摘要：近日，一项突破性的光学研究成果“Intensity adaptive optics”在国际知名期刊《Light: Science & Applications》上发表，由Zimo Zhao等人撰写，论文的通信作者为英国牛津大学工程科学系的Chao He博士。来
近日，一项突破性的光学研究成果“Intensity adaptive optics”在国际知名期刊《Light: Science & Applications》上发表，由Zimo Zhao等人撰写，论文的通信作者为英国牛津大学工程科学系的 Chao He 博士。来自英国牛津大学、清华大学深圳国际研究生院、北京大学等机构的科研团队成功开发出强度自适应光学（I-AO）技术，为光学系统性能提升带来新的解决方案，这些机构的科研人员在光学领域的深度合作，为 I-AO 技术的研发提供了坚实的保障。
1.研究背景
传统AO的发展与局限：自适应光学（AO）技术在多个领域发挥着关键作用，长期以来主要致力于校正光学系统中的相位像差，在天文望远镜、光通信、超分辨率显微镜等方面成果斐然。近年来，AO技术进一步拓展到矢量领域，能够处理偏振像差或偏振与相位像差的组合问题。然而，尽管强度误差在光学系统中普遍存在且对系统性能影响显著，但相应的校正技术却发展滞后。
强度误差的影响：在显微镜应用场景中，光束传播特性、二向色性效应以及材料或生物组织的吸收作用等因素，均会引发强度误差。这些误差会扰乱物镜光瞳平面的强度分布，进而干扰成像过程，最终导致图像分辨率降低，严重影响显微镜在病理分析、临床诊断等对成像质量要求极高的领域的应用效果。
I-AO的提出：为解决强度误差问题，研究团队提出强度自适应光学（I-AO）技术。该技术聚焦于实现光瞳平面的强度均匀性，并借助反馈机制恢复绝对强度，有望填补强度误差校正技术的空白，为光学系统性能的提升开辟新方向。
2.研究内容
I-AO的概念与原理：I-AO的核心是双反馈回路机制。主回路负责确保光瞳平面强度分布均匀，在基于传感器的I-AO中，通过相机直接测量光瞳平面的强度分布，为后续补偿提供数据；在无传感器的I-AO中，则依据焦平面采集的一系列图像来估算强度误差，随后I-AO校正器进行强度均匀化处理。从回路的作用是补偿总能量损失，两种方法均通过调节光源后的衰减器来实现这一目标。
基于传感器的I-AO：首先，在未引入强度误差的情况下，利用单色相机等强度传感器采集光瞳平面的完整强度分布，获取参考轮廓。接着，在存在像差的成像系统中，采集与物镜共轭光瞳平面相对应的畸变强度分布，为I-AO校正器提供反馈数据。然后，根据这两个轮廓，计算I-AO校正器共轭平面所需的延迟值，启动第一个反馈校正回路。将计算得到的延迟值应用于I-AO校正器，实现光瞳平面的强度均匀化。之后，利用可变形镜（DM）进行无传感器相位AO，补偿由空间光调制器（SLM）自身几何效应引起的相位误差以及残留的系统相位误差，完成第一个反馈回路。最后，在焦平面获得均匀强度分布后，调整光源后的衰减器，使光瞳平面的总强度与参考帧中的记录水平匹配，完成第二个反馈回路。
无传感器的I-AO：无传感器的I-AO方法在紧凑型光学系统中具有重要应用价值。该方法通过向AO设备依次应用一系列预先设计的校正模式（强度泽尼克模式），并分析焦斑图像作为反馈来间接推断强度误差。由于强度与能量相关，传统的正交泽尼克模式不适用于强度校正，同时还需考虑SLM调制时强度与相位的复杂相互作用，因此研究团队开发了新的强度泽尼克模式。校正过程包括评估15种强度泽尼克模式以启动第一个反馈校正回路，记录每种模式在不同振幅下应用时的焦斑图像，结合低空间频率内容和光斑圆度等图像指标确定最佳校正模式和系数，完成第一个反馈回路。在焦平面获得均匀强度分布后，调整衰减器恢复总强度，结束第二个反馈回路。
实验验证与结果：研究人员开展了多项实验来验证I-AO的有效性。在基于传感器的I-AO实验中，对比传统相位AO校正和I-AO校正的结果，证实传统相位AO无法完全校正强度误差，而I-AO能够显著改善光瞳强度均匀性和焦斑质量。在无传感器的I-AO实验中，同样验证了该方法在校正强度误差方面的可行性和有效性。此外，针对生物样本引入的误差以及传统宽场显微镜下生物和材料样本成像的强度误差进行I-AO校正实验，结果表明I-AO在多种情况下均能有效提升成像质量。
3.研究结论
I-AO的优势与创新：I-AO技术成功拓展了传统AO的概念，为光学系统强度误差校正提供了创新解决方案。通过独特的双反馈回路机制，实现了传统AO无法达成的光瞳强度均匀性校正，有效提升了光学系统的性能。
现有方法的局限性：基于传感器的I-AO在光瞳强度测量方面较为精确，但传统无传感器相位AO易将强度误差误判为相位像差，影响校正精度。无传感器的I-AO虽设计了新的强度泽尼克模式，但这些模式存在非正交、不支持叠加的问题，并非最优校正模式，仅用于概念验证。
未来研究方向：未来可将Shack-Hartmann波前传感器集成到基于传感器的I-AO系统中，提高相位测量精度；探索采用分区校正或其他新型强度模式替代泽尼克模式，优化无传感器的I-AO校正过程；结合机器学习等前沿技术，开发新的图像指标和更高效的无传感器I-AO流程；推动I-AO与偏振/矢量AO和时空控制技术的融合，以满足复杂光学系统的多样化应用需求。
此项研究成果不仅拓展了自适应光学技术的功能，也为未来光学系统在生物医学、天文学、光通信等领域的应用开辟了新的道路。科研团队表示，未来将进一步优化 I-AO 技术，探索其在更多复杂光学系统中的应用潜力。
科学技术的发展离不开科研仪器的进步。凯视迈（KathMatic）自2014年创建以来，一直“致力于高精尖光学测量技术”，已成为集“研发、制造、销售”为一体的国产高端光学精密测量仪器新力量。推出了KC系列多功能精密测量显微镜、KS系列超景深3D数码显微镜以及KV系列激光多普勒测振系统，取得了良好的市场成绩。详情欢迎留言咨询!
来源：凯视迈精密测量