優(yōu)勢(shì)：Xenics短波紅外相機(jī)在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用

時(shí)間：2022-07-01作者：深圳維爾克斯光電有限公司瀏覽：209

這篇文章中，我們將介紹自適應(yīng)光學(xué)以及重點(diǎn)介紹在波前傳感中使用（短波）紅外相機(jī)的優(yōu)勢(shì)。還重點(diǎn)介紹了在天文學(xué)、激光通信、生物成像顯微鏡和視網(wǎng)膜成像以及光學(xué)相干斷層成像方面的一些關(guān)鍵應(yīng)用。最后，總結(jié)了用于自適應(yīng)光學(xué)應(yīng)用的SWIR相機(jī)的關(guān)鍵性能參數(shù)




自適應(yīng)光學(xué)介紹

1953年，H·W·巴布科克在《太平洋天文學(xué)會(huì)出版物》中寫下了《補(bǔ)償天文觀測(cè)的可能性》[pha]，[str]。他討論了地球大氣湍流對(duì)天文觀測(cè)造成的嚴(yán)重限制，并提出了“自適應(yīng)光學(xué)”（AO）作為一個(gè)改進(jìn)天文成像的概念。這個(gè)概念，涉及到校正大氣折射率變化引起的波前誤差。盡管他的建議對(duì)美國(guó)軍方來說很有意義，但花了大約20年的時(shí)間，技術(shù)才趕上理論，并在望遠(yuǎn)鏡上安裝了**個(gè)AO系統(tǒng)。

相機(jī)和可變形反射鏡的快速技術(shù)進(jìn)步也使得自適應(yīng)光學(xué)在其他應(yīng)用領(lǐng)域的引入，如顯微鏡、視網(wǎng)膜成像和激光通信。




什么是自適應(yīng)光學(xué)？

自適應(yīng)光學(xué)（AO）是一種測(cè)量波前誤差或畸變，并實(shí)時(shí)校正較終圖像的技術(shù)。典型的AO系統(tǒng)由三個(gè)主要組件組成：

波前傳感器（WFS）——用于測(cè)量誤差或失真

控制系統(tǒng)——計(jì)算所需的校正并驅(qū)動(dòng)校正裝置

波前校正器——對(duì)畸變進(jìn)行補(bǔ)償

1，波前傳感器

較常見的波前傳感器稱為Shack-Hartmann（SH-WFS）。這種簡(jiǎn)單的儀器于1971年**被NASA和軍事項(xiàng)目使用，它依賴于光的基本原理，即光波在均勻介質(zhì)中沿直線傳播，波前是垂直于局部傳播方向的表面[Neal]。WFS使用透鏡陣列將光分成多個(gè)小光束（子孔徑）。然后，光點(diǎn)聚焦在二維成像儀或相機(jī)上。當(dāng)波前畸變時(shí)，聚焦點(diǎn)移動(dòng)，這是波前的特征。




2，控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)通常是運(yùn)行控制算法軟件的計(jì)算機(jī)。目標(biāo)是確定聚焦點(diǎn)的位置，計(jì)算波前斜率，并通過積分計(jì)算波前重建，最后將此信息發(fā)送到波前校正器。




3，波前校正器

較常用的波前校正器技術(shù)是可變形反射鏡（DM）。存在許多不同版本和類型的DM，選擇標(biāo)準(zhǔn)由應(yīng)用程序驅(qū)動(dòng)。對(duì)于用于天文學(xué)中較端AO的MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）DM，執(zhí)行器的數(shù)量可以從不到20個(gè)到4000多個(gè)不等。

圖1：傳統(tǒng)的自適應(yīng)光學(xué)元件和配置。改編自C.Max，波士頓自適應(yīng)光學(xué)中心




天文學(xué)中的AO以及在波前傳感中使用紅外的優(yōu)勢(shì)

頻繁的動(dòng)態(tài)大氣湍流會(huì)導(dǎo)致隨機(jī)的空間和時(shí)間波前失真，嚴(yán)重限制了捕獲恒星和系外行星的高分辨率和精確圖像的能力。對(duì)于天文學(xué)中的AO，我們必須明確區(qū)分波前傳感器中使用的相機(jī)和用于觀察的相機(jī)。

