Jump to content

Адаптивная оптика

Волновой фронт аберрированного изображения (слева) можно измерить с помощью датчика волнового фронта (в центре), а затем скорректировать с помощью деформируемого зеркала (справа).

Адаптивная оптика ( АО ) — это метод точной деформации зеркала с целью компенсации искажений света. Используется в астрономических телескопах. [1] и системы лазерной связи для устранения последствий атмосферных искажений , в микроскопии, [2] оптическое производство [3] и в сетчатки системах визуализации [4] для уменьшения оптических аберраций . Адаптивная оптика работает, измеряя искажения волнового фронта и компенсируя их с помощью устройства, которое исправляет эти ошибки, такого как деформируемое зеркало или матрица жидких кристаллов .

Адаптивную оптику не следует путать с активной оптикой , которая корректирует геометрию главного зеркала в течение более длительного времени.

Другие методы позволяют достичь разрешающей способности, превышающей предел, налагаемый атмосферными искажениями, например, спекл-изображения , синтез апертуры и удачные изображения , или путем перемещения за пределы атмосферы с помощью космических телескопов , таких как космический телескоп Хаббла .

Адаптивное тонкостенное зеркало. [5]

Адаптивная оптика была впервые предложена Хорасом Бэбкоком в 1953 году. [6] [7] и также рассматривался в научной фантастике, как, например, в Пола Андерсона романе «Тау Ноль» (1970), но он не получил широкого распространения до тех пор, пока достижения компьютерных технологий в 1990-х годах не сделали эту технику практичной.

Некоторые из первоначальных разработок адаптивной оптики были выполнены военными США во время холодной войны и предназначались для использования в отслеживании советских спутников. [8]

микроэлектромеханических систем (МЭМС) Деформируемые зеркала и концепция магнетизма. Деформируемые зеркала в настоящее время являются наиболее широко используемой технологией в приложениях формирования волнового фронта для адаптивной оптики, учитывая их универсальность, ход, зрелость технологии и коррекцию волнового фронта с высоким разрешением, которую они обеспечивают.

Коррекция наклона кончика

[ редактировать ]

Самая простая форма адаптивной оптики — коррекция наклона . [9] что соответствует коррекции наклонов волнового фронта в двух измерениях (эквивалентно коррекции смещений положения изображения). Это осуществляется с помощью быстро движущегося наклонно-наклонного зеркала, которое совершает небольшие вращения вокруг двух своих осей. значительную часть аберраций, вносимых атмосферой . Таким образом можно устранить [10]

Наклонно-наклонные зеркала представляют собой эффективно сегментированные зеркала, имеющие только один сегмент, который может наклоняться и наклоняться, а не набор из нескольких сегментов, которые могут наклоняться и наклоняться независимо. Из-за относительной простоты таких зеркал и большого хода, а значит, большой корректирующей способности, большинство систем АО используют их, в первую очередь, для коррекции аберраций низкого порядка. Аберрации более высокого порядка затем можно исправить с помощью деформируемых зеркал. [10]

В астрономии

[ редактировать ]

Атмосферное наблюдение

[ редактировать ]
Негативные изображения звезды в телескоп. На левой панели показано замедленное видео звезды, когда система адаптивной оптики выключена. На правой панели показано замедленное видео той же звезды при включенной системе АО.

Когда свет звезды или другого астрономического объекта попадает в атмосферу Земли, атмосферная турбулентность (вносимая, например, взаимодействием разных температурных слоев и разных скоростей ветра) может искажать и перемещать изображение различными способами. [11] Визуальные изображения, создаваемые любым телескопом размером более 20 сантиметров (0,20 м; 7,9 дюйма), размыты из-за этих искажений.

