1953年Babcock 在太平洋天文學(xué)會(huì)出版物上撰文，提出了對(duì)天文觀測(cè)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)目赡苄浴Ｋ岢龈纳铺煳挠^測(cè)圖像用了一個(gè)" 自適應(yīng)光學(xué)的"新概念。這個(gè)概念是要糾正由于大氣折射率的變化導(dǎo)致的波前誤差，否則大氣湍流將極大地影響天文觀測(cè)極限。

盡管他的建議引起了軍方的高度重視，但研究自適應(yīng)光學(xué)的理論，并制作了第一套裝備到望遠(yuǎn)鏡的自適應(yīng)系統(tǒng)卻用了整整20年。這套技術(shù)極大地促進(jìn)了相機(jī)技術(shù)和變形鏡技術(shù)的進(jìn)步。使得自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)被引入到其他應(yīng)用場(chǎng)合，比如顯微鏡、視網(wǎng)膜圖像和激光通訊。

自適應(yīng)光學(xué)是什么鬼?

自適應(yīng)光學(xué)(AO)是實(shí)時(shí)測(cè)量波陣面誤差和畸變，并實(shí)時(shí)校正的一門(mén)技術(shù)。典型的AO系統(tǒng)包含三個(gè)要部件 :

1、波前傳感器(WFS)測(cè)量誤差和畸變;

2、控制系統(tǒng)，計(jì)算出需要糾正的量，并驅(qū)動(dòng)校正設(shè)備;

3、波前校正設(shè)備，用于補(bǔ)償波陣面畸變量。

最常用的WFS稱(chēng)為經(jīng)典夏克哈特曼波前傳感器(SH-WFS)，這套設(shè)備在1971年被首次用于NASA和美國(guó)軍事項(xiàng)目。

這套系統(tǒng)基于基本的光學(xué)原理: 光波在均勻介質(zhì)中沿直線傳播，波前是垂直于傳播方向的面。WFS通過(guò)微透鏡陣列把光束分為許多束光(子孔徑)，這些光束聚焦在一個(gè)二維圖像器件上或相機(jī)上。假如波陣面有畸變，聚焦的點(diǎn)位就會(huì)發(fā)生移動(dòng)，這樣移動(dòng)的位置與波陣面就會(huì)形成一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

這里的控制系統(tǒng)，其實(shí)是一個(gè)典型的帶有控制算法軟件的計(jì)算機(jī)。目的是確定各個(gè)聚焦點(diǎn)位，從而推算出波前傾斜和波前重構(gòu)的信息，最終把這些信息傳給波前校正器。

最常用的波前校正器是變形鏡(DM)，受各種不同應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)，市場(chǎng)上出現(xiàn)了各種不同類(lèi)型的變形鏡。在極端情況下的天文自適應(yīng)系統(tǒng)，有最少不足20個(gè)，最多超過(guò)4000個(gè)驅(qū)動(dòng)單元控制MEMS變形鏡。

圖1 傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)元件與結(jié)構(gòu)

更容易被找到的紅外導(dǎo)星

大氣湍流很不平靜，造成波前在時(shí)間和空間上的隨機(jī)變化，嚴(yán)重影響我們拍攝恒星和系外行星圖像的分辨率和精確性。

在天文自適應(yīng)系統(tǒng)中，用于天文觀測(cè)的相機(jī)和用于波前檢測(cè)的相機(jī)，性能需求有明顯不同。天文自適應(yīng)光學(xué)的應(yīng)用效果，取決于我們能否找到能精確測(cè)量波陣面畸變的參照物。

因此波前傳感需要引入一個(gè)參考星。如果能找到這樣的星：它與我們要觀測(cè)的星非常的近，我們稱(chēng)之為自然導(dǎo)星。有時(shí)候，如果被觀測(cè)星亮度足夠，而且光學(xué)邊界銳利的的話(huà)，有時(shí)候也能被當(dāng)做參考星。

