Адаптивная оптика
Техника, используемая в оптических системах

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 для компенсации искажений света. Она используется в астрономических телескопах [1] и лазерных системах связи для устранения эффектов атмосферных искажений , в микроскопии [2] , оптическом производстве [3] и в системах визуализации сетчатки [4] для уменьшения оптических аберраций . Адаптивная оптика работает путем измерения искажений волнового фронта и компенсации их с помощью устройства, которое исправляет эти ошибки, например, деформируемого зеркала или жидкокристаллической матрицы.

Адаптивную оптику не следует путать с активной оптикой , которая работает в течение более длительного времени для коррекции геометрии главного зеркала.

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

История

Адаптивное тонкослойное зеркало. [5]

Адаптивная оптика была впервые предложена Хорасом У. Бэбкоком в 1953 году [6] [7] и также рассматривалась в научной фантастике, например, в романе Пола Андерсона «Тау ноль» (1970), но она не получила широкого распространения, пока достижения компьютерных технологий в 1990-х годах не сделали эту технику практичной.

Некоторые из первоначальных разработок адаптивной оптики были выполнены американскими военными во время Холодной войны и предназначались для использования при отслеживании советских спутников. [8]

Концепция деформируемых зеркал и магнетизма на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС) 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 обеспечиваемую ими коррекцию волнового фронта с высоким разрешением.

Коррекция наклона-наклона

Простейшей формой адаптивной оптики является коррекция наклона-наклона [9] , которая соответствует коррекции наклонов волнового фронта в двух измерениях (эквивалентно коррекции смещения положения для изображения). Это выполняется с помощью быстро движущегося наклонно-наклонного зеркала, которое совершает небольшие вращения вокруг двух своих осей. Значительная часть аберрации, вносимой атмосферой , может быть устранена таким образом. [10]

Зеркала с наклоном и наклоном фактически являются сегментированными зеркалами, имеющими только один сегмент, который может наклоняться и наклоняться, а не массив из нескольких сегментов, которые могут наклоняться и наклоняться независимо. Из-за относительной простоты таких зеркал и большого хода, что означает большую корректирующую способность, большинство систем АО используют их, во-первых, для исправления аберраций низшего порядка. Аберрации более высокого порядка затем можно исправить с помощью деформируемых зеркал. [10]

В астрономии

Атмосферное видение

Негативные изображения звезды через телескоп. На левой панели показана замедленная съемка звезды при выключенной системе адаптивной оптики. На правой панели показана замедленная съемка той же звезды при включенной системе АО.

Когда свет от звезды или другого астрономического объекта проникает в атмосферу Земли, атмосферная турбулентность (возникающая, например, из-за взаимодействия различных температурных слоев и различных скоростей ветра) может искажать и перемещать изображение различными способами. [11] Визуальные изображения, получаемые любым телескопом размером более 20 сантиметров (0,20 м; 7,9 дюйма), размываются из-за этих искажений.

Измерение и коррекция волнового фронта

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

Для выполнения адаптивной оптической коррекции необходимо измерить форму входящих волновых фронтов как функцию положения в плоскости апертуры телескопа. Обычно круговая апертура телескопа разбивается на массив пикселей в датчике волнового фронта, либо с помощью массива небольших линз ( датчик волнового фронта Шака-Гартмана ), либо с помощью датчика кривизны или пирамиды, который работает с изображениями апертуры телескопа. Вычисляется среднее возмущение волнового фронта в каждом пикселе. Эта пикселизированная карта волновых фронтов подается в деформируемое зеркало и используется для исправления ошибок волнового фронта, вносимых атмосферой. Не обязательно знать форму или размер астрономического объекта — даже объекты Солнечной системы , которые не являются точечными, могут использоваться в датчике волнового фронта Шака-Гартмана, а изменяющаяся во времени структура на поверхности Солнца обычно используется для адаптивной оптики в солнечных телескопах. Деформируемое зеркало корректирует входящий свет, так что изображения выглядят резкими.

