Uyarlanabilir optik - Adaptive optics

Bir deforme olabilir ayna astronomik teleskop doğru dalga cephesi hatalar için de kullanılabilir.
(Basitleştirilmiş) bir uyarlanabilir optik sistemin çizimi. Işık önce eğimli (TT) bir aynaya, ardından dalga cephesini düzelten deforme olabilen bir aynaya (DM) çarpar. Işığın bir kısmı, dalga ön sensörüne ve DM ve TT aynalarına güncellenmiş sinyaller gönderen kontrol donanımına bir huzme ayırıcı (BS) tarafından gönderilir.
Bir sanatçının uyarlanabilir optik izlenimi.
Saptırılmış bir görüntünün dalga cephesi (solda) bir dalga cephesi sensörü (ortada) kullanılarak ölçülebilir ve daha sonra deforme olabilen bir ayna (sağda) kullanılarak düzeltilebilir.

Adaptif optik ( AO ), bozulmayı telafi etmek için bir aynayı deforme ederek gelen dalga cephesi bozulmalarının etkisini azaltarak optik sistemlerin performansını artırmak için kullanılan bir teknolojidir . Kullanılan astronomik teleskop üzerindeki etkisini kaldırmak için ve lazer iletişim sistemleri atmosferik bozulma mikroskopi, içinde, optik üretim ve retina azaltmak için görüntüleme sistemleri optik sapmaları . Uyarlanabilir optikler, bir dalga cephesindeki bozulmaları ölçerek ve deforme olabilen bir ayna veya sıvı kristal dizisi gibi bu hataları düzelten bir cihazla bunları telafi ederek çalışır .

Uyarlanabilir optikler , birincil ayna geometrisini düzeltmek için daha uzun bir zaman ölçeğinde çalışan aktif optiklerle karıştırılmamalıdır .

Diğer yöntemler, benek görüntüleme , açıklık sentezi ve şanslı görüntüleme gibi atmosferik bozulmanın dayattığı sınırı aşan veya Hubble Uzay Teleskobu gibi uzay teleskoplarıyla atmosferin dışına çıkarak çözme gücüne ulaşabilir .

Tarih

Uyarlanabilir ince kabuk ayna.

Adaptif optik ilk olarak 1953'te Horace W. Babcock tarafından tasavvur edildi ve Poul Anderson'ın romanı Tau Zero'da (1970) olduğu gibi bilimkurguda da kabul edildi , ancak 1990'larda bilgisayar teknolojisindeki gelişmelere kadar yaygın bir kullanıma girmedi. tekniği pratik hale getirdi.

Uyarlanabilir optikler üzerindeki ilk geliştirme çalışmalarının bir kısmı, Soğuk Savaş sırasında ABD ordusu tarafından yapıldı ve Sovyet uydularının izlenmesinde kullanılması amaçlandı.

Mikroelektromekanik sistemler (MEMS) deforme olabilen aynalar ve manyetik konseptli deforme olabilen aynalar , çok yönlülükleri, strokları, teknolojinin olgunluğu ve sağladıkları yüksek çözünürlüklü dalga önü düzeltmeleri göz önüne alındığında, adaptif optikler için dalga cephesi şekillendirme uygulamalarında şu anda en yaygın kullanılan teknolojidir.

Uç-eğim düzeltme

Uyarlamalı optik en basit formudur uç eğim düzeltme , düzeltilmesi karşılık gelir eğilmeler (görüntü için konum uzaklıklar düzeltilmesi eşdeğer) iki boyutta dalga cephesinin. Bu, iki ekseni etrafında küçük dönüşler yapan, hızla hareket eden bir eğimli ayna kullanılarak gerçekleştirilir. Önemli bir kısmında sapması tarafından ortaya atmosferi bu şekilde çıkarılabilir.

