看清星星的臉

一閃一閃亮晶晶，滿天都是小星星。你可曾想過，為什么星星會(huì)眨眼睛？地球的大氣不僅不均勻，還不穩(wěn)定，同一時(shí)刻不同位置、不同時(shí)刻相同位置大氣的濕度、溫度、密度等不盡相同，這便會(huì)導(dǎo)致光的折射。因此，到達(dá)地面的星光并非是走直線過來的，而是經(jīng)歷了九曲十八彎。假設(shè)大氣均勻，眼睛或望遠(yuǎn)鏡收集到的天體上某一點(diǎn)發(fā)出的光線最后也應(yīng)該匯聚為一個(gè)點(diǎn)，但現(xiàn)實(shí)情況是，每條光線受到不均勻的大氣干擾的程度不同，光線無法匯聚為一點(diǎn)，圖像因此變得模糊，再加上大氣總在抖動(dòng)，模糊的星星便會(huì)一直“閃爍”。

上天看星星不劃算

既然大氣的不均勻和不穩(wěn)定會(huì)削弱望遠(yuǎn)鏡的成像質(zhì)量，那么怎樣才能消除這種負(fù)面影響，從而看到清晰的圖像呢？最直接的辦法是把望遠(yuǎn)鏡架在太空中，不經(jīng)過地球表面的大氣。

1946年，天文學(xué)家萊曼·斯皮策提出在太空中建造望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行天文觀測的設(shè)想。1990 年，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡成功上天，成為首臺(tái)在太空中進(jìn)行天文觀測的望遠(yuǎn)鏡，并拍到了很多酷炫的太空照片，運(yùn)行至今。然而，太空望遠(yuǎn)鏡畢竟太過“高大上”，又能造幾臺(tái)太空望遠(yuǎn)鏡來看清星星呢？

在地上就能擦亮眼

為了克服大氣的干擾，在地面上看清星星的真容，20 世紀(jì)50 年代，天文學(xué)家霍勒斯·巴布科克提出了一個(gè)方法：用受“波前傳感器”驅(qū)動(dòng)的光學(xué)元件，補(bǔ)償大氣擾動(dòng)對(duì)望遠(yuǎn)鏡成像的影響。這句話大多數(shù)人乍聽可能一頭霧水。首先，波前傳感器是個(gè)什么東西？

波前，有時(shí)也被稱為波面，描述的是一個(gè)和光線傳播方向垂直的曲面。理想平行光的波前是一個(gè)平面，點(diǎn)光源的波前是一個(gè)球面。

由于大氣干擾，光線穿過大氣的時(shí)候，其波前會(huì)產(chǎn)生畸變。因?yàn)橛辛瞬ㄇ盎儯詧D像就變得模糊，因?yàn)椴ㄇ盎冊诓煌５匕l(fā)生變化，所以圖像就模糊且抖動(dòng)。

既然波前畸變是圖像模糊和抖動(dòng)的直接原因，那何不用一個(gè)元件產(chǎn)生反向的波前畸變，正好和大氣引起的畸變相互抵消呢？這樣大氣的干擾不就被消除掉了嗎？但是怎么知道應(yīng)該抵消多少呢？萬一抵消過頭了怎么辦？這就需要先用一個(gè)儀器（即波前傳感器）測量大氣引起的波前畸變，再通過光學(xué)元件來準(zhǔn)確地校正、抵消這個(gè)畸變，從而達(dá)到“正1 加負(fù)1 等于零”的效果。而且因?yàn)榇髿馐窃诓煌Ｗ兓模赃@個(gè)“測量+ 校正”的過程還需要不停地循環(huán)，以達(dá)到動(dòng)態(tài)校正的效果。這就是自適應(yīng)光學(xué)的理念。

“自適應(yīng)光學(xué)”這個(gè)詞雖然聽著很厲害，但離我們并不遙遠(yuǎn)，因?yàn)槲覀兠總€(gè)人身上都有這么一套自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，那就是我們的眼睛。人眼接收外界環(huán)境的光線，在視網(wǎng)膜成像，圖像被送入大腦，大腦實(shí)時(shí)地對(duì)圖像進(jìn)行處理、分析，判斷圖像的清晰度，然后控制人眼的睫狀肌收縮，調(diào)整晶狀體變形，最后在視網(wǎng)膜呈現(xiàn)清晰的圖像。這是典型的測量、控制、校正過程，只不過這一切發(fā)生得太快、太自然，所以你沒有感覺到而已。

自適應(yīng)光學(xué)的用武之地

自適應(yīng)光學(xué)的思想非常先進(jìn)，它突破了傳統(tǒng)光學(xué)的局限，把測量、控制、校正的思想引入了光學(xué)領(lǐng)域，而且要求系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)地消除大氣的干擾。這哪里是單純的光學(xué)領(lǐng)域，機(jī)械、電子、圖像控制什么都有，按照目前時(shí)髦的說法，這屬于交叉領(lǐng)域，而且是深度交叉。

話說回來，自適應(yīng)光學(xué)的想法聽起來很好，但是實(shí)現(xiàn)起來卻很難。為了滿足實(shí)時(shí)測量、控制、校正的要求，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵器件需要達(dá)到很高的性能要求。想想看，晶體管是1947 年誕生的，第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)直至1953 年才被研制出來，大規(guī)模集成電路到1953 年才出現(xiàn)。在這個(gè)自適應(yīng)光學(xué)的想法被提出的20 世紀(jì)50 年代，想要完成實(shí)時(shí)高速的波前測量、控制、校正這一系列操作，談何容易。因此，自適應(yīng)光學(xué)最開始主要用在激光武器、天文觀測等非常前沿的領(lǐng)域，不是一般人唾手可得的。

后來，隨著半導(dǎo)體光電子行業(yè)的迅猛發(fā)展，各種高性能、相對(duì)廉價(jià)的器件出現(xiàn)了，這一技術(shù)才慢慢進(jìn)入大眾的視野，開始被更多的人接觸、了解、接受。尤其近年來，很多應(yīng)用領(lǐng)域不再滿足于傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的性能局限，開始追求更快、更高、更強(qiáng)，自適應(yīng)光學(xué)開始在這些領(lǐng)域大顯身手。

自熒光蛋白發(fā)現(xiàn)以來，用熒光標(biāo)記技術(shù)對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的鈣離子進(jìn)行動(dòng)態(tài)光學(xué)顯微成像是神經(jīng)領(lǐng)域科學(xué)家研究大腦功能最主要和最直觀的手段之一。然而，目前的顯微成像技術(shù)面臨的一大難題是哺乳動(dòng)物腦組織固有的光散射特征：在實(shí)施大深度生物組織成像時(shí)，樣品的不均一性會(huì)引起光學(xué)像差，深度增加，像差也隨之增加，從而難以將激光完全聚焦于深層組織中的精細(xì)結(jié)構(gòu)上來獲得高解析度的圖像。最近幾年，有科學(xué)家嘗試將自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)引入深度腦部成像過程，開創(chuàng)了一項(xiàng)飛躍性的非侵入式活體組織顯微成像技術(shù)。