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让“星星”不再眨眼, “自适应“让你直面真相!
让“星星”不再眨眼, “自适应“让你直面真相!
来源:中科院长春光机所 | 作者:徐梓浩 | 2017/11/14 8:56:40 | 浏览:2011 | 评论:0

四百年前,牛顿用望远镜来对天体进行系统的观测。然而,有一个难题,在一个个漫漫长夜,始终困扰着这位物理学历史上的泰斗级人物。

理论上来说,光学成像系统的成像分辨率随着望远镜通光口径的增大而提高。可事实上呢?牛顿通过实验所看到的,却是系统的成像质量远远达不到理论值,这着实令人苦恼。他在自己所著的《光学》一书中总结道:“之所以会出现这种现象,是由于大气的干扰。唯一的解决途径是将望远镜安放在高山之上。”或许我们可以大胆想象一下,那段时期成批的物理人扎堆跑到山顶上观测星体的壮观场面。

“一闪一闪亮晶晶,满天都是小星星”,浪漫而极富诗意的歌谣,背后却隐藏着对人们探索宇宙的阻碍。显然,大气扰动成为当时科学家们进行天体观测的巨大梦魇。图1向我们展示了宝瓶座ζ双星在大气湍流扰动下的图像变化:双星结构在大气干扰下变得模糊;当湍流剧烈时,甚至无法被分辨。


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图1:宝瓶座ζ双星在大气湍流扰动下的图像变化

二十世纪五十年代,一位名叫Babcock的学者提出了一个极具创新性的想法:能不能在望远镜上加一套辅助系统,提前知道光波的偏移和变形,然后有针对性地做一个校正呢?于是,他计划用波前传感器探测波前的具体畸变,然后采用镜面可变形的反射镜来实时补偿大气湍流所造成的波前扰动,进而实现高分辨率成像。这一想法的提出具有里程碑式的意义,自适应光学由此诞生。同一时期,苏联的Vladimir P. Linnik也提出了类似的概念。这种基于探测-控制-校正模式的波前畸变补偿方法即是自适应光学技术的雏形。

自适应光学系统由波前探测器、波前控制器和波前校正器所组成(图2)。空间目标发出的光波最初以平面波的形式传播。但光束穿透大气层时受到大气湍流的干扰,光波面各处的光程便不再一致,平面波前转变成了不规则的波前。自适应光学技术要做的,就是实时地探测被地基望远镜所接收的光波波前的不规则位相分布,并通过施加在波前校正器件上的反向信号来恢复出原始的平面波前,从而实现空间目标的清晰成像。

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图2:自适应光学系统原理图

在这套系统中,决定自适应校正成败的关键在于两大器件——波前探测器和波前校正器。打个比方,未经大气层的平面波如同一件完好无损的衣服,却在大气湍流的猛烈攻击下,变得破烂不堪。波前探测器相当于自适应光学系统的一双眼睛,能观察和感知衣服上面的每一处破损。在波前控制器的指挥之下,负责缝纫工作的波前校正器及时地给衣服打补丁,使其在一定程度上恢复原先的样貌。

现今,自适应光学系统普遍采用哈特曼波前探测器对随机畸变波前进行探测,如图3(a)。而变形镜和液晶空间光调制器通过改变光程来实现对波面的补偿,是典型的两大波前校正器件,如图3(b)和图3(c)。

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图3:(a)哈特曼波前探测器,(b)变形镜,(c)液晶空间光调制器

自适应光学技术为天文观测提供了重要的手段。1982年,史上第一套参与实际观测的自适应光学系统被安装在夏威夷毛伊岛哈雷阿卡拉天文台的1.6米口径的望远镜上(图4)。该系统中,包含100个驱动器的变形镜充当了波前校正器,改善了光学成像的质量。

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图4:夏威夷毛伊岛哈雷阿卡拉天文台

目前世界上几乎所有的大口径望远镜都配备有自适应光学系统。图5为美国星火靶场的1.5米口径天文望远镜所拍摄到的土星图像。有了自适应光学技术所提供的波面补偿,分辨率和对比度更高的土星便呈现在了我们的面前。自适应光学技术的出现和发展,弥补了当年牛顿“看不清星星”的遗憾,为未来更大口径望远镜的高分辨率成像开辟了新的道路。

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图5:美国星火靶场1.5米口径的望远镜所拍摄到的土星图像。(a)自适应技术处理前,(b)自适应技术处理后

视网膜微血管成像是自适应光学技术的另一方面的应用。许多内分泌疾病,例如:高血压,糖尿病等,都会在视网膜上有所反映。图6展示了糖尿病所造成的视网膜病变在不同阶段的具体表现。如果能及早监测到这些病变,便能为病人的医治争取更多的时间。


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图6:糖尿病在不同时期下所造成的视网膜病变情况

但是我们的人眼并不是完美的光学系统,存在着一定的像差。由于像差的干扰,以及眼底成像设备的较低分辨率,病变位置所在的10微米以下的微血管并不能获得清晰的成像。而引入自适应光学技术至眼底视网膜光学成像系统中,能有效地补偿人眼像差,实现更高分辨率的视网膜微细血管成像。图7展示了人眼视网膜的自适应光学成像效果,自适应光学技术让分辨能力和对比度都得到了巨大改善。


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图7:视网膜的自适应光学成像。(a)和(d)为视觉细胞成像,(b)和(e)为微血管成像,(c)和(f)为神经纤维层成像

生物荧光显微成像是近些年来自适应光学技术新的应用领域。目前,荧光显微成像系统对活体深层体成像还面临诸多难题。活体生物三维组织结构具有非透明性,非均匀性以及各向异性,使得激发光和发射荧光在生物组织内部传播的过程中会发生波前畸变,因此无法实现系统衍射极限的分辨能力。借助自适应光学技术的力量,上述波前畸变能够获得实时的探测和精准校正,进而提高激发光照明和荧光成像的分辨率。

这其中,具有代表性的工作来自Eric Betzig研究组。2015年,该课题组将自适应光学技术引入至双光子显微成像系统中,并对老鼠脑部神经组织进行了一系列成像,最终取得了明显的效果,见图8。


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图8:老鼠脑部神经组织的荧光显微成像。(a)未经自适应光学校正,(b)自适应光学校正后,(c)结合自适应光学技术的双光子显微成像系统光路

自适应光学,这个既陌生又熟悉的名词,从上世纪中期至今,一直在面临困难、解决困难的曲折道路上前行着。伴随着探测、控制和校正环节的不断创新和改善,自适应光学从不吝啬展现其崭新的面貌。相信在不久的将来,凭借着日趋成熟的本领,该技术必定能在更广阔的应用领域,以更高层次的水准发挥出无可替代的作用。

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