Eğimli-eğimli aynalar, bağımsız olarak eğilebilen ve eğilebilen çok sayıda segmente sahip olmak yerine, eğilebilen ve eğilebilen tek bir segmente sahip etkin bir şekilde segmentlere ayrılmış aynalardır . Bu tür aynaların göreceli basitliği ve büyük bir strok olması, yani büyük düzeltme gücüne sahip olmaları nedeniyle, çoğu AO sistemi bunları ilk önce düşük dereceli sapmaları düzeltmek için kullanır. Daha yüksek dereceli sapmalar daha sonra deforme olabilen aynalarla düzeltilebilir.

astronomide

Şili'deki Çok Büyük Teleskop sahasındaki gökbilimciler uyarlanabilir optik kullanıyor.
VLT Uyarlanabilir Optik Tesisinden gece gökyüzüne lazer fırlatılıyor.

atmosferik görme

Bir yıldızdan gelen ışık Dünya atmosferinden geçtiğinde, dalga cephesi bozulur.
Kulübe Hartmann sensör uyarlamalı optik için kullanılan dalga cephesi sensörünün bir türüdür.
Bir yıldızın teleskopla negatif görüntüleri. Soldaki panel, uyarlanabilir optik sistem kapatıldığında bir yıldızın ağır çekim filmini gösterir. Sağdaki panel, AO sistemi açıldığında aynı yıldızın ağır çekim filmini gösterir.

Bir yıldızdan veya başka bir astronomik nesneden gelen ışık Dünya'nın atmosferine girdiğinde, atmosferik türbülans (örneğin, farklı sıcaklık katmanları ve farklı rüzgar hızlarının etkileşimi ile ortaya çıkan) görüntüyü çeşitli şekillerde bozabilir ve hareket ettirebilir. Yaklaşık 20 santimetreden daha büyük herhangi bir teleskop tarafından üretilen görsel görüntüler, bu bozulmalar nedeniyle bulanıklaşır.

Wavefront algılama ve düzeltme

Uyarlanabilir bir optik sistem , astronomik ışığın bir kısmını alan bir dalga cephesi sensörü , optik yolda yer alan deforme olabilen bir ayna ve dedektörden girdi alan bir bilgisayar kullanarak bu bozulmaları düzeltmeye çalışır . Wavefront sensörü, atmosferin neden olduğu bozulmaları birkaç milisaniyelik zaman ölçeğinde ölçer ; bilgisayar, bozulmaları düzeltmek için en uygun ayna şeklini hesaplar ve deforme olabilen aynanın yüzeyi buna göre yeniden şekillendirilir. Örneğin, (gibi 8-10 mm teleskop VLT'nin veya Keck ) bir AO düzeltilmiş görüntü üretebilir açısal çözünürlük 30-60 arasında milliarcsecond (mas) çözünürlüğü düzeltme olmaksızın çözünürlük 1 mertebesinde ise, kızılötesi dalga boyu aralığında ark saniye .

Uyarlanabilir optik düzeltmeyi gerçekleştirmek için, gelen dalga cephelerinin şekli, teleskop açıklık düzlemindeki konumun bir fonksiyonu olarak ölçülmelidir. Tipik olarak dairesel teleskop açıklığı , ya bir dizi küçük mercekcik (bir Shack-Hartmann dalga önü sensörü ) kullanılarak ya da teleskop açıklığının görüntülerinde çalışan bir eğrilik veya piramit sensörü kullanılarak bir dalga önü sensöründe bir piksel dizisine bölünür . Her pikseldeki ortalama dalga önü pertürbasyonu hesaplanır. Dalga cephelerinin bu pikselli haritası, deforme olabilen aynaya beslenir ve atmosferin neden olduğu dalga cephesi hatalarını düzeltmek için kullanılır. Astronomik nesnenin şeklinin veya boyutunun bilinmesi gerekli değildir - nokta benzeri olmayan Güneş Sistemi nesneleri bile bir Shack-Hartmann dalga cephesi sensöründe kullanılabilir ve Güneş'in yüzeyinde zamanla değişen yapı kullanılabilir. Güneş teleskoplarında uyarlanabilir optikler için yaygın olarak kullanılır. Deforme olabilen ayna, görüntülerin keskin görünmesi için gelen ışığı düzeltir.

