Кіріспе
Оптикалық жүйелерде қолданылатын техника. Адаптивті оптика (АО) – жарық бұрмалануын өтеу үшін айнаны дәл деформациялау тәсілі. Ол атмосфералық бұрмалаудың әсерін жою үшін астрономиялық телескоптарда және лазерлік байланыс жүйелерінде, сондай-ақ микроскопияда, оптикалық өндірісте және оптикалық аберрацияларды азайту үшін ретиналық бейнелеу жүйелерінде қолданылады. Адаптивті оптика толқын майындағы бұрмалауларды өлшеу арқылы және оларды түзетуге арналған құрылғымен – деформацияланатын айна немесе сұйық кристалды массив сияқты – өтеуі арқылы жұмыс істейді. Адаптивті оптиканы негізгі айнаның геометриясын түзету үшін ұзақ мерзімде жұмыс істейтін белсенді оптикамен шатастырмау керек. Атмосфералық бұрмалаумен шектелген ажыратымдылықтан артық нәтижелерге қол жеткізуге мүмкіндік беретін басқа да әдістер бар, мысалы, кептемелі бейнелеу, апертура синтезі және «сәтті» бейнелеу, немесе Хаббл ғарыш телескопы сияқты ғарышқа шығу арқылы.
Adaptive optics (AO) is a technique of precisely deforming a mirror in order to compensate for light distortion. It is used in astronomical telescopes and laser communication systems to remove the effects of atmospheric distortion, in microscopy, optical fabrication and in retinal imaging systems to reduce optical aberrations. Adaptive optics works by measuring the distortions in a wavefront and compensating for them with a device that corrects those errors such as a deformable mirror or a liquid crystal array. Adaptive optics should not be confused with active optics, which work on a longer timescale to correct the primary mirror geometry. Other methods can achieve resolving power exceeding the limit imposed by atmospheric distortion, such as speckle imaging, aperture synthesis, and lucky imaging, or by moving outside the atmosphere with space telescopes, such as the Hubble Space Telescope.
Тарих
Адаптациялық оптиканы алғаш рет 1953 жылы Хорас У. Бэбкок көздеген, және ол ғылыми фантастикада да қарастырылған, мысалы, Поул Андерсонның «Tau Zero» (1970) романында, бірақ 1990-шы жылдарда компьютерлік технологияның жетістіктері осы техниканы қолдануға мүмкіндік бергенше кеңінен қолданылмады. Адаптациялық оптиканың бастапқы даму жұмыстарының бір бөлігін АҚШ әскері Суық соғыс кезінде жүргізді және оның мақсаты кеңестік спутниктерді қадағалау болды. Микроэлектромеханикалық жүйелер (МЭМС) деформацияланатын айналар және магниттік принциптегі деформацияланатын айналар – олардың әмбебаптығы, икемділігі, технологияның жетілгендігі және қамтамасыз ететін жоғары ажыратымдылықтағы толқындық түзетуіне байланысты адаптациялық оптикада толқынды қалыптастыру қолданыстарында ең көп қолданылатын технология болып табылады.
Тіректің ең төменгі жағы
Адаптивтік оптиканың ең қарапайым түрі – екі өлшемдегі толқын фронтының бұрылысын түзету (бұл суреттің позициялық қатесін түзетуге баламалы). Бұл жылдам қозғалатын, екі осінің шамасы бойынша кіші бұрылыстар жасайтын ұшы мен еңісін түзету көмегімен жүзеге асырылады. Осылайша атмосфераның тудырған аберрацияның маңызды бөлігін жоюға болады. Ұшы мен еңісін түзету айналары – тәуелсіз түрде бұрыла алатын көп сегментті массивке қарағанда, тек бір сегменті бар сегменттелген айналар болып табылады. Мұндай айналардың салыстырмалы қарапайымдылығы және үлкен жүрісі (түзету мүмкіндігінің жоғары деңгейі) көптеген адаптивтік оптика жүйелерінде оларды, ең алдымен, төменгі ретті аберрацияларды түзету үшін пайдалануға мүмкіндік береді. Жоғары ретті аберрациялар деформацияланатын айналармен түзетілуі мүмкін. Шамадан аспайтын кез келген телескоптың түсірілген суреттері осы бұрмалаулардың салдарынан нашарлайды.
