作者：Lori Howe，Alex Cable Scott，Barry

最初为望远镜开发的技术大大提高了显微镜的性能，使之具有微米级的分辨率和更广的有效视场。
光学系统设计者们越来越多地使用主动元件，推动着光机电一体化领域的持续快速发展。主动元件包括转换器和传感器、主动和自适应光学元件，以及实时微处理控制器等。这种高动态光学仪器的性能和应用潜力，甚至远远超出了仅由静态光学元件构成的仪器的理论极限。
就自适应光学而言，天文学是其发展的最初推动力，1953年Horace Babcock建议采用主动光学补偿来解决穿过大气成像的内在挑战[1]。不同密度的大气层之间的湍流会产生动态的折射率梯度和随时间变化的入射光光程。如果不采取任何校正措施，在电磁波的波前上产生的振幅和相位畸变就会导致在形成的图像上产生闪烁的亮区或暗区，这严重地限制了地基望远镜的角分辨率。尽管Babcock建议的在一个带静电电荷的镜面上涂上一层油来改变局部油层厚度的方法从来没有实现过，但他的基本设计思想在现今的许多自适应光学应用中仍在使用。目前，可由计算机控制表面面形的变形镜被普遍用于校正由大气湍流引起的波前畸变。

图1. 由Ben Potsaid 和Scott Barry领导的Thorlabs/RPI研究小组设计并构建的ASOM系统包含Nova Phase公司生产的定制扫描透镜组、一个定制的高速转向镜（该转向镜是Boston Micromachines公司生产的有140个静电控制器的MEMS变形镜）和一个Thorlabs公司的CCD相机。

20世纪60年代，自适应光学的早期发展是由国防工业资助的，然而直到80年代，自适应光学才因为改善了地基望远镜的性能而在天文学领域找到了用武之地。自适应光学中最基本的设计包括利用波前传感器（Shack-Hartmann干涉仪或可变剪切干涉仪）进行波前的实时测量和波前校正（变形镜和液晶空间光调制器）。结合以前发展的技术，目前自适应光学的应用已经扩展到其他领域。

自适应扫描光学显微镜
2005年，伦瑟勒理工学院自动控制技术和系统中心（CATS）的Ben Potsaid、John Wen和Yves Bellouard开发了一种自适应扫描光学显微镜（ASOM），它基于MEMS变形镜来校正物镜的离轴波前像差。

图2. 成像镜扫描透镜的输入通光孔就可获得扩大的视场（左图），其潜在的应用包括跟踪移动的样品，以及对突发事件成像（右图）。

这种新型的显微镜设计，配合高速物镜后振镜式扫描镜、空间光调制器和扫描透镜，就会产生具有微米级分辨率和较大有效视场的图像，因而提供了一种相对经济的办法来获得高质量图像，而传统上这只能通过很高分辨率的显微镜才能实现。在后来由Thorlabs/RPI小组设计的ASOM中，总的合成视场超过1250 mm2，分辨率为1.5祄（见表）。

在ASOM系统中设计一个远心扫描透镜用于获得具有40mm视场的有限共轭像（见图1）。透镜组由七个光学元件组成，后向焦距为19mm，数值孔径为0.20。一个定制的75mm快速MEMS转向镜在3.3mm2的通光孔上分布着140个静电控制器。科学级CCD相机具有1024 768个像素，栅距为4.7祄。
传统的显微镜由于物镜的限制，其视场相对较小。为了得到大尺寸样品的高分辨率图像，物镜就必须对样品进行扫描（或者移动显微镜，或者移动样品）。在ASOM中，其扫描机制是一个质量较轻的高速转向镜，它可以通过物镜扫描整个视场。
在这种结构中，离轴光线经过物镜后会发生显著的波前畸变，一般情况下会导致图像模糊，但是通过利用一个可实时控制的变形镜，系统会补偿波前畸变，因而能得到具有均匀分辨率的衍射图像。对样品扫描后再进行图像重构就会得到放大的视场。这在生物领域是非常有用的，因为在生物应用中常常需要获得细胞级的分辨率（约为1祄），同时还需要保持一个大的视场在厘米尺度上监测总的解剖信息，或者观测那些可能“游到”视场外的活生物体（见图2）。

活体样本
ASOM中的快速扫描镜代替了许多显微镜应用中用到的传统扫描环节。由于不需要移动样品，在利用ASOM技术进行活体样本成像时，可以在检测的环境中植入传感器或控制器。ASOM同时还消除了机械平台的移动，而这种移动会限制扫描速度，并会引发许多活体样品使用的液体和粘滞介质产生破裂性振动[2]。由于图像到图像之间的移动时间小于5ms，使ASOM的移动速度可以达到机械移动显微镜的100倍，并且使用高速CCD相机
可以使合成图像的帧传输速率达到100帧/秒。高扫描速率的潜在应用包括毒品检测和大规模筛选等。

图3. ASOM技术的应用包括观测和跟踪线虫的数量，这种有机体长期以来被用于进行胚胎学和发展神经学的研究。借助ASOM技术，可以观测个体细胞的生长，同时跟踪线虫的物理运动。这些图像是使用RPI的具有32个控制器的变形镜构建的ASOM原型机拍摄的[2]。

除了生物学外，ASOM技术潜在的应用还包括微机械制造。在某些生产环境中必需的非接触式检测和机器人操做工业中，成像变得越来越重要。
对于微机械制造，ASOM技术能够以高放大倍率检测选定的区域，同时还可以观察整个工作空间，从而通过同步监控多个并行操作的机器人系统，使整个装配过程更加方便。Rensselaer曾经演示了利用实时视觉处理算法，由ASOM对两个微镊子进行自动跟踪（见图4）。[3]由于微镊子在工作空间中是独立移动的，因此其中两幅图跟踪第一个镊子，另外两幅图跟踪第二个镊子，用于协助控制部件并避免碰撞。

参考文献：
1. H.W. Babcock, Publications of the Astronomical Society of the Pacific 65(386) 229 (October 1953).
2. B. Potsaid et al., Optics Express 13(17) 6504 (Aug. 22, 2005)
3. B. Potsaid et al., Proc. IEEE Int’l. Conf. Robotics and Automation (ICRA) 1024 (2006).