Kılavuz yıldızları kullanma

Doğal rehber yıldızlar

Bir bilim hedefi genellikle optik dalga cephelerinin şeklini ölçmek için bir referans yıldız olarak kullanılamayacak kadar sönük olduğundan, bunun yerine yakındaki daha parlak bir kılavuz yıldız kullanılabilir. Bilim hedefinden gelen ışık, referans yıldızın ışığıyla yaklaşık olarak aynı atmosferik türbülanstan geçti ve bu nedenle, genel olarak daha düşük bir doğrulukla olsa da, görüntüsü de düzeltildi.

Samanyolu'nun merkezine doğru yönlendirilmiş bir lazer ışını . Bu lazer ışını daha sonra AO için bir kılavuz yıldız olarak kullanılabilir.

Bir referans yıldızın gerekliliği, uyarlanabilir bir optik sistemin gökyüzünde her yerde çalışamayacağı, ancak yalnızca yeterli parlaklığa sahip bir kılavuz yıldızın (mevcut sistemler için, yaklaşık 12-15 kadir ) gözlem nesnesine çok yakın bulunabileceği anlamına gelir. . Bu, astronomik gözlemler için tekniğin uygulanmasını ciddi şekilde sınırlar. Bir diğer önemli sınırlama, uyarlanabilir optik düzeltmenin iyi olduğu küçük görüş alanıdır. Kılavuz yıldızdan açısal mesafe arttıkça görüntü kalitesi düşer. "Çok eşlenikli uyarlanabilir optik" olarak bilinen bir teknik, daha büyük bir görüş alanı elde etmek için birkaç deforme olabilen ayna kullanır.

Yapay kılavuz yıldızlar

Bir alternatif, atmosferde bir referans ışık kaynağı (bir lazer kılavuz yıldızı , LGS) oluşturmak için bir lazer ışınının kullanılmasıdır . İki tür LGS vardır: Rayleigh kılavuz yıldızları ve sodyum kılavuz yıldızları. Rayleigh kılavuz yıldızları , genellikle yakın morötesi dalga boylarında bir lazer yayarak ve 15–25 km (49.000–82.000 ft) arasındaki irtifalarda havadan geri saçılımı tespit ederek çalışır. Sodyum kılavuz yıldızları , mezosfer ve termosferde daha yüksekte bulunan sodyum atomlarını rezonanslı bir şekilde uyarmak için 589 nm'de lazer ışığı kullanır , bunlar daha sonra "parlıyor" gibi görünür. LGS daha sonra doğal bir kılavuz yıldızla aynı şekilde bir dalga cephesi referansı olarak kullanılabilir - ancak (çok daha sönük) doğal referans yıldızları, görüntü konumu (uç/eğim) bilgisi için hala gereklidir. Lazerler ölçümü ile sık sık, titreşim uygulanır atmosferi birkaç oluşan bir pencere sınırlı olmak mikrosaniye nabız başlatıldı sonra. Bu, sistemin zemin seviyesinde saçılan ışığın çoğunu yok saymasını sağlar; sadece birkaç mikrosaniye boyunca atmosferin yukarısında ve arkasında dolaşan ışık gerçekten algılanır.

Retina görüntülemede

Uyarlanabilir optikler için lazerler kullanan Avrupa Aşırı Büyük Teleskopu ile ilgili sanatçının izlenimi