波前測(cè)量在可見(jiàn)光波段，而觀測(cè)在紅外波段;或波前測(cè)量和觀測(cè)均在紅外波段(如參考星在可見(jiàn)光區(qū)域亮度不足)。此時(shí)基于可見(jiàn)光傳感器的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)低噪聲短波紅外(或更好的可見(jiàn)光增強(qiáng)短波)相機(jī)，則可以看到暗導(dǎo)星，因?yàn)樾堑拿芏仍诩t外波段(J,h,K，)要高于可見(jiàn)光。換言之，紅外導(dǎo)星更易找到。

波前計(jì)算必須快速(典型值是1ms內(nèi))，以跟上大氣狀態(tài)的改變，這樣有必要用高速高靈敏相機(jī)作為波前傳感，用短曝光時(shí)間去“凍結(jié)”大氣湍流的影響。高幀頻和低延遲用于校正信息實(shí)時(shí)傳遞到變形鏡，以實(shí)時(shí)修正波前。另外，相對(duì)明亮的導(dǎo)星和高靈敏度探測(cè)器是波前檢測(cè)系統(tǒng)獲得足夠信噪比的保證。

圖2 在H-band(1500nm)觀測(cè)到的南魚(yú)座α星，該圖像使用Cougar短波紅外科學(xué)級(jí)成像相機(jī)拍攝。

左為未開(kāi)啟自適應(yīng)校正，右為自適應(yīng)光學(xué)矯正后得到的圖像。(：加利福尼亞州立大學(xué)北嶺分校Ren Deqing博士)

自適應(yīng)光學(xué)在各種應(yīng)用中大顯身手

AO在生物顯微中的應(yīng)用：

生物顯微中一個(gè)重要的應(yīng)用是活體成像，活體組織是研究細(xì)胞活動(dòng)極為重要的一環(huán)。為了不損傷組織，光子數(shù)量受到嚴(yán)格限制。AO能夠通過(guò)組織中的散射光校正波前誤差。短波紅外相機(jī)和AO結(jié)合，成為深層組織活體圖像研究的理想工具，從而從生物標(biāo)本中提取重要信息。

AO在視網(wǎng)膜成像中的應(yīng)用：

視網(wǎng)膜成像用于發(fā)病之前檢測(cè)眼部疾病，并及早進(jìn)行治療。包括青光眼、糖尿病視網(wǎng)膜病變和年齡相關(guān)性黃斑變性。此外，視網(wǎng)膜是心靈的窗戶(hù)，我們有能力分辨單一的視網(wǎng)膜細(xì)胞(<3?m)并通過(guò)顯微監(jiān)測(cè)血管的眼血流量來(lái)監(jiān)控病人的健康變化。而有研究成果顯示了視網(wǎng)膜血管損傷與冠心病、中風(fēng)和糖尿病存在相關(guān)性。

目前，獲取視網(wǎng)膜的超高分辨率圖像尚不可能，因?yàn)檠鄄康娜毕?角膜和晶狀體)會(huì)引起波前畸變。有兩種主要技術(shù)都采用了AO的眼底成像：共焦掃描激光眼科光學(xué)和相干層析。對(duì)于這兩種技術(shù)，AO可以顯著提高圖像分辨率。

在OCT案例中，典型的應(yīng)用是采用中心波長(zhǎng)840nm的超輻射發(fā)光二極管。然而，1300nm的短波紅外光，將在人體組織中有更好的穿透深度和較小的散射，因此將大幅提高短波紅外相機(jī)的圖像信號(hào)噪聲比。