Толқын маңының анықталуы және түзетуі
Адаптациялық оптика жүйесі бұл бұрмалауларды түзетуге тырысады, астрономиялық жарықтың бір бөлігін алатын толқын фронты сенсорын, оптикалық жолда орналасқан деформацияланатын айнаны және детектордан сигнал алатын компьютерді пайдаланады. Толқын фронты сенсоры атмосфера енгізген бұрмалауларды бірнеше миллисекунд ішінде өлшейді; компьютер бұрмалауларды түзету үшін ең тиімді айна пішінін есептейді және деформацияланатын айнаның беті сәйкесінше өзгертіледі. Мысалы, телескоп (VLT немесе Keck сияқты) инфрақызыл толқын ұзындықтарында 30–60 миллиарксекунд (mas) бұрыштық ажыратымдылығы бар AO түзетілген кескіндерді жасауға мүмкіндік береді, ал түзетусіз ажыратымдылық шамамен 1 доға секундіне тең. Адаптациялық оптикалық түзетуді жүзеге асыру үшін, телескоп апертурасы жазықтығындағы орналасуына қарай келіп түсетін толқын фронттарының пішіні өлшенуі керек. Әдетте, дөңгелек телескоп апертурасы толқын фронты сенсорындағы пиксельдер массивіне бөлінеді, кішкентай линзалар массивін (Shack–Hartmann толқын фронты сенсоры) немесе телескоп апертурасының кескіндері бойынша жұмыс істейтін қисықтық немесе пирамидалық сенсорды қолданады. Әрбір пикселдегі толқын фронтының орташа бұрмалануы есептеледі. Бұл пикселдік толқын фронты картасы деформацияланатын айнаға жіберіліп, атмосфера енгізген толқын фронты қателіктерін түзету үшін қолданылады. Астрономиялық объектінің пішіні мен мөлшері белгілі болуы міндетті емес – тіпті нүктелік емес Күн жүйесінің объектілері де Shack–Hartmann толқын фронты сенсорында қолданылуы мүмкін, ал Күн бетіндегі уақыт өзгеретін құрылым күн телескоптарында адаптивтік оптика үшін жиі қолданылады. Деформацияланатын айна кіретін жарықты түзетіп, кескіндердің айқын болуын қамтамасыз етеді.
Табиғи жолсеріктейтін жұлдыздар
Ғылыми нысана көбінесе оптикалық толқын фронттарының пішінін өлшеу үшін эталондық жұлдыз ретінде пайдалануға тым әлсіз болғандықтан, оның орнына жақын жердегі жарқыраған бағыттаушы жұлдыз қолданылады. Ғылыми нысанадан келген жарық, шамамен сол атмосфералық турбуленттіктерден өтеді, сол сияқты эталондық жұлдыздың жарығы да, сондықтан оның бейнесі де түзетіледі, бірақ әдетте азырақ дәлдікпен. Эталондық жұлдыздың қажеттілігі адаптивті оптика жүйесінің аспанның кез келген жерінде жұмыс істей алмайтынын білдіреді, тек қана жеткілікті жарықтығы бар (қазіргі жүйелер үшін шамамен 12–15 шамасындағы) бағыттаушы жұлдыз байқалатын нысанға өте жақын жерде табылғанда ғана жұмыс істей алады. Бұл астрономиялық байқаулар үшін техниканы қолдануды күрт шектейді. Тағы бір маңызды шектеу – адаптивті оптикалық түзетутің жақсы болатын көріс өрісінің кішкентай болуы. Бағыттаушы жұлдыздан бұрыштық қашықтық артқан сайын, бейне сапасы нашарлайды. "Көпконъюгациялық адаптивті оптика" деп аталатын техника үлкен көріс өрісіне қол жеткізу үшін бірнеше деформацияланатын айналарды пайдаланады.
