讓「星星」不再眨眼 自適應讓你直面真相！

四百年前，牛頓用望遠鏡來對天體進行系統的觀測。然而，有一個難題，在一個個漫漫長夜，始終困擾著這位物理學歷史上的泰斗級人物。

理論上來說，光學成像系統的成像解析度隨著望遠鏡通光口徑的增大而提高。可事實上呢？牛頓通過實驗所看到的，卻是系統的成像質量遠遠達不到理論值，這著實令人苦惱。他在自己所著的《光學》一書中總結道：「之所以會出現這種現象，是由於大氣的干擾。唯一的解決途徑是將望遠鏡安放在高山之上。」或許我們可以大膽想像一下，那段時期成批的物理人扎堆跑到山頂上觀測星體的壯觀場面。

「一閃一閃亮晶晶，滿天都是小星星」，浪漫而極富詩意的歌謠，背後卻隱藏著對人們探索宇宙的阻礙。顯然，大氣擾動成為當時科學家們進行天體觀測的巨大夢魘。圖1向我們展示了寶瓶座ζ雙星在大氣湍流擾動下的圖像變化：雙星結構在大氣干擾下變得模糊；當湍流劇烈時，甚至無法被分辨。

圖1：寶瓶座ζ雙星在大氣湍流擾動下的圖像變化

二十世紀五十年代，一位名叫Babcock的學者提出了一個極具創新性的想法：能不能在望遠鏡上加一套輔助系統，提前知道光波的偏移和變形，然後有針對性地做一個校正呢？於是，他計劃用波前感測器探測波前的具體畸變，然後採用鏡面可變形的反射鏡來實時補償大氣湍流所造成的波前擾動，進而實現高解析度成像。這一想法的提出具有里程碑式的意義，自適應光學由此誕生。同一時期，蘇聯的Vladimir P. Linnik也提出了類似的概念。這種基於探測-控制-校正模式的波前畸變補償方法即是自適應光學技術的雛形。

自適應光學系統由波前探測器、波前控制器和波前校正器所組成（圖2）。空間目標發出的光波最初以平面波的形式傳播。但光束穿透大氣層時受到大氣湍流的干擾，光波面各處的光程便不再一致，平面波前轉變成了不規則的波前。自適應光學技術要做的，就是實時地探測被地基望遠鏡所接收的光波波前的不規則位相分布，並通過施加在波前校正器件上的反向信號來恢復出原始的平面波前，從而實現空間目標的清晰成像。

圖2：自適應光學系統原理圖

在這套系統中，決定自適應校正成敗的關鍵在於兩大器件——波前探測器和波前校正器。打個比方，未經大氣層的平面波如同一件完好無損的衣服，卻在大氣湍流的猛烈攻擊下，變得破爛不堪。波前探測器相當於自適應光學系統的一雙眼睛，能觀察和感知衣服上面的每一處破損。在波前控制器的指揮之下，負責縫紉工作的波前校正器及時地給衣服打補丁，使其在一定程度上恢復原先的樣貌。

現今，自適應光學系統普遍採用哈特曼波前探測器對隨機畸變波前進行探測，如圖3（a）。而變形鏡和液晶空間光調製器通過改變光程來實現對波面的補償，是典型的兩大波前校正器件，如圖3（b）和圖3（c）。

圖3：（a）哈特曼波前探測器，（b）變形鏡，（c）液晶空間光調製器

自適應光學技術為天文觀測提供了重要的手段。1982年，史上第一套參與實際觀測的自適應光學系統被安裝在夏威夷毛伊島哈雷阿卡拉天文台的1.6米口徑的望遠鏡上（圖4）。該系統中，包含100個驅動器的變形鏡充當了波前校正器，改善了光學成像的質量。

圖4：夏威夷毛伊島哈雷阿卡拉天文台

目前世界上幾乎所有的大口徑望遠鏡都配備有自適應光學系統。圖5為美國星火靶場的1.5米口徑天文望遠鏡所拍攝到的土星圖像。有了自適應光學技術所提供的波面補償，解析度和對比度更高的土星便呈現在了我們的面前。自適應光學技術的出現和發展，彌補了當年牛頓「看不清星星」的遺憾，為未來更大口徑望遠鏡的高解析度成像開闢了新的道路。

圖5：美國星火靶場1.5米口徑的望遠鏡所拍攝到的土星圖像。（a）自適應技術處理前，（b）自適應技術處理後

視網膜微血管成像是自適應光學技術的另一方面的應用。許多內分泌疾病，例如：高血壓，糖尿病等，都會在視網膜上有所反映。圖6展示了糖尿病所造成的視網膜病變在不同階段的具體表現。如果能及早監測到這些病變，便能為病人的醫治爭取更多的時間。

圖6：糖尿病在不同時期下所造成的視網膜病變情況

但是我們的人眼並不是完美的光學系統，存在著一定的像差。由於像差的干擾，以及眼底成像設備的較低解析度，病變位置所在的10微米以下的微血管並不能獲得清晰的成像。而引入自適應光學技術至眼底視網膜光學成像系統中，能有效地補償人眼像差，實現更高解析度的視網膜微細血管成像。圖7展示了人眼視網膜的自適應光學成像效果，自適應光學技術讓分辨能力和對比度都得到了巨大改善。

圖7：視網膜的自適應光學成像。（a）和（d）為視覺細胞成像，（b）和（e）為微血管成像，（c）和（f）為神經纖維層成像

生物熒光顯微成像是近些年來自適應光學技術新的應用領域。目前，熒光顯微成像系統對活體深層體成像還面臨諸多難題。活體生物三維組織結構具有非透明性，非均勻性以及各向異性，使得激發光和發射熒光在生物組織內部傳播的過程中會發生波前畸變，因此無法實現系統衍射極限的分辨能力。藉助自適應光學技術的力量，上述波前畸變能夠獲得實時的探測和精準校正，進而提高激發光照明和熒光成像的解析度。

這其中，具有代表性的工作來自Eric Betzig研究組。2015年，該課題組將自適應光學技術引入至雙光子顯微成像系統中，並對老鼠腦部神經組織進行了一系列成像，最終取得了明顯的效果，見圖8。

圖8：老鼠腦部神經組織的熒光顯微成像。（a）未經自適應光學校正，（b）自適應光學校正後，（c）結合自適應光學技術的雙光子顯微成像系統光路

自適應光學，這個既陌生又熟悉的名詞，從上世紀中期至今，一直在面臨困難、解決困難的曲折道路上前行著。伴隨著探測、控制和校正環節的不斷創新和改善，自適應光學從不吝嗇展現其嶄新的面貌。相信在不久的將來，憑藉著日趨成熟的本領，該技術必定能在更廣闊的應用領域，以更高層次的水準發揮出無可替代的作用。

作者：徐梓浩

來源：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所