對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星成像傳感器的分辨率不斷增加，要求數(shù)據(jù)下行速率比目前可行的常規(guī)射頻技術(shù)快的多。自由空間激光通信是一種很有前途的的技術(shù)，既不需要電線，也不需要光纖數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。然而，當(dāng)遠(yuǎn)距離傳送數(shù)據(jù)(>1公里)，大氣湍流會(huì)限制可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率。大氣湍流造成光信號(hào)波前畸變隨折射率變化。另外云彩會(huì)造成信號(hào)刪減或鏈路阻塞。AO可以糾正激光脈沖的波前，從而實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸速率增加和改善比特錯(cuò)誤率(BER)。尤其是“近地飛行終端”(飛機(jī)器下行)，選擇對(duì)于人眼安全的光波是地面站運(yùn)營(yíng)商的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。自由空間激光的采用1550nm，比采用800 nm的光波對(duì)人眼安全提高一倍以上。這使得大功率激光器允許被使用。此外，1550 nm系統(tǒng)遭受的從宇宙空間來(lái)的背景光以及云與地球的反射光更少。同時(shí)，1550 nm的大氣衰減是非常低的。

圖3 使用InGaAs波前傳感器(Cheetah CL)拍攝的400m傳輸后重構(gòu)相

在這些應(yīng)用中，大家普遍把1550 nm激光器和高速短波紅外相機(jī)的波前傳感結(jié)合在一起用。除了在空間激光通信中的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的使用，SH-WFS在激光束、發(fā)光二極管和光學(xué)系統(tǒng)的計(jì)量和表征方面也有著廣泛的應(yīng)用。

如何選擇短波紅外相機(jī)?

Xenics 提供了四種波長(zhǎng)范圍的短波紅外相機(jī)

(1)500---1700nm，可見(jiàn)光增強(qiáng)型InGaAs

(2)900---1700nm，標(biāo)準(zhǔn)InGaAs

(3)900--2350nm，T2SL

(4)900--2500nm，T2SL

選擇短波紅外相機(jī)作為波前傳感器，下列性能參數(shù)是關(guān)鍵：

1、高速度，因?yàn)樵诓ㄇ皺z測(cè)系統(tǒng)中需要閉環(huán)實(shí)時(shí)校正，這就需要高幁率無(wú)延遲的相機(jī)。XenICs 是世界上最快速的短波紅外相機(jī)，在640×512分辨率下，可達(dá)到1730fps。工作波段在500~1700nm或 900~1700nm;

2、短曝光(<1ms)，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，短曝光是必不可少的，它凍結(jié)了傳輸介質(zhì)的狀態(tài)。所有XenICs短波紅外相機(jī)都允許使用者靈活設(shè)置曝光時(shí)間;

3、低讀出噪聲，可以獲得良好的信噪比，暗電流導(dǎo)致的散粒噪聲不起主導(dǎo)作用;

4、在某些應(yīng)用(比如天文)可見(jiàn)光增強(qiáng)型短波紅外在更寬的波段中有響應(yīng);

5、高分辨率傳感器可以更精確地計(jì)算出波前傳感器的畸變。XenICs高速相機(jī)分辨率有320×256或640×512兩種類(lèi)型。大多數(shù)相機(jī)允許客戶(hù)設(shè)置ROI，從而獲得更高的采集速度。

6、所有的Xenics 短波紅外相機(jī)都不帶Stirling 制冷器，也沒(méi)有冷闌。Stirling 制冷器會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，無(wú)冷闌也是XenICs短波紅外在波前檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樾∮谔綔y(cè)器尺寸的孔徑光闌將使波前傳感復(fù)雜。

結(jié)語(yǔ)

本文中，我們討論了AO 的基本原理，以及在天文學(xué)、顯微鏡、視網(wǎng)膜圖像和激光通訊中的應(yīng)用。總結(jié)了紅外相機(jī)在AO應(yīng)用中的關(guān)鍵參數(shù)，并介紹了XenICs短波高速相機(jī)的類(lèi)型。

通過(guò)對(duì)比我們可以明顯看出，XenICs短波紅外相機(jī)在以上各種應(yīng)用中WFS系統(tǒng)中有明顯優(yōu)勢(shì)。