組合的力量

設計師在系統納入調適性光學裝置時，一般會使用可變形反射鏡搭配波前傳感器。波前傳感器提供的訊號，可預估與完美光束或平坦波前的偏差程度。波前傳感器的偏差訊號，可由電腦處理轉換為一組電壓，用於控制可變形反射鏡的促動器。為了確保光束的適當修正，可變形反射鏡電壓必須與其對波前傳感器訊號的效應有所關聯。可惜對大部分可變形反射鏡而言，促動器電壓與波前傳感器量測結果之間的關係時常因可變形反射鏡的機械或熱漂移，或光學路徑其他地方的不穩定情形產生變化；Iris AO 模組避免了這項常見的互動問題，進而簡化使用方式。

標準模組從一開始就完全略過波前傳感器。這是因為 AO 獨特的可變形反射鏡設計非常穩定，讓促動器電壓及部門配置之間的關係能夠長期不變。反射鏡在出貨前會進行校準，其效果可維持數年之久。

穩定性簡化了波前修正。控制系統的運作方式，則是評估影像品質，同時透過一系列預先定義的形狀運作可變形反射鏡。當然在使用圓形光圈的情況下，最便利的形狀就是 Zernike 函數。隨著反射鏡掃描一組最高達 55 的Zernike 函數時，軟體就會追蹤影像品質。演算法結合各個 Zernike 函數的最佳幅度，產生一組促動器控制電壓，實現最佳的整體影像品質。  

圖3: 前 55 個安裝 Iris AO 111 促動器可變形反射鏡的 Zernike 模式。

延伸光學裝置功能

高效能光學系統設計師投入大量心力，使系統盡可能達到完美。他們成功製作的光學系統，其效能受到光線的基本物理行為的限制，也就是所謂的繞射極限系統。這代表製造不精準及對位公差等問題非常小，完全不會影響影像品質。不過近乎完美的光學裝置，在透過畸變介質拍攝物體影像時，並沒有很大幫助。

例如，天文學家花費許多時間與金錢，建構非常大型的望遠鏡，取得遠方星球的完美影像。然而當光線進入大氣時，由於部分波前會比其他波前延遲，光線會出現不均勻傳播的情形。望遠鏡光圈範圍之中的不同傳播延遲，會造成波前畸變，亦即望遠鏡無法再產生整齊清晰的影像。以前的天文學家唯有等待「良好視野」，亦即良好的大氣傳播條件，然而望遠鏡光圈越大，就可能造成越高的光束像差，即使在良好條件下也一樣。

數十年前，一系列的技術突破發明了調適性光學裝置，進而開啟實現更大型望遠鏡的契機。調適性光學裝置系統可感應光束之中的像差，然後修改可變形反射鏡形狀，補償介質產生的傳播誤差。因此現在可由直徑數公尺的望遠鏡，產生繞射極限的影像。

天文學不是唯一受益於調適性光學裝置的領域，視網膜成像品質也因調適性光學裝置而大幅提升。眼睛內部介質破壞光學傳播的方式，就和大氣一樣。20 多年前的研究人員與臨床醫師，如果需要視網膜影像，能使用的方法不多，而且最多只能獲得模糊影像。將調適性光學裝置納入成像系統之後，現在可利用裝置產生清晰影像，顯示視網膜之中的單一細胞。

調適性光學裝置技術迅速進展，以前述兩項領域作為先鋒，開創各種全新應用。例如，調適性光學裝置可修正雷射焊接常見的光束畸變，或是限制自由空間光學通訊速度的像差。調適性光學裝置甚至可用於沒有像差問題的應用，例如同調光束合併。隨著這項技術功能日漸強大且更加易於使用，無疑將出現更多全新應用。 

圖4: 使用及不使用 AO 的微膠細胞影像，透過活鼠薄顱骨窗口於大腦皮質表面下方 220μm 拍攝，顯示 Iris AO 111 促動器可變形反射鏡 (頂端) 如何加強影像銳利度，修正活組織折射率不均勻造成的像差。相片由特拉維夫大學 (Tel Aviv University) Pablo Blinder 小組提供。

頂級反射鏡

可變形反射鏡是調適性光學裝置系統的核心。如其名稱所示，可變形反射鏡可變更形狀，回應一組控制訊號。控制訊號會發送至個別促動器，依據驅動促動器的電壓改變長度。促動器衝程的間距、位置及長度，在不同機型的可變形反射鏡之中並不一樣。可變形反射鏡分為兩種獨特類型：連續面及分節反射鏡。

連續面可變形反射鏡是以一層反射薄膜建構，以其背側連接促動器。分節反射鏡是由個別反射材料組成，每個材料都連接一個或多個促動器。促動器有許多類型，包括壓電及靜電驅動。

Iris AO 可變形反射鏡採用分節設計，其中每個六角形分節是由三個靜電促動器驅動。即使沒有詳細探究替代設計，仍然可以概述部分 Iris AO 設計的特色與效益。

Iris AO 使用微機電系統 (MEMS) 技術，在三個對稱電極上方打造可動平台結構。製程期間將殘留應力導入多晶矽之中，讓六角形分節在底座上方自行鬆開，以三個彎曲結構連接至基材。控制三個電極的電壓，以變更各節平台與基材之間的距離，也用於控制基材相對於晶片表面的角度。之後每節有三個獨立的自由度：平移、傾斜及俯仰。因此 37 節版本的 Iris AO 可變形反射鏡，具有 111 個平移 - 傾斜 - 俯仰促動器，並依此作為型號。

Iris AO DM 設計的另一項獨特元件，就是獨立製造的反射節。具反射效果的六角形分節，是以單獨的微加工步驟製造，然後以覆晶方式黏合至多晶矽促動器平台陣列。這樣可消除分節厚度的限制，亦即分節厚度足以達到堅硬程度，並具備優異的表面品質 (平整度優於 20nm RMS)

彎曲結構/促動器組件的確實控制，搭配獨立製造的反射鏡分節，讓 Iris AO DM 享有卓越的穩定性。一旦應用一組電壓建立特定反射鏡外型，前述外型將維持不變，直到關閉 DM 為止。此外，反射鏡分節厚度代表 DM 具有高雷射損傷閾值。校準是這項設計方法的另一項重大優勢，應用電壓與分節位置之間的關係由原廠設定，可維持準確長達數年之久。Iris AO DM 結合以上各種特色，成為許多應用的首要選擇，享有調適性光學裝置的各種效益。 

圖5: 特寫：Iris AO 111 促動器可變形反射鏡 (EO 庫存編號 #33-267) 由 37 個六角形分節組成。