号33-267),采用光学涡旋的拓扑荷数(L=9),应用时使用所含的图形用户界面 (GUI)

开始富有成效的合作

Iris AO认识到需要使其DM设计带来的独特受益为大众所知。可变形反射镜本身可能会展示出令人印象深刻的制造技术,但可供其展示功能的商机并不存在。为了展示其可变形反射镜的特色,Iris AO创建了完整的自适应光学模块,由此可以对光束进行成像、主动校正可变形反射镜,并展示其带来的光束质量提升。该模块需要使用可变形反射镜和相机,及相应的反射镜和接口。

爱特蒙特光学®工程人员发现了Iris AO的展示活动,并且注意到了Iris AO在建立光束和保持光束质量方面面临的难题。此前爱特蒙特光学的工程人员曾协助客户处理过这些类似的问题,因此立即与Iris AO进行了有关改进的讨论。爱特蒙特光学团队建议Iris AO纳入经过改进的相机通讯接口、稳定光学元件接口,并考虑使用具有更高精密镀膜和表面质量的光学元件。第二年,Iris AO的展示纳入了经过简化的更可靠的相机界面(采用CMOS单色USB相机);纳入了边缘涂黑的多种消色差透镜以提升光学性能,同时减少杂散光并提高信噪比;纳入了 增强型铝膜反射镜以增强系统的反射性和整体透射性;还纳入了可重复的稳定的爱特蒙特光学可调接口,以便协助进行系统调整并减少不需要的振动。所有这些改进都是采用爱特蒙特光学广泛的产品线所提供的标准产品而实现的。 

从展示设备到技术测试台

Iris AO的工程人员认识到其创建的用于展示工具的单独模块也可以用作集成设备,用户由此可以将自适应光学元件功能引入到自己的应用中。通过该模块,用户可以更轻松地将自适应光学元件的功能纳入到自己的系统中。不过,Iris AO的客户具有不同的需求(包括从紫外到红外的整个光谱内的应用)。若要充分满足这些客户,需要多种不同模块版本,其中每种模块版本包含的组件所具备的表面量和镀膜规格均可支持整体性能要求。Iris AO求助于已经协助其生产可靠展示模块的组件供应商:爱特蒙特光学。

爱特蒙特光学在支持自适应光学模块开发项目方面具有独特的优势。爱特蒙特光学一直拥有全球最大的现货光学元件库存,可提供快速的光学元件修改服务,并具有完备的内部光学组件制造能力。Iris AO与爱特蒙特光学合作,利用后者的内部设计能力和各式俱全的现货及自定义光学元件,实现了系统性能的大幅提升。由于爱特蒙特光学制造了其中诸多组件,因此对零件的规格和处理进行了完整的记录和控制,诸如Iris AO等客户由此确信可以在从设计到原型制造再到量产的整个产品生命周期中获得高质量的组件。爱特蒙特光学拥有丰富的标准光机产品线和优质的相机也意味着Iris AO在优化其系统设计时,不必在系统规格方面做出让步。

例如,Iris AO可变形反射镜足够稳定,可以在湿度低于40%的受控环境中正常运作,无需额外保护。为了避免反射镜表面遭受不慎接触或微粒子污染,Iris AO决定使用覆盖窗对DM进行封装。问题在于覆盖窗会降低光学透射能力,反射“重影”,或在光学系统中引入无法探测的波前误差。此外,Iris AO不希望引入的覆盖窗不支持其DM的高激光损伤阈值。他们利用爱特蒙特光学的内部原型制造能力,对标准光学元件进行了修改,从而设计出自己的覆盖窗。Iris AO-爱特蒙特光学定制的覆盖窗直径为20mm,厚度3mm,表面平滑度为λ/20,镀有经过优化的VIS-NIR增透膜。

此外,还精心挑选了适合的相机以满足系统需求。 Iris AO DM可以利用独特的控制系统架构来实现快速通讯接口和简单的摄像机配置。爱特蒙特光学工程人员建议采用简易而快速的USB 相机通讯接口,这样可以使用常用的实验室软件进行轻松配置。

