短波红外相机在自适应光学中的应用分析

如何纠正大气折射误差？

　　1953年Babcock 在太平洋天文学会出版物上撰文，提出了对天文观测进行补偿的可能性。他提出改善天文观测图像用了一个" 自适应光学的"新概念。这个概念是要纠正由于大气折射率的变化导致的波前误差，否则大气湍流将极大地影响天文观测极限。

　　尽管他的建议引起了军方的高度重视，但研究自适应光学的理论，并制作了第一套装备到望远镜的自适应系统却用了整整20年。这套技术极大地促进了相机技术和变形镜技术的进步。使得自适应光学技术被引入到其他应用场合，比如显微镜、视网膜图像和激光通讯。

自适应光学是什么？

　　自适应光学（AO）是实时测量波阵面误差和畸变，并实时校正的一门技术。典型的AO系统包含三个要部件 : 

1、波前传感器（WFS）测量误差和畸变；

2、控制系统，计算出需要纠正的量，并驱动校正设备；

3、波前校正设备，用于补偿波阵面畸变量。

　　最常用的WFS称为经典夏克哈特曼波前传感器（SH-WFS），这套设备在1971年被首次用于NASA和美国军事项目。

　　这套系统基于基本的光学原理: 光波在均匀介质中沿直线传播，波前是垂直于传播方向的面。WFS通过微透镜阵列把光束分为许多束光（子孔径），这些光束聚焦在一个二维图像器件上或相机上。假如波阵面有畸变，聚焦的点位就会发生移动，这样移动的位置与波阵面就会形成一一对应的关系。 

　　这里的控制系统，其实是一个典型的带有控制算法软件的计算机。目的是确定各个聚焦点位，从而推算出波前倾斜和波前重构的信息，最终把这些信息传给波前校正器。

　　最常用的波前校正器是变形镜（DM），受各种不同应用的驱动，市场上出现了各种不同类型的变形镜。在极端情况下的天文自适应系统，有最少不足20个，最多超过4000个驱动单元控制MEMS变形镜。

图1 传统自适应光学元件与结构

更容易被找到的红外导星

　　大气湍流很不平静，造成波前在时间和空间上的随机变化，严重影响我们拍摄恒星和系外行星图像的分辨率和精确性。 

　　在天文自适应系统中，用于天文观测的相机和用于波前检测的相机，性能需求有明显不同。天文自适应光学的应用效果，取决于我们能否找到能精确测量波阵面畸变的参照物。

　　因此波前传感需要引入一个参考星。如果能找到这样的星：它与我们要观测的星非常的近，我们称之为自然导星。有时候，如果被观测星亮度足够，而且光学边界锐利的的话，有时候也能被当做参考星。

　　波前测量在可见光波段，而观测在红外波段；或波前测量和观测均在红外波段（如参考星在可见光区域亮度不足）。此时基于可见光传感器的自适应光学系统，通过低噪声短波红外（或更好的可见光增强短波）相机，则可以看到暗导星，因为星的密度在红外波段（J,h,K，）要高于可见光。换言之，红外导星更易找到。

　　波前计算必须快速（典型值是1ms内），以跟上大气状态的改变，这样有必要用高速高灵敏相机作为波前传感，用短曝光时间去“冻结”大气湍流的影响。高帧频和低延迟用于校正信息实时传递到变形镜，以实时修正波前。另外，相对明亮的导星和高灵敏度探测器是波前检测系统获得足够信噪比的保证。

图2 在H-band（1500nm）观测到的南鱼座α星，该图像使用Cougar短波红外科学级成像相机拍摄

自适应光学在各种应用中大显身手

AO在生物显微中的应用：

　　生物显微中一个重要的应用是活体成像，活体组织是研究细胞活动极为重要的一环。为了不损伤组织，光子数量受到严格限制。AO能够通过组织中的散射光校正波前误差。短波红外相机和AO结合，成为深层组织活体图像研究的理想工具，从而从生物标本中提取重要信息。