Обнаружение и коррекция волнового фронта

[ редактировать ]

Система адаптивной оптики пытается исправить эти искажения , используя датчик волнового фронта , который принимает часть астрономического света, деформируемое зеркало , находящееся на оптическом пути, и компьютер, который получает входные данные от детектора. [12] Датчик волнового фронта измеряет искажения, вносимые атмосферой, за время в несколько миллисекунд ; компьютер рассчитывает оптимальную форму зеркала для исправления искажений , и поверхность деформируемого зеркала соответствующим образом меняет форму. Например, 8–10-метровый (800–1000 см; 310–390 дюймов) телескоп (такой как VLT или Keck ) может создавать изображения с АО-коррекцией с угловым разрешением 30–60 миллисекунд (мсек) дуги на инфракрасных длинах волн. , а разрешение без коррекции порядка 1 угловой секунды .}

Для проведения адаптивной оптической коррекции необходимо измерить форму приходящих волновых фронтов в зависимости от положения в плоскости апертуры телескопа. Обычно круглая апертура телескопа разделяется на массив пикселей в датчике волнового фронта либо с использованием массива небольших линз ( датчик волнового фронта Шака-Хартмана ), либо с использованием датчика кривизны или пирамидального датчика, который работает с изображениями апертуры телескопа. Рассчитывается среднее возмущение волнового фронта в каждом пикселе. Эта пиксельная карта волновых фронтов подается в деформируемое зеркало и используется для исправления ошибок волнового фронта, вносимых атмосферой. Нет необходимости форму или размер астрономического объекта знать - даже объекты Солнечной системы , которые не являются точечными, могут использоваться в датчике волнового фронта Шака – Хартмана, а изменяющаяся во времени структура на Солнца поверхности обычно используется для адаптивной оптики солнечных телескопов. Деформируемое зеркало корректирует падающий свет, благодаря чему изображения становятся четкими.

Использование направляющих звезд

[ редактировать ]

Природные звезды-путеводители

[ редактировать ]

Поскольку научная цель часто бывает слишком тусклой, чтобы ее можно было использовать в качестве опорной звезды для измерения формы оптических волновых фронтов, ближайшую более яркую опорную звезду вместо нее можно использовать . Свет от научной цели прошел примерно через ту же атмосферную турбулентность, что и свет опорной звезды, поэтому его изображение также корректируется, хотя, как правило, с меньшей точностью.

Необходимость опорной звезды означает, что система адаптивной оптики не может работать везде на небе, а только там, где опорная звезда достаточной светимости (для современных систем около 12–15 звездной величины ) может находиться очень близко к объекту наблюдения. . Это серьезно ограничивает применение метода для астрономических наблюдений. Еще одним серьезным ограничением является небольшое поле зрения, в котором коррекция адаптивной оптики хороша. По мере увеличения углового расстояния от опорной звезды качество изображения ухудшается. Метод, известный как «многосопряженная адаптивная оптика», использует несколько деформируемых зеркал для достижения большего поля зрения. [13]

Искусственные звезды-путеводители

[ редактировать ]
Лазерный луч, направленный к центру Млечного Пути . Этот лазерный луч затем можно использовать в качестве путеводной звезды для АО.

Альтернативой является использование лазерного луча для создания опорного источника света ( лазерной опорной звезды , LGS) в атмосфере. Существует два типа LGS: опорные звезды Рэлея и натриевые опорные звезды. Опорные звезды Рэлея работают, распространяя лазер , обычно на длинах волн, близких к ультрафиолету , и обнаруживая обратное рассеяние от воздуха на высотах от 15 до 25 км (49 000–82 000 футов). Натриевые опорные звезды используют лазерный свет с длиной волны 589 нм для резонансного возбуждения атомов натрия выше в мезосфере и термосфере , которые затем кажутся «светящимися». Затем LGS можно использовать в качестве эталона волнового фронта так же, как естественную опорную звезду, за исключением того, что для получения информации о положении изображения (наклоне/наклоне) по-прежнему требуются (гораздо более слабые) естественные опорные звезды. Лазеры микросекунд часто являются импульсными, при этом измерение атмосферы ограничивается окном, происходящим через несколько после запуска импульса. Это позволяет системе игнорировать большую часть рассеянного света на уровне земли; Фактически регистрируется только свет, прошедший в течение нескольких микросекунд высоко в атмосферу и обратно.}

При визуализации сетчатки

[ редактировать ]
Иллюстрация (упрощенной) системы адаптивной оптики. Свет сначала попадает на наклонно-поворотное зеркало (TT), а затем на деформируемое зеркало (DM), которое корректирует волновой фронт. Часть света отводится светоделителем (BS) к датчику волнового фронта и аппаратному обеспечению управления, которое отправляет обновленные сигналы на зеркала DM и TT.