AO在天文學(xué)中的使用關(guān)鍵取決于提供對(duì)被大氣扭曲的波前進(jìn)行參考測(cè)量的能力。因此，波前感應(yīng)是在稱為自然引導(dǎo)星的參考星上進(jìn)行的，如果這樣的星可以在人們想要觀察的物體附近找到的話。在某些情況下，如果對(duì)象本身足夠亮并且具有銳利的光梯度，也可以使用它。波前傳感測(cè)量可以在可見光中進(jìn)行，以便在紅外中觀察，或者在紅外本身中進(jìn)行，以防參考星在可見光中不夠亮。

目前以可見光傳感器為基礎(chǔ)的AO系統(tǒng)在天空覆蓋方面受到嚴(yán)重限制。所以目前都會(huì)通過使用低噪聲短波紅外（或較好的可見光增強(qiáng)型SWIR）相機(jī)來觀察較微弱的導(dǎo)星，并且紅外波段（J、H、K）的恒星密度**可見光。換句話說，在紅外波段較*找到自然導(dǎo)向星。具有更多紅外通量的“晚型”恒星的較高表面密度使我們能夠顯著增加天空覆蓋率。此外，在可見光中過于微弱的自參考紅色物體也可用于波前傳感。

波前計(jì)算必須快速完成（通常在1毫秒內(nèi)），否則大氣狀態(tài)可能會(huì)發(fā)生變化。這就需要在波前傳感中使用快速、靈敏的攝像頭。必須使用較短的曝光時(shí)間來“凍結(jié)”大氣湍流的影響。為了實(shí)時(shí)校正波前，必須使用高幀率和低延遲將校正信息發(fā)送到DM。此外，需要相對(duì)明亮的導(dǎo)星和高靈敏度探測(cè)器來保證波前傳感器上有足夠高的信噪比。










圖2：用美洲獅短波紅外相機(jī)作為科學(xué)成像相機(jī)在H波段（1500nm）觀測(cè)北落師門恒星。

左圖未校正，右圖用AO校正。（圖片來源：加州州立大學(xué)北嶺分校任德清博士）







生物顯微鏡中的AO

體內(nèi)成像在生物顯微鏡中至關(guān)重要——活組織與研究細(xì)胞過程較相關(guān)。然而，該應(yīng)用中的限制因素是在不損壞組織的情況下可以使用的光量。AO可用于校正由組織中的散射引入的波前誤差。SWIR波長(zhǎng)和AO的組合對(duì)于深層組織體內(nèi)成像和從生物樣本中提取重要信息非常理想。




視網(wǎng)膜成像中的AO

視網(wǎng)膜成像用于在發(fā)病前檢測(cè)眼部疾病，并開始早期**。眼部病變包括青光眼、糖尿病視網(wǎng)膜病變和年齡相關(guān)性黃斑變性。此外，良好的科學(xué)家認(rèn)為，分辨單個(gè)視網(wǎng)膜細(xì)胞（約3μm）和通過微觀脈管系統(tǒng)的眼部血流的能力將使他們能夠監(jiān)測(cè)患者健康狀況的變化。人類視網(wǎng)膜是通往心臟的窗口，研究人員已經(jīng)證明，視網(wǎng)膜血管損傷與冠心病、中風(fēng)和糖尿病之間存在聯(lián)系。

目前，由于眼睛本身（角膜和晶狀體）的缺陷導(dǎo)致波前失真，人類視網(wǎng)膜的**高分辨率圖像尚無法實(shí)現(xiàn)。使用AO進(jìn)行眼部成像的主要技術(shù)有兩種：共焦掃描激光眼科和光學(xué)相干斷層掃描。對(duì)于這兩種技術(shù)，AO可以顯著提高分辨率。在OCT的情況下，通常使用中心波長(zhǎng)約為840nm的**發(fā)光二極管。然而，將1300nm光與SWIR相機(jī)結(jié)合使用，將允許較好的穿透深度和較少的人體組織散射，從而顯著提高所得圖像的信噪比。




遠(yuǎn)程激光通信

對(duì)于地球觀測(cè)衛(wèi)星來說，成像傳感器分辨率的要求較大，需要數(shù)據(jù)下行鏈路的數(shù)據(jù)速率比目前常規(guī)RF（射頻）技術(shù)可行的數(shù)據(jù)速率要高得多。自由空間激光通信是一種*電線或光纖即可傳輸數(shù)據(jù)的有前途的技術(shù)。