AO在视网膜成像中的应用：

　　视网膜成像用于发病之前检测眼部疾病，并及早进行治疗。包括青光眼、糖尿病视网膜病变和年龄相关性黄斑变性。此外，视网膜是心灵的窗户，我们有能力分辨单一的视网膜细胞（＜3µm）并通过显微监测血管的眼血流量来监控病人的健康变化。而有研究成果显示了视网膜血管损伤与冠心病、中风和糖尿病存在相关性。

　　目前，获取视网膜的超高分辨率图像尚不可能，因为眼部的缺陷（角膜和晶状体）会引起波前畸变。有两种主要技术都采用了AO的眼底成像：共焦扫描激光眼科光学和相干层析。对于这两种技术，AO可以显著提高图像分辨率。

　　在OCT案例中，典型的应用是采用中心波长840nm的超辐射发光二极管。然而，1300nm的短波红外光，将在人体组织中有更好的穿透深度和较小的散射，因此将大幅提高短波红外相机的图像信号噪声比。

AO在长距离激光通信中的应用：

　　对地观测卫星成像传感器的分辨率不断增加，要求数据下行速率比目前可行的常规射频技术快的多。自由空间激光通信是一种很有前途的的技术，既不需要电线，也不需要光纤数据传输技术。然而，当远距离传送数据（＞1公里），大气湍流会限制可传输的数据率。大气湍流造成光信号波前畸变随折射率变化。另外云彩会造成信号删减或链路阻塞。AO可以纠正激光脉冲的波前，从而实现的数据传输速率增加和改善比特错误率（BER）。尤其是“近地飞行终端”（飞机器下行），选择对于人眼安全的光波是地面站运营商的一个关键问题。自由空间激光的采用1550nm，比采用800 nm的光波对人眼安全提高一倍以上。这使得大功率激光器允许被使用。此外，1550 nm系统遭受的从宇宙空间来的背景光以及云与地球的反射光更少。同时，1550 nm的大气衰减是非常低的。

图3 使用InGaAs波前传感器（Cheetah CL）拍摄的400m传输后重构相

　　在这些应用中，大家普遍把1550 nm激光器和高速短波红外相机的波前传感结合在一起用。除了在空间激光通信中的自适应光学技术的使用，SH-WFS在激光束、发光二极管和光学系统的计量和表征方面也有着广泛的应用。

如何选择短波红外相机？

Xenics 提供了四种波长范围的短波红外相机

（1）500---1700nm，可见光增强型InGaAs

（2）900---1700nm，标准InGaAs

（3）900--2350nm，T2SL

（4）900--2500nm，T2SL

选择短波红外相机作为波前传感器，下列性能参数是关键：

1、高速度，因为在波前检测系统中需要闭环实时校正，这就需要高幁率无延迟的相机。XenICs 是世界上最快速的短波红外相机，在640×512分辨率下，可达到1730fps。工作波段在500~1700nm或 900~1700nm；

2、短曝光（<1ms），对于大多数应用，短曝光是必不可少的，它冻结了传输介质的状态。所有XenICs短波红外相机都允许使用者灵活设置曝光时间；

3、低读出噪声，可以获得良好的信噪比，暗电流导致的散粒噪声不起主导作用；

4、在某些应用（比如天文）可见光增强型短波红外在更宽的波段中有响应；

5、高分辨率传感器可以更精确地计算出波前传感器的畸变。XenICs高速相机分辨率有320×256或640×512两种类型。大多数相机允许客户设置ROI，从而获得更高的采集速度。

6、所有的Xenics 短波红外相机都不带Stirling 制冷器，也没有冷阑。Stirling 制冷器会产生振动，无冷阑也是XenICs短波红外在波前检测系统应用中的优势，因为小于探测器尺寸的孔径光阑将使波前传感复杂。

结语

　　本文中，我们讨论了AO 的基本原理，以及在天文学、显微镜、视网膜图像和激光通讯中的应用。总结了红外相机在AO应用中的关键参数，并介绍了XenICs短波高速相机的类型。通过对比我们可以明显看出，XenICs短波红外相机在以上各种应用中WFS系统中有明显优势。