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短波紅外相機在自適應光學的應用

發布日期:2019/7/11 13:10:19? 瀏覽次數:


自適應光學,重點描述了短波紅外相機在波前檢測應用中的優勢。我們同樣關注天文學、激光通訊、生命顯微科學和視網膜眼底相干光學(OCT)。 提出了短波紅外相機在自適應光學應用中的核心性能參數。



如何糾正大氣折射誤差?

1953年Babcock 在太平洋天文學會出版物上撰文,提出了對天文觀測進行補償的可能性。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,并制作了第一套裝備到望遠鏡的自適應系統卻用了整整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,比如顯微鏡、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,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。

最常用的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。假如波陣面有畸變,聚焦的點位就會發生移動,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,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,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),受各種不同應用的驅動,市場上出現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,有最少不足20個,最多超過4000個驅動單元控制MEMS變形鏡。



圖1 傳統自適應光學元件與結構



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精確性。

在天文自適應系統中,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精確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域亮度不足)。此時基于可見光傳感器的自適應光學系統,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。(來源:加利福尼亞州立大學北嶺分校Ren Deqing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。為了不損傷組織,光子數量受到嚴格限制。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:

視網膜成像用于發病之前檢測眼部疾病,并及早進行治療。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(<3μm)并通過顯微監測血管的眼血流量來監控病人的健康變化。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案例中,典型的應用是采用中心波長840nm的超輻射發光二極管。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。

AO在長距離激光通信中的應用:

對地觀測衛星成像傳感器的分辨率不斷增加,要求數據下行速率比目前可行的常規射頻技術快的多。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,也不需要光纖數據傳輸技術。然而,當遠距離傳送數據(>1公里),大氣湍流會限制可傳輸的數據率。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,從而實現的數據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800 nm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,1550 nm系統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,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傳輸后重構相

在這些應用中,大家普遍把1550 nm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、發光二極管和光學系統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)500---1700nm,可見光增強型InGaAs

(2)900---1700nm,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,下列性能參數是關鍵:

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

2、短曝光(<1ms),對于大多數應用,短曝光是必不可少的,它凍結了傳輸介質的狀態。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(比如天文)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精確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應用中的優勢,因為小于探測器尺寸的孔徑光闌將使波前傳感復雜。

結語

本文中,我們討論了AO 的基本原理,以及在天文學、顯微鏡、視網膜圖像和激光通訊中的應用。總結了紅外相機在AO應用中的關鍵參數,并介紹了XenICs短波高速相機的類型。

通過對比我們可以明顯看出,XenICs短波紅外相機在以上各種應用中WFS系統中有明顯優勢。


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