Глазные аберрации — это искажения волнового фронта, проходящего через зрачок глаза . Эти оптические аберрации ухудшают качество изображения, формируемого на сетчатке, что иногда приводит к необходимости ношения очков или контактных линз . В случае визуализации сетчатки свет, выходящий из глаза, несет аналогичные искажения волнового фронта, что приводит к невозможности различить микроскопическую структуру (клетки и капилляры) сетчатки. Очки и контактные линзы корректируют «аберрации низкого порядка», такие как расфокусировка и астигматизм , которые, как правило, стабильны у людей в течение длительных периодов времени (месяцев или лет). Хотя их коррекции достаточно для нормального зрительного функционирования, ее обычно недостаточно для достижения микроскопического разрешения. «аберрации высокого порядка», такие как кома, сферическая аберрация Кроме того, для достижения микроскопического разрешения также необходимо исправить и трилистник. Аберрации высокого порядка, в отличие от аберраций низкого порядка, нестабильны во времени и могут изменяться со временем в пределах от 0,1 с до 0,01 с. Коррекция этих аберраций требует непрерывных высокочастотных измерений и компенсации.

Измерение аберраций зрения

[ редактировать ]

Глазные аберрации обычно измеряются с помощью датчика волнового фронта , а наиболее часто используемым типом датчика волнового фронта является датчик Шака-Хартмана . Глазные аберрации вызваны пространственными фазовыми неоднородностями волнового фронта, выходящего из глаза. В датчике волнового фронта Шака-Гартмана они измеряются путем размещения двумерного массива небольших линз (линзлет) в плоскости зрачка, сопряженной со зрачком глаза, и ПЗС-чипа в задней фокальной плоскости линзочек. Линзы фокусируют пятна на ПЗС-матрице, и положения этих пятен рассчитываются с использованием алгоритма центроидирования. Положения этих пятен сравниваются с положениями опорных пятен, а смещения между ними используются для определения локальной кривизны волнового фронта, что позволяет численно восстановить информацию о волновом фронте - оценку фазовых неоднородностей, вызывающих аберрацию .

Коррекция глазных аберраций

[ редактировать ]

Как только локальные фазовые ошибки волнового фронта известны, их можно исправить, поместив фазовый модулятор, например деформируемое зеркало, в еще одну плоскость системы, сопряженную со зрачком глаза. Фазовые ошибки можно использовать для восстановления волнового фронта, который затем можно использовать для управления деформируемым зеркалом. Альтернативно, локальные фазовые ошибки можно использовать непосредственно для расчета инструкций деформируемого зеркала.

Разомкнутый контур и режим замкнутого контура

[ редактировать ]

Если ошибка волнового фронта измеряется до того, как она была исправлена ​​корректором волнового фронта, то операция называется «разомкнутым контуром».

Если ошибка волнового фронта измеряется после того, как она была исправлена ​​корректором волнового фронта, то говорят, что работа является «замкнутым контуром». В последнем случае ошибки измерения волнового фронта будут малы, а ошибки измерения и коррекции с большей вероятностью будут устранены. Коррекция замкнутого контура является нормой.

Приложения

[ редактировать ]

Адаптивная оптика была впервые применена для визуализации сетчатки при заливающем освещении для получения изображений отдельных колбочек в живом человеческом глазу. Он также использовался в сочетании со сканирующей лазерной офтальмоскопией для получения (также в глазах живого человека) первых изображений микроциркуляторного русла сетчатки и связанного с ней кровотока и клеток пигментного эпителия сетчатки в дополнение к одиночным колбочкам. В сочетании с оптической когерентной томографией адаптивная оптика позволила первые трехмерные изображения живых колбочек -фоторецепторов . получить [14]

В микроскопии

[ редактировать ]
можно Деформируемое зеркало использовать для исправления ошибок волнового фронта в астрономическом телескопе.