在协助Iris AO进行模块设计的过程中,爱特蒙特光学的工程人员认识到这类自适应光学元件功能能够为其多数客户所用。两家公司在光学元件创新的前沿领域合作的最后一步,是协议由爱特蒙特光学为其客户群提供Iris AO自适应光学模块(爱特蒙特光学现货编号33-740)。  

The Iris AO Adaptive Optics Kit is an image-based adaptive optics imaging solution consisting of a MEMS based deformable mirror, optics, optomechanics, camera, and GUI controller software.
图2: Iris AO自适应光学套件是基于影像的自适应光学成像解决方案,包含基于MEMS的可变形反射镜、光学元件、光机元件、相机以及GUI控制器软件。

强大功能集于一身

通常,设计人员若要将自适应光学元件纳入到系统中,需要搭配使用可变形反射镜和波前传感器。波前传感器发出的信号会针对偏离完美光束或平面波前的程度进行估计。计算机进行处理时,会将波前传感器发出的偏离信号转换为一组电压,用于控制可变形反射镜上的促动器。为了确保光束得到正确校正,必须对可变形反射镜上的电压及其对波前传感器的信号产生的影响建立关联。遗憾的是,对于多数可变形反射镜而言,促动器电压和波前传感器测量值之间的关系变化频繁,这是因为可变形反射镜存在机械漂移和热漂移,或者光路的其他位置不稳定,而Iris AO模块避免了这种常见的相互作用,因此更加易于使用。

首先,标准模块完全不使用波前传感器。这是可以实现的,因为Iris AO独特的可变形反射镜设计非常稳定,促动器电压和段偏移之间的关系随时间推移保持不变。反射镜在发货之前已经过校准,该校准在多年内保持有效。

凭借其稳定性,可以采用更简易的波前校正方法。控制系统发挥作用的方式是评估影像质量,同时通过一系列预先定义的形状运行可变形反射镜。当然,通过圆形光圈,最便利的形状参数是泽尼克函数。在反射镜扫描一组最多55个泽尼克函数时,软件会跟踪影像质量。算法会合并每个泽尼克函数的最佳幅度,产生一组促动器控制电压,以优化整体影像质量。  

First 55 Zernike modes fitted with the Iris AO 111 Actuator Deformable Mirror.
图3: 前55个泽尼克模式搭配Iris AO 111促动器可变形反射镜。

合作致胜

自适应光学模块展示了两个组织合作利用彼此的优势而可能产生的成果。Iris AO采用独特的可变形反射镜架构,对创新型控制系统设计进行深入了解。无论是从特殊的光学镀膜到相机特性,还是对严格性能规格提供支持所需的可重复稳定接口,爱特蒙特光学对光学组件功能都有广泛了解。反射镜的稳定性、光学元件的质量、相机通讯接口的清晰度以及控制算法的简易性共同使自适应光学模块成为“即插即用”的子系统。新模块具有自适应光学元件的强大功能,并且易于集成固定组件。设计人员第一次可以针对应用的固有相差进行补偿,而无需掌握复杂的相位测量和波前重建。  

拓展光学元件的功能

高性能光学系统的设计人员付出很多努力使这些系统尽可能完美无缺。他们最终成功生产出性能受光线基本物理行为极限的光学系统,也就是所谓的衍射极限系统。这意味着制造过程中的不准确和对准公差非常小,以致完全不会影响影像质量。然而,若物体通过扭曲的介质成像,则近乎完美的光学元件也不会有很大帮助。

例如,天文学家花费了大量时间和资金来打造非常大的望远镜,以拍摄遥远星球的完美影像。但是,光线在进入大气后,会以不均匀的方式进行传播,某些部分的波前与其他部分相比有所延迟。望远镜光圈中的不同传播延迟导致波前发生失真,这意味着望远镜无法再生成严格而鲜明的影像。在过去,天文学家只能等待“良好的观察时机”,即等待出现良好的大气传播条件。然而,望远镜的光圈越大,光束产生严重像差的可能性就越大,即使在良好的条件下,也是如此。