然而，當(dāng)長(zhǎng)距離（>1km）發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，大氣湍流會(huì)限制可實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率。光信號(hào)波前會(huì)因大氣湍流引起的折射率變化而失真，云也會(huì)導(dǎo)致衰落或鏈路阻塞。AO可以校正激光脈沖的波前，從而提高可實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率并改善誤碼率(BER)。

特別是對(duì)于“近地飛行終端”（飛機(jī)下行鏈路），波長(zhǎng)選擇中，使用人眼安全的波段是地面站運(yùn)營(yíng)商的面臨的關(guān)鍵問題。使用1550nm的自由空間激光器的優(yōu)勢(shì)是比800nm左右的波長(zhǎng)對(duì)眼睛的安全性高約100倍?？梢允褂幂^大的激光功率。

此外，在1550nm處，該系統(tǒng)受來自天體、云層和地球反照率的背景光的影響也較小。這將減少跟蹤傳感器的致盲，并且可以使用具有較寬視野的傳感器。此外，大氣衰減在1550nm處非常低。所有這些都有助于將1550nm激光器與用于波前傳感的高速SWIR相機(jī)結(jié)合使用。










圖3：InGaAs波前傳感器(CheetahCL)的典型圖像，以及兩座建筑物之間400m鏈路的重建相位。

除了在自由空間激光通信中使用自適應(yīng)光學(xué)器件外，Shack-Hartmann波前傳感器還在激光束、LED和光學(xué)系統(tǒng)的計(jì)量和表征中得到應(yīng)用。

波前傳感器相機(jī)的選擇

Xenics提供四種波長(zhǎng)范圍內(nèi)的各種類型的SWIR相機(jī)：

1.     500至1700nm（可見光增強(qiáng)InGaAs）

2.     900至1700nm（標(biāo)準(zhǔn)InGaAs）

3.     900至2350納米(T2SL)

4.     900至2500納米(T2SL)




在選擇用于波前傳感的SWIR相機(jī)時(shí)，以下性能參數(shù)是關(guān)鍵：

·         必須使用具有低延遲的高速、高幀率相機(jī)，因?yàn)橄鄼C(jī)將用于控制回路中的WFS中進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。Xenics提供范圍廣泛的高速SWIR相機(jī)。XenicsCheetah相機(jī)是世界上較快的SWIR相機(jī)，在500至1700nm或900至1700nm波段的較大幀速率為1730fps，分辨率為640×512。

·         大多數(shù)應(yīng)用都需要較短的曝光時(shí)間（<1ms）以“凍結(jié)”傳輸介質(zhì)的狀態(tài)。所有XenicsSWIR相機(jī)都允許靈活使用曝光時(shí)間設(shè)置。

·         低（讀?。┰肼晜鞲衅鲗⒂休^好的信噪比。圖像將受到讀取噪聲的限制，因?yàn)?/span>WFS的曝光時(shí)間總是很短，暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲不會(huì)起主導(dǎo)作用。

·         在某些應(yīng)用（天文學(xué)）中，可見增強(qiáng)型SWIR相機(jī)有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼘⒃谳^寬的波長(zhǎng)帶中保持高靈敏度。

·         高分辨率傳感器將允許精確測(cè)量空間波前失真。Xenics高速相機(jī)有320×256或640×512兩種。大多數(shù)相機(jī)都提供靈活的窗口設(shè)置，以便以較高的幀速率捕獲圖像。

·         所有XenicsSWIR相機(jī)都沒有配備斯特林冷卻器，也沒有冷停。斯特林冷卻器會(huì)引起振動(dòng)，并且在WFS中使用SWIR相機(jī)時(shí)，沒有內(nèi)部冷光闌也是一個(gè)優(yōu)勢(shì)：小于探測(cè)器尺寸的孔徑會(huì)使波前傳感的使用變得復(fù)雜。




結(jié)論

在本文中，我們討論了AO在天文學(xué)、顯微鏡、視網(wǎng)膜成像和激光通信應(yīng)用中的基本工作原理。已經(jīng)強(qiáng)調(diào)了在這些應(yīng)用中使用SWIR相機(jī)進(jìn)行波前傳感的好處?？偨Y(jié)了SWIR相機(jī)在AO應(yīng)用中的關(guān)鍵性能參數(shù)，并介紹了Xenics系列高速SWIR相機(jī)。





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