В микроскопии адаптивная оптика используется для коррекции аберраций, вызванных образцом. [15] Требуемая коррекция волнового фронта либо измеряется непосредственно с помощью датчика волнового фронта, либо оценивается с помощью бездатчиковых методов АО.

Другое использование

[ редактировать ]
GRAAL — это инструмент адаптивной оптики наземного слоя с помощью лазеров. [16]

Помимо использования для улучшения ночного астрономического изображения и изображений сетчатки, технология адаптивной оптики также использовалась и в других целях. Адаптивная оптика используется для солнечной астрономии в таких обсерваториях, как Шведский 1-метровый солнечный телескоп , Солнечный телескоп Данна и Солнечная обсерватория Биг-Беар . Ожидается, что он также будет играть военную роль, позволяя наземному и воздушному лазерному оружию достигать и уничтожать цели на расстоянии, включая спутники на орбите. Программа Агентства противоракетной обороны Airborne Laser является ярким примером этого.

Адаптивная оптика была использована для улучшения характеристик классических [17] [18] и квантовый [19] [20] системы оптической связи в свободном пространстве , а также для управления пространственной выходной мощностью оптических волокон. [21]

Медицинские применения включают визуализацию сетчатки в сочетании с оптической когерентной томографией . [22] Кроме того, разработка сканирующего лазерного офтальмоскопа с адаптивной оптикой (AOSLO) позволила исправить аберрации волнового фронта, отраженного от сетчатки человека, и получить ограниченные дифракцией изображения палочек и колбочек человека. [23] Адаптивная и активная оптика также разрабатывается для использования в очках для достижения зрения лучше, чем 20/20 , первоначально для военного применения. [24]

После распространения волнового фронта его части могут перекрываться, что приводит к интерференции и не позволяет адаптивной оптике исправить ее. Распространение искривленного волнового фронта всегда приводит к изменению амплитуды. Это необходимо учитывать, если необходимо добиться хорошего профиля луча в лазерных приложениях. При обработке материалов с использованием лазеров настройки можно вносить «на лету», чтобы обеспечить изменение глубины фокуса во время прожига для изменения фокусного расстояния по всей рабочей поверхности. Ширину луча также можно регулировать для переключения между режимами прокалывания и резки. [25] Это устраняет необходимость переключения оптики лазерной головки, сокращая общее время обработки для более динамичных модификаций.

Адаптивная оптика, особенно пространственные модуляторы света с кодированием волнового фронта, часто используется в приложениях оптического захвата для мультиплексирования и динамической реконфигурации лазерных фокусов, которые используются для микроманипулирования биологическими образцами.

Стабилизация луча

[ редактировать ]

Достаточно простой пример — стабилизация положения и направления лазерного луча между модулями в большой системе оптической связи в свободном пространстве. Оптика Фурье используется для управления как направлением, так и положением. Фактический луч измеряется фотодиодами . Этот сигнал подается на аналого-цифровые преобразователи , а затем на микроконтроллер , который запускает алгоритм ПИД-регулятора . Затем контроллер управляет цифро-аналоговыми преобразователями , которые приводят в действие шаговые двигатели, прикрепленные к креплениям зеркала .

Если луч необходимо центрировать на 4-квадрантных диодах, аналого-цифровой преобразователь не требуется. Операционных усилителей достаточно.