Жасанды жол көрсететін жұлдыздар
Альтернатива – атмосферада лазерлік жарық көзі (лазерлік жол көрсететін жұлдыз, LGS) жасау үшін лазерлік сәуле қолдану. LGS-тің екі түрі бар: Рэйлидің жолсерігі және натрийлік жолсерігі. Рэйлидің жолсерігі жұлдыздары лазерді таратып, әдетте ультракүлгінге жақын толқын ұзындығында жұмыс істейді және ауадан кері шағылысуды анықтайды. Натрийлік жолсерігі жұлдыздары 589 нм лазерлік жарықты мезосфера мен термосферадағы жоғары орналасқан натрий атомдарын резонанстық түрде қоздыру үшін пайдаланады, нәтижесінде олар "жарықтанған" көрінеді. LGS толқын фронтының сілтемесі ретінде табиғи жолсерік жұлдыз сияқты қолданылады, бірақ бейне позициясы (беткей/құлау) туралы ақпарат алу үшін (әлсіз) табиғи сілтеме жұлдыздары қажет болады. Лазерлер көбінесе импульсті болып келеді, атмосфераның өлшеуі импульс жіберілгеннен кейін бірнеше микросекундқа созылатын уақыт терезесімен шектеледі. Бұл жүйеге жер бетіндегі шашыраған жарықтың көп бөлігін назардан тыс қалдыруға мүмкіндік береді; атмосфераға бірнеше микросекунд бойы жоғары көтеріліп, кері оралған жарық ғана анықталады.
Тортықтың бейнелеуінде
Көздің аберрациялары – көздің қарамағы арқылы өтетін толқынның бұрмалануы. Бұл оптикалық аберрациялар тор қабықта қалыптасатын бейненің сапасын төмендетеді, кейде көзілдірік немесе контактты линзалар тағу қажеттігін тудырады. Тор қабықты бейнелеу кезінде көзден шығатын жарық осы толқынның бұрмалануын өздігінен алып шығады, нәтижесінде тор қабықтың микроскопиялық құрылымын (жасушалар мен капиллярларды) ажырату мүмкін болмайды. Көзілдіріктер мен контактты линзалар адамдарда ұзақ уақыт бойы (айлар немесе жылдар) тұрақты болатын дифокус және астигматизм сияқты "төменгі ретті аберрацияларды" түзетеді. Бұл түзетулер қалыпты көру үшін жеткілікті болғанымен, микроскопиялық ажыратымдылыққа қол жеткізу үшін көбінесе жеткіліксіз болады. Сонымен қатар, микроскопиялық ажыратымдылыққа жету үшін кома, сфералық аберрация және үшбұрыш сияқты "жоғарғы ретті аберрацияларды" да түзету қажет. Жоғарғы ретті аберрациялар, төменгі реттілерден айырмашылығы, уақыт өте тұрақты болмайды және 0,1 секундтан 0,01 секундқа дейінгі уақыт аралығында өзгеруі мүмкін. Бұл аберрацияларды түзету үшін үздіксіз, жоғары жиілікті өлшеу және компенсациялау талап етіледі.
