自適應光學在波前檢測應用分析

【Word版本下載可任意編輯】自適應光學在波前檢測應用分析1953年Babcock在太平洋天文學會出版物上撰文，提出了對天文觀測開展補償?shù)目赡苄?。他提出改善天文觀測圖像用了一個"自適應光學的"新概念。這個概念是要糾正由于大氣折射率的變化導致的波前誤差，否則大氣湍流將極大地影響天文觀測極限。

盡管他的建議引起了軍方的高度重視，但研究自適應光學的理論，并制作了套裝備到望遠鏡的自適應系統(tǒng)卻用了整整20年。這套技術極大地促進了相機技術和變形鏡技術的進步。使得自適應光學技術被引入到其他應用場合，比方顯微鏡、視網膜圖像和激光通訊。

自適應光學是什么鬼？

自適應光學（AO）是實時測量波陣面誤差和畸變，并實時校正的一門技術。典型的AO系統(tǒng)包含三個要部件:

1、波前傳感器（WFS）測量誤差和畸變；

2、控制系統(tǒng)，計算出需要糾正的量，并驅動校正設備；

3、波前校正設備，用于補償波陣面畸變量。

常用的WFS稱為經典夏克哈特曼波前傳感器（SH-WFS），這套設備在1971年被首次用于NASA和美國軍事項目。

這套系統(tǒng)基于基本的光學原理:光波在均勻介質中沿直線傳播，波前是垂直于傳播方向的面。WFS通過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二維圖像器件上或相機上。假設波陣面有畸變，聚焦的點位就會發(fā)生移動，這樣移動的位置與波陣面就會形成一一對應的關系。

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

常用的波前校正器是變形鏡（DM），受各種不同應用的驅動，市場上出現(xiàn)了各種不同類型的變形鏡。在極端情況下的天文自適應系統(tǒng)，有少缺陷20個，多超過4000個驅動單元控制MEMS變形鏡。

圖1傳統(tǒng)自適應光學元件與構造

更容易被找到的紅外導星

大氣湍流很不平靜，造成波前在時間和空間上的隨機變化，嚴重影響我們拍攝恒星和系外行星圖像的分辨率和性。

在天文自適應系統(tǒng)中，用于天文觀測的相機和用于波前檢測的相機，性能需求有明顯不同。天文自適應光學的應用效果，取決于我們能否找到能測量波陣面畸變的參照物。

因此波前傳感需要引入一個參考星。如果能找到這樣的星：它與我們要觀測的星非常的近，我們稱之為自然導星。有時候，如果被觀測星亮度足夠，而且光學邊界銳利的的話，有時候也能被當做參考星。

波前測量在可見光波段，而觀測在紅外波段；或波前測量和觀測均在紅外波段（如參考星在可見光區(qū)域亮度缺陷）。此時基于可見光傳感器的自適應光學系統(tǒng)，通過低噪聲短波紅外（或更好的可見光增強短波）相機，則可以看到暗導星，因為星的密度在紅外波段（J,h,K，）要高于可見光。換言之，紅外導星更易找到。

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

圖2在H-band（1500nm）觀測到的南魚座α星，該圖像使用Cougar短波紅外科學級成像相機拍攝。

左為未開啟自適應校正，右為自適應光學矯正后得到的圖像。（：加利福尼亞州立大學北嶺分校RenDeqing博士）

自適應光學在各種應用中大顯身手

AO在生物顯微中的應用：

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

AO在視網膜成像中的應用：

視網膜成像用于發(fā)病之前檢測眼部疾病，并及早開展治療。包括青光眼、糖尿病視網膜病變和年齡相關性黃斑變性。此外，視網膜是心靈的窗戶，我們有能力分辨單一的視網膜細胞（＜3?m）并通過顯微監(jiān)測血管的眼血流量來監(jiān)控病人的安康變化。而有研究成果顯示了視網膜血管損傷與冠心病、中風和糖尿病存在相關性。

目前，獲取視網膜的超高分辨率圖像尚不可能，因為眼部的缺陷（角膜和晶狀體）會引起波前畸變。有兩種主要技術都采用了AO的眼底成像：共焦掃描激光眼科光學和相干層析。對于這兩種技術，AO可以顯著提高圖像分辨率。

在OCT中，典型的應用是采用中心波長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的圖像信號噪聲比。

對地觀測衛(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)射頻技術快的多。自由空間激光通信是一種很有前途的的技術，既不需要電線，也不需要光纖數(shù)據(jù)傳輸技術。然而，當遠距離傳送數(shù)據(jù)（＞1公里），大氣湍流會限制可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率。大氣湍流造成光信號波前畸變隨折射率變化。另外云彩會造成信號刪減或鏈路阻塞。AO可以糾正激光脈沖的波前，從而實現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸速率增加和改善比特錯誤率（BER）。尤其是“近地飛行終端”（飛機器下行），選擇對于人眼安全的光波是地面站運營商的一個關鍵問題。自由空間激光的采用1550nm，比采用800nm的光波對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，1550nm系統(tǒng)遭受的從宇宙空間來的背景光以及云與地球的反射光更少。同時，1550nm的大氣衰減是非常低的。

圖3使用InGaAs波前傳感器（CheetahCL）拍攝的400m傳輸后重構相

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

如何選擇短波紅外相機？

Xenics提供了四種波長范圍的短波紅外相機

（1）5001700nm，可見光增強型InGaAs

（2）9001700nm，標準InGaAs

（3）900--2350nm，T2SL

（4）900--2500nm，T2SL

選擇短波紅外相機作為波前傳感器，以下性能參數(shù)是關鍵：

1、高速度，因為在波前檢測系統(tǒng)中需要閉環(huán)實時校正，這就需要高幁率無延遲的相機。XenICs是世界上快速的短波紅外相機，在640×512分辨率下，可到達1730fps。工作波段在500~1700nm或900~1700nm；

2、短曝光（<1ms），對于大多數(shù)應用，短曝光是必不可少的，它凍結了傳輸介質的狀態(tài)。所有XenICs短波紅外相機都允許使用者靈活設置曝光時間；

3、低讀出噪聲，可以獲得良好的信噪比，暗電流導致的散粒噪聲不起主導作用；

4、在某些應用（比方天文）可見光增強型短波紅外在更寬的波段中有響應；

5、高分辨率傳感器可以更地計算出波前傳感器的畸變。XenICs高速相機分辨率有320×256或640×512兩種類型。大多數(shù)相機允許客戶設置ROI，從而獲得更高的采集速度。

6、所有的Xenics短波紅外相機都不帶Stirling制冷器，也沒有冷闌。Stirling制冷器會產生振動，無冷闌也是XenICs短波紅外在波前檢測系統(tǒng)應用中的優(yōu)勢，因為小于探