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Беккерс, Дж. М. (1993). «Адаптивная оптика для астрономии: принципы, характеристики и приложения». Ежегодный обзор астрономии и астрофизики . 31 (1): 13–62. Бибкод : 1993ARA&A..31...13B . дои : 10.1146/annurev.aa.31.090193.000305 .
  2. ^ Бут, Мартин Дж. (15 декабря 2007 г.). «Адаптивная оптика в микроскопии» (PDF) . Философские труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 365 (1861): 2829–2843. Бибкод : 2007RSPTA.365.2829B . дои : 10.1098/rsta.2007.0013 . ПМИД   17855218 . S2CID   123094060 . Архивировано из оригинала (PDF) 26 сентября 2020 года . Проверено 30 ноября 2012 г.
  3. ^ Бут, Мартин Дж.; Швертнер, Майкл; Уилсон, Тони; Накано, Масахару; Кавата, Ёсимаса; Накабаяси, Масахито; Мията, Со (1 января 2006 г.). «Прогнозирующая коррекция аберраций для многослойного оптического хранилища данных» (PDF) . Письма по прикладной физике . 88 (3): 031109. Бибкод : 2006ApPhL..88c1109B . дои : 10.1063/1.2166684 . Архивировано из оригинала (PDF) 26 сентября 2020 года . Проверено 30 ноября 2012 г.
  4. ^ Рурда, А; Уильямс, Д.Р. (2001). «Визуализация сетчатки с использованием адаптивной оптики» . В МакРэе, С; Крюгер, Р; Эпплгейт, РА (ред.). Индивидуальная абляция роговицы: в поисках супервидения . SLACK, Inc., стр. 11–32. ISBN  978-1-55642-625-4 .
  5. ^ «Доставлено улучшенное зеркало с адаптивной оптикой» . Объявление ESO . Проверено 6 февраля 2014 г.
  6. ^ Бэбкок, HW (1953). «Возможность компенсации астрономического зрения» . Публикации Тихоокеанского астрономического общества . 65 (386): 229. Бибкод : 1953PASP...65..229B . дои : 10.1086/126606 . S2CID   122250116 .
  7. ^ « Адаптивная оптика в центре внимания» . Би-би-си . 18 февраля 2011 года . Проверено 24 июня 2013 г.
  8. ^ Джо Палка (24 июня 2013 г.). «Чтобы получить самый четкий обзор, осмотрите небо с помощью быстросменных зеркал» . ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР . Проверено 24 июня 2013 г.
  9. ^ Уотсон, Джим (17 апреля 1997 г.). Коррекция наклона наконечника астрономических телескопов с использованием адаптивного управления (PDF) . Вескон – Выставка интегральных схем 1997.
  10. ^ Перейти обратно: а б «Адаптивная оптика без проблем | Технические статьи | Техническая документация» . www.okotech.com . Проверено 10 июня 2023 г.
  11. ^ Макс, Клэр. Введение в адаптивную оптику и ее историю (PDF) . 197-е собрание Американского астрономического общества.
  12. ^ Хипплер, Стефан (2019). «Адаптивная оптика для сверхбольших телескопов». Журнал астрономического приборостроения . 8 (2): 1950001–322. arXiv : 1808.02693 . Бибкод : 2019JAI.....850001H . дои : 10.1142/S2251171719500016 . S2CID   119505402 .
  13. ^ Риго, Франсуа; Нейшель, Бенуа (14 сентября 2018 г.). «Многосопряженная адаптивная оптика для астрономии». Ежегодный обзор астрономии и астрофизики . 56 (1): 277–314. arXiv : 2003.03097 . Бибкод : 2018ARA&A..56..277R . doi : 10.1146/annurev-astro-091916-055320 .
  14. ^ Чжан, Ян; Сенс, Барри; Ра, Чонгтэ; Джоннал, Рави С.; Гао, Вэйхуа; Завадски, Роберт Дж.; Вернер, Джон С.; Джонс, Стив; Оливье, шотландец; Миллер, Дональд Т. (2006). «Высокоскоростная объемная визуализация конусных фоторецепторов с помощью адаптивной оптики спектрально-доменной оптической когерентной томографии» . Оптика Экспресс . 14 (10): 4380–94. Бибкод : 2006OExpr..14.4380Z . дои : 10.1364/OE.14.004380 . ПМК   2605071 . ПМИД   19096730 .