Көздің ауытқуларын өлшеу
Көздің аберрациялары көбінесе толқын фронт сенсоры арқылы өлшенеді, ал ең көп қолданылатын толқын фронт сенсорының түрі – Shack–Hartmann. Көздің аберрациялары көзден шығатын толқынның кеңістіктегі фазалық біртектіліксіздігінен туындайды. Shack–Hartmann толқын фронт сенсорында, бұл екі өлшемді шағын линзалар (линзалар) массивін көздің қарындасына сәйкес келетін қарындас жазықтығына және линзалардың артқы фокустық жазықтығындағы CCD чипіне орналастыру арқылы өлшенеді. Линзалар CCD чипінде дақтарды фокусқа түсіруге мүмкіндік береді, ал осы дақтардың орналасуы центроидтау алгоритмі арқылы есептеледі. Бұл дақтардың орналасуы эталондық дақтардың орналасуымен салыстырылады, ал екеуі арасындағы ауытқулар толқын фронтының жергілікті қисықтығын анықтау үшін қолданылады, бұл толқын фронты туралы ақпаратты сандық түрде қайта құруға, яғни аберрацияға себеп болатын фазалық біртектіліксіздіктің бағасын алуға мүмкіндік береді.
Көздің аберрациясын түзету
Толқын фронтындағы жергілікті фазалық қателер белгілі болғаннан кейін, оларды көздің оқушысына конъюгацияланған жүйедегі тағы бір жазықтықта деформацияланатын айна сияқты фазалық модуляторды орналастыру арқылы түзетуге болады. Фазалық қателерді толқын фронтын қайта құру үшін пайдалануға болады, ал содан кейін деформацияланатын айнаны басқаруға болады. Балама ретінде, жергілікті фазалық қателерді деформацияланатын айнаға берілетін нұсқауларды тікелей есептеу үшін қолдануға болады.
Ашық цикл бен жабық цикл операциясы
Егер толқын фронтының қателігі толқын фронтын түзетушімен түзетілместен бұрын өлшенсе, онда операция "ашық цикл" деп аталады. Егер толқын фронтының қателігі толқын фронтын түзетушімен түзетілгеннен кейін өлшенсе, онда операция "жабық цикл" деп аталады. Соңғы жағдайда өлшенген толқын фронтының қателіктері аз болады, және өлшеу мен түзетудегі қателіктерді жою мүмкіндігі артады. Жабық циклді түзету – қалыпты жағдай.
Қолданбалар
Адаптациялық оптика алғаш рет тірі адамның көзіндегі жеке конустардың суреттерін алу үшін су тасқыны арқылы көкжатырлы суреттеуге қолданылды. Ол сондай-ақ сканерлеуші лазерлік офтальмоскопиямен бірге қолданылып, (тірі адам көзінде) тұңғыш рет ретиналық микроқан тамырлары, олармен байланысты қан ағыны және жеке конустармен қатар ретиналық пигмент эпителий клеткаларының суреттерін жасады. Оптикалық когерентті томографиямен үйлестірілген адаптациялық оптика тірі конус фоторецепторларының алғашқы үш өлшемді суреттерін түсіруге мүмкіндік берді.
Микроскоппен
Микроскопияда, бейімделген оптика үлгі тудырған аберрацияларды түзетуге қолданылады. Қажетті толқын фронтының түзетуі толқын фронты сенсоры арқылы тікелей өлшенеді немесе сенсорсыз АО техникаларын қолдану арқылы есептеледі.
Жарық тұрақтандыру
Қарапайым мысал - үлкен бос кеңістіктегі оптикалық байланыс жүйесінде модульдер арасындағы лазерлік сәуленің орны мен бағытын тұрақтандыру. Бағыт пен орнын басқару үшін Фурье оптикасы қолданылады. Нақты сәуле фотодиодтармен өлшенеді. Бұл сигнал аналог-цифрлық түрлендіргіштерге, содан кейін PID контроллер алгоритмін іске қосатын микробасқарушыға жіберіледі. Контроллер одан кейін айнаға орнатылған қадамдық моторларды басқаратын цифрлық-аналогтық түрлендіргіштерді басқарады. Егер сәуле 4 квадрантты диодтарға орталастырылуы керек болса, аналог-цифрлық түрлендіргіш қажет емес. Операциялық күшейткіштер жеткілікті.