几十年前,一系列技术突破带来了一项发明,那就是自适应光学元件,它为大型望远镜提供了可能性。自适应光学系统会感应光束中的像差,然后修改可变形反射镜的形状,以便针对介质引入的传播误差进行补偿。现在,可以使用直径达几米的望远镜拍摄衍射极限影像。

受益于自适应光学元件的不仅仅是天文学领域。自适应光学元件也显著改善了视网膜成像。眼中的介质会采用与大气相同的方式,中断光的传播。几十年前,希望对视网膜成像的研究者和临床医生只有很少的选择,最好结果也只是获得模糊的视图。现在,将自适应光学元件纳入到成像系统后,他们可以拍摄能清晰显示视网膜中单一细胞的影像。

自适应光学技术飞速发展, 为这两个领域开拓了新型应用。例如,自适应光学元件可以针对激光焊接中普遍存在的光束变形,或针对限制自由空间光通信速度的像差进行校正。自适应光学元件甚至可以用于异常介质不产生问题的应用,例如相干光束合并。随着技术发展越来越强大以及操作过程越来越便捷,无疑会迅速产生大批新的应用。 

First 55 Zernike modes fitted with the Iris AO 111 Actuator Deformable Mirror.
图4: 使用与不使用AO时拍摄的活体小鼠薄头骨中小胶质细胞影像,该细胞位于皮层表面下220μm,这两幅影像展示出Iris AO 111促动器可变形反射镜(上)如何通过修正由活体组织的不同质引入的折射率而提高影像清晰度。照片由以色列特拉维夫大学的Pablo Blinder’s group提供。

领先同类的反射镜

可变形反射镜是自适应光学系统的核心。正如名称所示,可变形反射镜可以变更形状以回应一组控制信号。设备将控制信号传送到各促动器,促动器会根据驱动电压变更其长度。在可变形反射镜的不同模型中,促动器冲程的间距、位置和长度也有所不同。可变形反射镜包含两种不同的类型:连续面反射镜和分段反射镜。

连续面可变形反射镜由单一反射性薄膜制成,在其背面附有促动器。分段反射镜由各段反射性材料制成,每段都附有一或多个促动器。促动器分为多种类型,包括以压电驱动和静电驱动。

Iris AO可变形反射镜采用分段设计,每个六边形片段由三个静电促动器驱动。在此不会对替代设计进行详细说明,而是将简要介绍Iris AO设计的一些特点和优点。

Iris AO使用微机电系统 (MEMS) 技术在三个对称电极上架构可移动的平台。在制造过程中,多晶硅中具有残余应力,因此六边形片段会在基底(由三个弯曲部分连接到基片)上释放自身。通过控制三个电极上的电压,来更改每个片段平台与基片之间的距离,并控制基片相对于芯片表面所成的角度。每个片段有三个独立的自由度:往复、俯仰和倾斜。因此37段版本的Iris AO可变形反射镜具有111个往复-俯仰-倾斜促动器,其型号由此得名。

Iris AO DM设计的另一项独特因素是独立制造反射片段。在单独的微加工步骤中生产反射性六边形,然后翻转芯片,将其连接到多晶硅促动器平台阵列中。这样做消除了对片段厚度的限制,意味着片段拥有足够的厚度以保持刚性,同时保持出众的表面质量(平滑度超过20nm RMS)

完全控制弯曲部分/促动器组合和独立制造反射镜片段使Iris AO DM具有出众的稳定性。应用一组电压以创建特定的反射镜外形后,该外形将保持不变,直到DM关闭为止。此外,反射镜片段很厚,意味着DM的激光损伤阈值很高。该设计方法的另一项巨大优势是出厂时已设置了校准(应用的电压与片段位置之间的关系),并且在多年后仍保持准确。对于能受益于自适应光学元件的许多应用来说,这些特色共同使Iris AO DM成为显而易见的选择。 

Close-up of the Iris AO 111 Actuator Deformable Mirror (EO stock number #33-267) made of 37 hexagonal segments.
图5: 由37个六边形片段构成的Iris AO 111促动器可变形反射镜(爱特蒙特光学现货编号33-267)特写。
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