Использование путеводных звезд

Естественные путеводные звезды

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

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

Искусственные опорные звезды

Лазерный луч, направленный к центру Млечного Пути . Этот лазерный луч затем может быть использован 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 опорные звезды натрия . Опорные звезды Рэлея работают, распространяя лазер , обычно на длинах волн около ультрафиолета , и обнаруживая обратное рассеяние от воздуха на высотах от 15 до 25 км (49 000–82 000 футов). Опорные звезды натрия используют лазерный свет на длине волны 589 нм для резонансного возбуждения атомов натрия выше в мезосфере и термосфере , которые затем кажутся «светящимися». Затем LGS можно использовать в качестве опорного волнового фронта таким же образом, как и естественную опорную звезду, за исключением того, что (гораздо более слабые) естественные опорные звезды по-прежнему требуются для информации о положении изображения (наклон/наклон). Лазеры часто являются импульсными, при этом измерение атмосферы ограничивается окном, возникающим через несколько микросекунд после запуска импульса. Это позволяет системе игнорировать большую часть рассеянного света на уровне земли; фактически обнаруживается только тот свет, который прошел несколько микросекунд высоко в атмосфере и вернулся обратно.}

В ретинальном изображении

Иллюстрация (упрощенной) адаптивной оптической системы. Сначала свет попадает на зеркало tip-tilt (TT), а затем на деформируемое зеркало (DM), которое корректирует волновой фронт. Часть света отводится светоделителем (BS) на датчик волнового фронта и управляющее оборудование, которое посылает обновленные сигналы на зеркала DM и TT.

Глазные аберрации — это искажения волнового фронта, проходящего через зрачок глаза . Эти оптические аберрации снижают качество изображения, формируемого на сетчатке, иногда требуя ношения очков или контактных линз . В случае ретинальной визуализации свет, выходящий из глаза, несет аналогичные искажения волнового фронта, что приводит к невозможности разрешить микроскопическую структуру (клетки и капилляры) сетчатки. Очки и контактные линзы корректируют «аберрации низшего 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, как правило, недостаточно для достижения микроскопического разрешения. Кроме того, «аберрации высшего порядка», такие как кома, сферическая аберрация и трилистник, также должны быть исправлены для достижения микроскопического разрешения. Аберрации высокого порядка, в отличие от аберраций низкого порядка, нестабильны во времени и могут меняться с течением времени в масштабах от 0,1 с до 0,01 с. Исправление этих аберраций требует непрерывного высокочастотного измерения и компенсации.

Измерение аберраций глаза

Глазные аберрации обычно измеряются с помощью датчика волнового фронта , и наиболее часто используемый тип датчика волнового фронта — датчик Шака-Гартмана . 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 (линзлетов) в плоскости зрачка, сопряженной со зрачком глаза, и чипа ПЗС в задней фокальной плоскости линзлетов. Линзлетов заставляют пятна фокусироваться на чипе ПЗС, и положения этих пятен вычисляются с помощью алгоритма центроидизации. Положения этих пятен сравниваются с положениями опорных пятен, а смещения между ними используются для определения локальной кривизны волнового фронта, что позволяет численно реконструировать информацию волнового фронта — оценку фазовых неоднородностей, вызывающих аберрацию .

Коррекция аберраций глаза

Как только локальные фазовые ошибки в волновом фронте известны, их можно исправить, поместив фазовый модулятор, такой как деформируемое зеркало, в еще одну плоскость в системе, сопряженной со зрачком глаза. Фазовые ошибки можно использовать для реконструкции волнового фронта, который затем можно использовать для управления деформируемым зеркалом. В качестве альтернативы локальные фазовые ошибки можно использовать напрямую для расчета инструкций деформируемого зеркала.

Работа в открытом и закрытом контурах

Если ошибка волнового фронта измеряется до того, как она будет исправлена ​​корректором волнового фронта, то говорят, что работа ведется по принципу «разомкнутого контура».

Если ошибка волнового фронта измеряется после того, как она была исправлена ​​корректором волнового фронта, то говорят, что операция "замкнутого цикла". В последнем случае измеренные ошибки волнового фронта будут небольшими, и ошибки измерения и исправления с большей вероятностью будут устранены. Коррекция замкнутого цикла является нормой.