  15. ^ Маркс, Вивьен (1 декабря 2017 г.). «Микроскопия: здравствуй, адаптивная оптика» . Природные методы . 14 (12): 1133–1136. дои : 10.1038/nmeth.4508 . ПМИД   29190270 .
  16. ^ «ГРААЛЬ в поисках улучшения зрения HAWK-I» . Картинка недели ESO . 7 ноября 2011 года . Проверено 18 ноября 2011 г.
  17. ^ «AOptix Technologies представляет коммуникационный продукт FSO на базе АО» . www.adaptiveoptics.org. Июнь 2005 года . Проверено 28 июня 2010 г.
  18. ^ Уайт, Генри Дж.; Гоф, Дэвид В.; Мерри, Ричард; Патрик, Стивен (2004). «Демонстрация оптической линии связи в свободном пространстве с замкнутой системой слежения за мобильными платформами». В Россе, Монте; Скотт, Эндрю М. (ред.). Передовые методы и технологии оптической связи в свободном пространстве . Том. Передовые методы и технологии оптической связи в свободном пространстве, 119. с. 119. Бибкод : 2004SPIE.5614..119W . дои : 10.1117/12.578257 . S2CID   109084571 . {{cite book}}: |journal= игнорируется ( помогите )
  19. ^ Дефьен, Хьюго; Райхерт, Мэтью; Флейшер, Джейсон В. (4 декабря 2018 г.). «Адаптивная квантовая оптика с пространственно запутанными парами фотонов» . Письма о физических отзывах . 121 (23): 233601. arXiv : 1804.00135 . Бибкод : 2018PhRvL.121w3601D . doi : 10.1103/PhysRevLett.121.233601 . ПМИД   30576164 . S2CID   4693237 .
  20. ^ Либ, Охад; Хассон, Гиора; Бромберг, Ярон (сентябрь 2020 г.). «Формирование запутанных фотонов в реальном времени с помощью классического управления и обратной связи» . Достижения науки . 6 (37): eabb6298. arXiv : 1902.06653 . Бибкод : 2020SciA....6.6298L . дои : 10.1126/sciadv.abb6298 . ISSN   2375-2548 . ПМИД   32917683 . S2CID   211572445 .
  21. ^ Крейсинг, М.; Отт, Д.; Шмидбергер, МЮ; Отто, О.; Шюрманн, М.; Мартин-Бадоса, Э.; Уайт, Г.; Гак, Дж. (2014). «Динамическая работа оптических волокон за пределами одномодового режима облегчает ориентацию биологических клеток» . Природные коммуникации . 5 : 5481. Бибкод : 2014NatCo...5.5481K . дои : 10.1038/ncomms6481 . ПМЦ   4263128 . ПМИД   25410595 .
  22. ^ «Система ОКТ-изображения сетчатки с адаптивной оптикой» . www.adaptiveoptics.org. 10 апреля 2006 г. Проверено 28 июня 2010 г.
  23. ^ Рурда, Остин; Ромеро-Борха, Фернандо; III, Уильям Дж. Доннелли; Куинер, Хоуп; Хеберт, Томас Дж.; Кэмпбелл, Мелани CW (6 мая 2002 г.). «Адаптивная оптика, сканирующая лазерная офтальмоскопия» . Оптика Экспресс . 10 (9): 405–412. Бибкод : 2002OExpr..10..405R . дои : 10.1364/OE.10.000405 . ISSN   1094-4087 . ПМИД   19436374 .
  24. ^ «PixelOptics разработает SuperVision для вооруженных сил США; предоставлено финансирование в размере 3,5 миллионов долларов» . АСДНовости . 11 января 2006 года. Архивировано из оригинала 7 июля 2011 года . Проверено 28 июня 2010 г.
  25. ^ «Лазерная оптика: Спецпоставка» . www.thefabricator.com . Проверено 14 февраля 2019 г.

Библиография

[ редактировать ]
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 32bcbb394158c1345d25fc8e527290b8__1719022260
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/32/b8/32bcbb394158c1345d25fc8e527290b8.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Adaptive optics - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)