Адаптивная оптика ( АО ) — это метод точной деформации зеркала с целью компенсации искажений света. Он используется в астрономических телескопах [1] и системах лазерной 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, 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 могут 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 .
Адаптивная оптика была впервые предложена Хорасом Бэбкоком в 1953 году [6] [7] и также рассматривалась в научной фантастике, как, например, в романе Пола Андерсона «Тау Ноль» (1970), но она не стала широко использоваться до тех пор, пока не были достигнуты успехи. в компьютерных технологиях в 1990-е годы эта техника стала практичной.
Некоторые из первоначальных разработок адаптивной оптики были выполнены военными США во время холодной войны и предназначались для использования в отслеживании советских спутников. [8]
Деформируемые зеркала микроэлектромеханических систем (МЭМС) 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.
Простейшей формой адаптивной оптики является коррекция наклона наклона [9] , которая соответствует коррекции наклонов волнового фронта в двух измерениях (что эквивалентно коррекции смещений положения изображения). Это осуществляется с помощью быстро движущегося наклонно-наклонного зеркала, которое совершает небольшие вращения вокруг двух своих осей. Таким образом можно устранить значительную часть аберраций, вносимых атмосферой . [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 можно затем исправить с помощью деформируемых зеркал. [10]
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, получаемые любым телескопом размером более 20 сантиметров (0,20 м; 7,9 дюйма), размываются из-за этих искажений.
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, в масштабе времени 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 миллиарксекунд ( мс) 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 знать форму или размер астрономического объекта - даже объекты Солнечной системы , которые не являются точечными, могут использоваться в датчике волнового фронта Шака – Хартмана, а изменяющаяся во времени структура на поверхности Солнца обычно используется для адаптивной оптики солнечных телескопов. Деформируемое зеркало корректирует падающий свет, благодаря чему изображения становятся четкими.
Поскольку научная цель часто бывает слишком слабой, чтобы ее можно было использовать в качестве опорной звезды для измерения формы оптических волновых фронтов, вместо нее можно использовать ближайшую более яркую опорную звезду . Свет от научной цели прошел примерно такую же атмосферную турбулентность, как 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]
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 часто являются импульсными, при этом измерение атмосферы ограничивается окном, происходящим через несколько микросекунд 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.}
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. Кроме того, для достижения микроскопического разрешения также необходимо корректировать «аберрации высокого порядка», такие как кома, сферическая аберрация 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.
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 .
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.
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.
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 получить первые трехмерные изображения живых колбочковых фоторецепторов . [14]
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.
Помимо использования для улучшения ночных астрономических изображений 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 Big Bear . Ожидается также, что он будет играть военную роль, позволяя наземному и воздушному лазерному оружию достигать и уничтожать цели на расстоянии, включая спутники на орбите. Программа Airborne Laser Агентства противоракетной обороны является ярким примером этого.
Адаптивная оптика использовалась для повышения производительности классических [17] [18] и квантовых [19] [20] систем 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 при изменении 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.
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.