Приложения

Адаптивная оптика была впервые применена к визуализации сетчатки с прожекторным освещением для получения изображений отдельных колбочек в живом человеческом глазу. Она также использовалась в сочетании со сканирующей лазерной офтальмоскопией для получения (также в живых человеческих глазах) первых изображений микрососудов сетчатки и связанного с ними кровотока и клеток пигментного эпителия сетчатки в дополнение к отдельным колбочкам. В сочетании с оптической когерентной томографией адаптивная оптика позволила получить первые трехмерные изображения живых фоторецепторов колбочек. [14]

В микроскопии

Деформируемое зеркало можно 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 напрямую с помощью датчика волнового фронта, либо оценивается с помощью методов АО без датчиков.

Другие применения

GRAAL — это адаптивный оптический прибор наземного слоя, работающий с помощью лазеров. [16]

Помимо использования для улучшения ночных астрономических изображений и изображений сетчатки глаза, технология адаптивной оптики также использовалась в других целях. Адаптивная оптика используется для солнечной астрономии в таких обсерваториях, как Шведский 1-метровый солнечный телескоп , Солнечный телескоп Данна и Солнечная обсерватория Big Bear . Также ожидается, что она будет играть военную роль, позволяя наземному и воздушному лазерному оружию достигать и уничтожать цели на расстоянии, включая спутники на орбите. Программа Агентства по противоракетной обороне Airborne Laser является основным примером этого.

Адаптивная оптика использовалась для улучшения характеристик классических [17] [18] и квантовых [19] [20] систем оптической связи в свободном пространстве , а также для управления пространственным выходом оптических волокон. [21]

Медицинские приложения включают визуализацию сетчатки , где она была объединена с оптической когерентной томографией . [22] Также разработка адаптивного оптического сканирующего лазерного офтальмоскопа (AOSLO) позволила корректировать аберрации волнового фронта, который отражается от сетчатки человека, и делать дифракционно-ограниченные изображения палочек и колбочек человека. [23] Адаптивная и активная оптика также разрабатывается для использования в очках для достижения зрения лучше, чем 20/20 , изначально для военных целей. [24]

После распространения волнового фронта его части могут перекрываться, что приводит к помехам и не позволяет адаптивной оптике корректировать его. Распространение изогнутого волнового фронта всегда приводит к изменению амплитуды. Это необходимо учитывать, если необходимо получить хороший профиль луча в лазерных приложениях. При обработке материалов с использованием лазеров корректировки могут выполняться «на лету», чтобы обеспечить изменение глубины фокусировки во время прокалывания для изменения фокусного расстояния по 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 волновым фронтом кодирования, часто используются в приложениях оптического захвата для мультиплексирования и динамической перенастройки лазерных фокусов, используемых для микроманипуляций биологическими образцами.

Стабилизация луча

Довольно простым примером является стабилизация положения и направления лазерного луча между модулями в большой системе оптической связи свободного пространства. Оптика Фурье используется для управления как направлением, так и положением. Фактический луч измеряется фотодиодами . Этот сигнал подается в аналого-цифровые преобразователи , а затем в микроконтроллер , который запускает алгоритм ПИД-регулятора . Затем контроллер управляет цифро-аналоговыми преобразователями , которые приводят в действие шаговые двигатели, прикрепленные к креплениям зеркал .

Если луч должен быть центрирован на 4-квадрантных диодах, аналого-цифровой преобразователь не нужен. Достаточно операционных усилителей .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Беккерс, Дж. М. (1993). «Адаптивная оптика для астрономии: принципы, производительность и применение». Annual Review of Astronomy and Astrophysics . 31 (1): 13–62. Bibcode : 1993ARA&A..31...13B. doi : 10.1146/annurev.aa.31.090193.000305.
  2. ^ Booth, Martin J (15 декабря 2007 г.). «Адаптивная оптика в микроскопии» (PDF) . Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences . 365 (1861): 2829–2843. Bibcode :2007RSPTA.365.2829B. doi :10.1098/rsta.2007.0013. PMID  17855218. S2CID  123094060. Архивировано из оригинала (PDF) 26 сентября 2020 г. . Получено 30 ноября 2012 г. .
  3. ^ Booth, Martin J.; Schwertner, Michael; Wilson, Tony; Nakano, Masaharu; Kawata, Yoshimasa; Nakabayashi, Masahito; Miyata, Sou (1 января 2006 г.). "Predictive aberration correction for multilayer optical data storage" (PDF) . Applied Physics Letters . 88 (3): 031109. Bibcode :2006ApPhL..88c1109B. doi :10.1063/1.2166684. Архивировано из оригинала (PDF) 26 сентября 2020 г. . Получено 30 ноября 2012 г. .
  4. ^ Roorda, A; Williams, DR (2001). «Визуализация сетчатки с использованием адаптивной оптики». В MacRae, S; Krueger, R; Applegate, RA (ред.). Индивидуальная абляция роговицы: поиски SuperVision . SLACK, Inc. стр. 11–32. ISBN 978-1-55642-625-4.
  5. ^ "Улучшенное адаптивное оптическое зеркало доставлено". Объявление ESO . Получено 6 февраля 2014 г.
  6. ^ Бабкок, Х. У. (1953). «Возможность компенсации астрономического зрения». Публикации Астрономического общества Тихого океана . 65 (386): 229. Bibcode : 1953PASP...65..229B. doi : 10.1086/126606. S2CID  122250116.
  7. ^ "В фокусе внимания 'Адаптивная оптика'". BBC . 18 февраля 2011 г. Получено 24 июня 2013 г.
  8. ^ Джо Палка (24 июня 2013 г.). «Для самых четких видов осмотрите небо с помощью быстросменных зеркал». NPR . Получено 24 июня 2013 г.
  9. ^ Уотсон, Джим (17 апреля 1997 г.). Коррекция наклона астрономических телескопов с использованием адаптивного управления (PDF) . Wescon – Integrated Circuit Expo 1997.
  10. ^ ab "Адаптивная оптика без проблем | Технические статьи | Технические документы". www.okotech.com . Получено 10 июня 2023 г. .
  11. ^ Макс, Клэр. Введение в адаптивную оптику и ее историю (PDF) . Американское астрономическое общество, 197-е заседание.
  12. ^ Хипплер, Стефан (2019). «Адаптивная оптика для чрезвычайно больших телескопов». Журнал астрономического приборостроения . 8 (2): 1950001–322. arXiv : 1808.02693 . Bibcode : 2019JAI.....850001H. doi : 10.1142/S2251171719500016. S2CID  119505402.
  13. ^ Риго, Франсуа; Нейхель, Бенуа (14 сентября 2018 г.). «Мультисопряженная адаптивная оптика для астрономии». Annual Review of Astronomy and Astrophysics . 56 (1): 277–314. arXiv : 2003.03097 . Bibcode : 2018ARA&A..56..277R. doi : 10.1146/annurev-astro-091916-055320.
  14. ^ Чжан, Янь; Ценсе, Барри; Ра, Джунтае; Джоннал, Рави С.; Гао, Вэйхуа; Завадски, Роберт Дж.; Вернер, Джон С.; Джонс, Стив; Оливье, Скот; Миллер, Дональд Т. (2006). «Высокоскоростная объемная визуализация колбочек фоторецепторов с помощью адаптивной оптики спектрально-доменной оптической когерентной томографии». Optics Express . 14 (10): 4380–94. Bibcode : 2006OExpr..14.4380Z. doi : 10.1364/OE.14.004380. PMC 2605071. PMID  19096730 . 
  15. ^ Маркс, Вивьен (1 декабря 2017 г.). «Микроскопия: привет, адаптивная оптика». Nature Methods . 14 (12): 1133–1136. doi : 10.1038/nmeth.4508 . PMID  29190270.
  16. ^ "GRAAL в поисках улучшения зрения HAWK-I". ESO Picture of the Week . 7 ноября 2011 г. Получено 18 ноября 2011 г.
  17. ^ "AOptix Technologies представляет коммуникационный продукт FSO на базе АО". adaptiveoptics.org. Июнь 2005 г. Получено 28 июня 2010 г.
  18. ^ Уайт, Генри Дж.; Гоф, Дэвид В.; Мерри, Ричард; Патрик, Стивен (2004). «Демонстрация оптической линии связи в свободном пространстве, включающей замкнутую систему слежения для мобильных платформ». В Росс, Монте; Скотт, Эндрю М. (ред.). Передовые методы и технологии оптической связи в свободном пространстве . Т. Передовые методы и технологии оптической связи в свободном пространстве, 119. стр. 119. Bibcode : 2004SPIE.5614..119W. doi : 10.1117/12.578257. S2CID  109084571. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
  19. ^ Дефьен, Хьюго; Райхерт, Мэтью; Флейшер, Джейсон В. (4 декабря 2018 г.). «Адаптивная квантовая оптика с пространственно запутанными парами фотонов». Physical Review Letters . 121 (23): 233601. arXiv : 1804.00135 . Bibcode : 2018PhRvL.121w3601D. doi : 10.1103/PhysRevLett.121.233601 . PMID  30576164. S2CID  4693237.
  20. ^ Либ, Охад; Хассон, Джиора; Бромберг, Ярон (сентябрь 2020 г.). «Формирование запутанных фотонов в реальном времени с помощью классического управления и обратной связи». Science Advances . 6 (37): eabb6298. arXiv : 1902.06653 . Bibcode : 2020SciA....6.6298L. doi : 10.1126/sciadv.abb6298 . ISSN  2375-2548. PMID  32917683. S2CID  211572445.
  21. ^ Kreysing, M.; Ott, D.; Schmidberger, MJ; Otto, O.; Schürmann, M.; Martín-Badosa, E.; Whyte, G.; Guck, J. (2014). «Динамическая работа оптических волокон за пределами одномодового режима облегчает ориентацию биологических клеток». Nature Communications . 5 : 5481. Bibcode :2014NatCo...5.5481K. doi :10.1038/ncomms6481. PMC 4263128 . PMID  25410595. 
  22. ^ "Система визуализации сетчатки ОКТ с включением адаптивной оптики". adaptiveoptics.org. 10 апреля 2006 г. Получено 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 разрабатывает SuperVision для армии США; предоставлено финансирование в размере 3,5 млн долларов". ASDNews . 11 января 2006 г. Архивировано из оригинала 7 июля 2011 г. Получено 28 июня 2010 г.
  25. ^ "Лазерная оптика: Специальная доставка". www.thefabricator.com . Получено 14 февраля 2019 г. .

Библиография

  • Даффнер, Роберт В.; Фьюгейт, Роберт К. (2009). Революция адаптивной оптики: История . Издательство Университета Нью-Мексико. ISBN 978-0-8263-4691-9.
  • Thomas H. Rimmele; Jose Marino (2011). "Solar Adaptive Optics". Living Rev. Sol. Phys . 8 (2): 2. Bibcode :2011LRSP....8....2R. doi : 10.12942/lrsp-2011-2 . PMC  4841189 . PMID  27194964.
  • Тайсон, Роберт (2010). Принципы адаптивной оптики (третье изд.). Тейлор и Фрэнсис. Bibcode :1991pao..book.....T. ISBN 978-1-4398-0858-0.
  • Родье, Франсуа (ноябрь 2004 г.). Франсуа Родье (ред.). Адаптивная оптика в астрономии . Кембридж, Великобритания: Cambridge University Press. стр. 419. Bibcode : 2004aoa..book.....R. ISBN 978-0-521-61214-2.
На Викискладе есть медиафайлы по теме «Адаптивная оптика» .
  • 10-й Международный семинар по адаптивной оптике для промышленности и медицины, Падуя (Италия), 15–19 июня 2015 г.
  • Учебное пособие по адаптивной оптике в ЦТИО А. Токовинин
  • Научно-исследовательские группы и компании, интересующиеся адаптивной оптикой
  • Космические и наземные телескопы с адаптивной оптикой
  • Десять лет адаптивной оптике VLT (ESO : ann11078 : 25 ноября 2011 г.)
  • Центр адаптивной оптики
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Адаптивная_оптика&oldid=1230341956"