Oküler sapmaları olan çarpıtmalar gözbebeği geçen dalga yüzü de göz . Bu optik aberasyonlar retinada oluşan görüntünün kalitesini düşürür, bazen gözlük veya kontakt lens takılmasını gerektirebilir . Retinal görüntüleme durumunda, gözden geçen ışık benzer dalga cephesi bozulmaları taşır ve bu da retinanın mikroskobik yapısını (hücreler ve kılcal damarlar) çözememesine yol açar. Gözlükler ve kontakt lensler, insanlarda uzun süreler (aylar veya yıllar) boyunca stabil olma eğiliminde olan bulanıklık ve astigmatizma gibi "düşük sıralı sapmaları" düzeltir. Bunların düzeltilmesi normal görsel işlev için yeterli olmakla birlikte, genellikle mikroskobik çözünürlük elde etmek için yetersizdir. Ek olarak, mikroskobik çözünürlük elde etmek için koma, küresel sapma ve yonca gibi "yüksek dereceli sapmalar" da düzeltilmelidir. Yüksek sıralı sapmalar, düşük sıralıdan farklı olarak, zamanla sabit değildir ve 0,1 s ile 0,01 s arasındaki zaman ölçeklerinde değişebilir. Bu sapmaların düzeltilmesi sürekli, yüksek frekanslı ölçüm ve kompanzasyon gerektirir.

Oküler sapmaların ölçümü

Oküler sapmalar genellikle bir wavefront sensörü kullanılarak ölçülür ve en yaygın kullanılan wavefront sensörü türü Shack-Hartmann'dır . Oküler aberasyonlar, gözden çıkan dalga cephesindeki uzamsal faz düzensizliklerinden kaynaklanır. Bir Shack-Hartmann dalga cephesi sensöründe, bunlar, gözbebeğine eşlenik bir öğrenci düzlemine iki boyutlu bir küçük mercek dizisi (mercekler) ve mercekciklerin arka odak düzlemine bir CCD çipi yerleştirilerek ölçülür. Mercekcikler, noktaların CCD çipine odaklanmasına neden olur ve bu noktaların konumları, bir merkezleme algoritması kullanılarak hesaplanır. Bu noktaların konumları, referans noktalarının konumları ile karşılaştırılır ve ikisi arasındaki yer değiştirmeler, dalga cephesinin yerel eğriliğini belirlemek için kullanılır ve kişinin dalga cephesi bilgisini sayısal olarak yeniden yapılandırmasına izin verir - sapmaya neden olan faz düzensizliklerinin bir tahmini .

Oküler aberasyonların düzeltilmesi

Dalga cephesindeki yerel faz hataları bir kez bilindiğinde, bunlar, sistemin gözbebeğine eşlenik başka bir düzlemde deforme olabilen bir ayna gibi bir faz modülatörü yerleştirilerek düzeltilebilir. Faz hataları, daha sonra deforme olabilen aynayı kontrol etmek için kullanılabilen dalga cephesini yeniden oluşturmak için kullanılabilir. Alternatif olarak, yerel faz hataları, deforme olabilir ayna talimatlarını hesaplamak için doğrudan kullanılabilir.

Açık döngü ve kapalı döngü çalışması

Wavefront hatası, wavefront düzeltici tarafından düzeltilmeden önce ölçülürse, işleme "açık döngü" denir. Wavefront hatası, wavefront düzeltici tarafından düzeltildikten sonra ölçülürse, işleme "kapalı döngü" denir. İkinci durumda, ölçülen dalga cephesi hataları küçük olacaktır ve ölçüm ve düzeltmedeki hataların ortadan kaldırılması daha olasıdır. Kapalı döngü düzeltmesi normdur.

Uygulamalar

Adaptif optikler ilk olarak canlı insan gözündeki tek koni görüntülerini üretmek için sel aydınlatmalı retinal görüntülemeye uygulandı. Ayrıca, tek konilere ek olarak retina mikrovaskülatürünün ve ilişkili kan akışının ve retinal pigment epitel hücrelerinin ilk görüntülerini üretmek için (canlı insan gözlerinde de) tarama lazer oftalmoskopi ile birlikte kullanılmıştır . İle birlikte optik koherens tomografi , uyarlamalı optik ilk izin verdi üç boyutlu koni yaşayan görüntülerini fotoreseptör toplanacak.

mikroskopta

Mikroskopide, numune kaynaklı sapmaları düzeltmek için uyarlamalı optikler kullanılır. Gerekli wavefront düzeltmesi ya doğrudan wavefront sensörü kullanılarak ölçülür ya da sensörsüz AO teknikleri kullanılarak tahmin edilir.

