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，為什么星星會眨眼睛？地球的大氣不僅不均勻，還不穩(wěn)定，同一時刻不同位置、不同時刻相同位置大氣的濕度、溫度、密度等不盡相同，這便會導致光的折射。因此，到達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。假設大氣均勻，眼睛或望遠鏡收集到的天體上某一點發(fā)出的光線最后也應該匯聚為一個點，但現(xiàn)實情況是，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，圖像因此變得模糊，再加上大氣總在抖動，模糊的星星便會一直“閃爍”。

上天看星星不劃算

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

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

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50 年代，天文學家霍勒斯·巴布科克提出了一個方法：用受“波前傳感器”驅動的光學元件，補償大氣擾動對望遠鏡成像的影響。這句話大多數(shù)人乍聽可能一頭霧水。首先，波前傳感器是個什么東西？

波前，有時也被稱為波面，描述的是一個和光線傳播方向垂直的曲面。理想平行光的波前是一個平面，點光源的波前是一個球面。

由于大氣干擾，光線穿過大氣的時候，其波前會產(chǎn)生畸變。因為有了波前畸變，所以圖像就變得模糊，因為波前畸變在不停地發(fā)生變化，所以圖像就模糊且抖動。

既然波前畸變是圖像模糊和抖動的直接原因，那何不用一個元件產(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？但是怎么知道應該抵消多少呢？萬一抵消過頭了怎么辦？這就需要先用一個儀器（即波前傳感器）測量大氣引起的波前畸變，再通過光學元件來準確地校正、抵消這個畸變，從而達到“正1 加負1 等于零”的效果。而且因為大氣是在不停變化的，所以這個“測量+ 校正”的過程還需要不停地循環(huán)，以達到動態(tài)校正的效果。這就是自適應光學的理念。

“自適應光學”這個詞雖然聽著很厲害，但離我們并不遙遠，因為我們每個人身上都有這么一套自適應光學系統(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，大腦實時地對圖像進行處理、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。

自適應光學的用武之地

自適應光學的思想非常先進，它突破了傳統(tǒng)光學的局限，把測量、控制、校正的思想引入了光學領域，而且要求系統(tǒng)能夠實時動態(tài)地消除大氣的干擾。這哪里是單純的光學領域，機械、電子、圖像控制什么都有，按照目前時髦的說法，這屬于交叉領域，而且是深度交叉。

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

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

自熒光蛋白發(fā)現(xiàn)以來，用熒光標記技術對神經(jīng)細胞的鈣離子進行動態(tài)光學顯微成像是神經(jīng)領域科學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面臨的一大難題是哺乳動物腦組織固有的光散射特征：在實施大深度生物組織成像時，樣品的不均一性會引起光學像差，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結構上來獲得高解析度的圖像。最近幾年，有科學家嘗試將自適應光學技術引入深度腦部成像過程，開創(chuàng)了一項飛躍性的非侵入式活體組織顯微成像技術。