Diğer kullanımlar

GRAAL, lazerler tarafından desteklenen bir zemin katmanı uyarlanabilir optik alettir.

Uyarlanabilir optik teknolojisi, gece astronomik görüntüleme ve retina görüntülemeyi geliştirmek için kullanımının yanı sıra başka ortamlarda da kullanılmıştır. Adaptif optikler, İsveç 1 metrelik Güneş Teleskobu ve Büyük Ayı Güneş Gözlemevi gibi gözlemevlerinde güneş astronomisi için kullanılır . Ayrıca, yörüngedeki uydular da dahil olmak üzere , karadan ve havadan lazer silahlarının uzak mesafedeki hedeflere ulaşmasına ve onları yok etmesine izin vererek askeri bir rol oynaması bekleniyor . Füze Savunma Ajansı Havadan Lazer programı bu temel örneğidir.

Uyarlamalı optikler, klasik ve kuantum serbest uzay optik iletişim sistemlerinin performansını artırmak ve optik fiberlerin uzaysal çıktısını kontrol etmek için kullanılmıştır.

Tıbbi uygulamalar, optik koherens tomografi ile birleştirilmiş retinanın görüntülenmesini içerir . Ayrıca Uyarlanabilir Optik Taramalı Lazer Oftalmoskopun (AOSLO) geliştirilmesi, insan retinasından yansıyan dalga cephesindeki sapmaların düzeltilmesini ve insan çubuklarının ve konilerinin kırınım sınırlı görüntülerinin alınmasını sağlamıştır. Adaptif Taramalı Optik Mikroskop'un (ASOM) geliştirilmesi , Nisan 2007'de Thorlabs tarafından duyuruldu . Adaptif ve aktif optikler , başlangıçta askeri uygulamalar için, 20/20 görüşten daha iyi bir görüş elde etmek için gözlüklerde de geliştiriliyor .

Bir dalga cephesinin yayılmasından sonra, bunun parçaları çakışabilir ve bu da girişime neden olabilir ve uyarlanabilir optiklerin onu düzeltmesini önleyebilir. Eğri bir dalga cephesinin yayılması her zaman genlik varyasyonuna yol açar. Lazer uygulamalarında iyi bir ışın profili elde edilecekse bunun dikkate alınması gerekir. Lazer kullanan malzeme işlemede, çalışma yüzeyi boyunca odak uzunluğundaki değişiklikler için delme sırasında odak derinliğinin değişmesine izin vermek için anında ayarlamalar yapılabilir. Işın genişliği, delme ve kesme modu arasında geçiş yapmak için de ayarlanabilir. Bu, lazer kafasının optiğinin değiştirilmesi ihtiyacını ortadan kaldırarak daha dinamik modifikasyonlar için genel işlem süresini kısaltır.

Uyarlanabilir optikler, özellikle dalga cephesini kodlayan uzamsal ışık modülatörleri, biyolojik örnekleri mikro manipüle etmek için kullanılan lazer odaklarını çoğaltmak ve dinamik olarak yeniden yapılandırmak için optik yakalama uygulamalarında sıklıkla kullanılır .

Işın stabilizasyonu

Oldukça basit bir örnek, geniş bir boş alan optik iletişim sisteminde modüller arasındaki lazer ışınının konumunun ve yönünün stabilizasyonudur. Fourier optiği hem yönü hem de konumu kontrol etmek için kullanılır. Gerçek ışın, foto diyotlarla ölçülür . Bu sinyal, analogdan dijitale dönüştürücülere ve ardından bir PID denetleyici algoritması çalıştıran bir mikro denetleyiciye beslenir . Denetleyici daha sonra ayna yuvalarına takılı step motorları çalıştıran dijital-analog dönüştürücüleri çalıştırır .

Işın 4 çeyrek diyotlar üzerine ortalanacaksa, analogdan dijitale dönüştürücü gerekmez. İşlemsel yükselteçler yeterlidir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar