Введение
Техника, используемая в оптических системах. Адаптивная оптика (АО) – это техника точного деформирования зеркала для компенсации искажений света. Она используется в астрономических телескопах и лазерных системах связи для устранения эффектов атмосферных искажений, в микроскопии, оптическом производстве и в системах визуализации сетчатки для уменьшения оптических аберраций. Адаптивная оптика работает путем измерения искажений волнового фронта и компенсации их с помощью устройства, корректирующего эти ошибки, такого как деформируемое зеркало или жидкокристаллический массив. Адаптивную оптику не следует путать с активной оптикой, которая работает в более длительном временном масштабе для коррекции геометрии первичного зеркала. Другие методы могут достичь разрешающей способности, превышающей предел, накладываемый атмосферными искажениями, такие как спекл-изображение, синтез апертуры и «удачное» изображение, или путем выхода за пределы атмосферы с помощью космических телескопов, таких как космический телескоп Хаббл.
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.
История
Адаптивная оптика была впервые предложена Горасом Бэбкоком в 1953 году и также упоминалась в научной фантастике, например, в романе Пола Андерсона «Тау Ноль» (1970), но получила широкое распространение лишь с развитием компьютерных технологий в 1990-х годах, сделавшим эту технику практически реализуемой. Часть первоначальных разработок в области адаптивной оптики велась американскими военными во время холодной войны и предназначалась для отслеживания советских спутников. В настоящее время наиболее широко используемыми технологиями в приложениях формирования волнового фронта для адаптивной оптики являются деформируемые зеркала на микроэлектромеханических системах (МЭМС) и деформируемые зеркала на магнитной основе, благодаря их универсальности, диапазону регулировки, зрелости технологии и обеспечиваемой ими высокой точности коррекции волнового фронта.
Коррекция наклона
Простейшей формой адаптивной оптики является коррекция наклона, которая соответствует коррекции наклонов волнового фронта в двух измерениях (эквивалентно коррекции смещений изображения). Это достигается с помощью быстро движущегося зеркала наклона, совершающего небольшие вращения вокруг двух осей. Значительная часть аберраций, вносимых атмосферой, может быть таким образом устранена. Зеркала наклона по сути являются сегментированными зеркалами, имеющими только один сегмент, способный наклоняться, а не массив из множества сегментов, наклоняющихся независимо друг от друга. Благодаря относительной простоте таких зеркал и большому ходу – то есть их большой корректирующей способности – большинство систем адаптивной оптики используют их в первую очередь для коррекции аберраций низкого порядка. Аберрации более высокого порядка затем могут быть скорректированы с помощью деформируемых зеркал. Визуальные изображения, полученные любым телескопом с апертурой больше определенного размера, размываются этими искажениями.
Определение и коррекция фронта волны
Система адаптивной оптики пытается исправить эти искажения, используя датчик фронта волн, который принимает часть астрономического света, деформируемое зеркало, расположенное на оптическом пути, и компьютер, получающий данные от детектора. Датчик фронта волн измеряет искажения, вносимые атмосферой, за несколько миллисекунд; компьютер вычисляет оптимальную форму зеркала для коррекции искажений, и поверхность деформируемого зеркала соответствующим образом перестраивается. Например, телескоп (такой как VLT или Keck) может создавать изображения с коррекцией AO с угловым разрешением 30–60 миллиарксекунд (mas) в инфракрасном диапазоне длин волн, в то время как разрешение без коррекции составляет около 1 угловой секунды. Для выполнения адаптивной оптической коррекции необходимо измерить форму входящих фронтов волн как функцию положения в плоскости апертуры телескопа. Обычно круглая апертура телескопа разбивается на массив пикселей в датчике фронта волн, либо с использованием массива небольших линз (датчик фронта волн Shack–Hartmann), либо с использованием датчика кривизны или пирамидального датчика, работающего с изображениями апертуры телескопа. Вычисляется среднее возмущение фронта волны в каждом пикселе. Эта пиксельная карта фронтов волн передается в деформируемое зеркало и используется для коррекции ошибок фронтов волн, вызванных атмосферой. Не требуется знать форму или размер астрономического объекта – даже объекты Солнечной системы, не являющиеся точечными, могут быть использованы в датчике Shack–Hartmann, а временные структуры на поверхности Солнца обычно используются для адаптивной оптики в солнечных телескопах. Деформируемое зеркало корректирует входящий свет, чтобы изображения казались резкими.
Естественные звезды-поводыри
Поскольку научная цель часто слишком тусклая, чтобы использоваться в качестве звезды-ориентира для измерения формы оптических волновых фронтов, вместо этого можно использовать ближайшую, более яркую звезду-поводырь. Свет от научной цели проходит через примерно ту же атмосферную турбулентность, что и свет от звезды-поводыря, и поэтому её изображение также корректируется, хотя обычно с меньшей точностью. Необходимость в звезде-ориентире означает, что адаптивная оптическая система не может работать везде на небе, а только там, где можно найти звезду-гида достаточной яркости (для современных систем, примерно от 12 до 15 звездной величины) в непосредственной близости от объекта наблюдения. Это серьезно ограничивает применение данной методики для астрономических наблюдений. Другим существенным ограничением является небольшое поле зрения, в пределах которого адаптивная оптическая коррекция эффективна. По мере увеличения углового расстояния от звезды-поводыря качество изображения ухудшается. Техника, известная как "многоконъюгированная адаптивная оптика", использует несколько деформируемых зеркал для достижения большего поля зрения.
Искусственные звезды-поводыри
Альтернативным вариантом является использование лазерного луча для создания опорного источника света (лазерная звезда-поводырь, LGS) в атмосфере. Существуют два типа LGS: звезды-поводыри Рэлея и звезды-поводыри натрия. Звезды-поводыри Рэлея работают, распространяя лазер, как правило, в ближнем ультрафиолетовом диапазоне, и регистрируя обратное рассеяние от воздуха на высотах между ними. Звезды-поводыри натрия используют лазерный свет с длиной волны 589 нм для резонансного возбуждения атомов натрия в более высоких слоях мезосферы и термосферы, которые затем начинают "светиться". LGS может использоваться в качестве опорной точки для волнового фронта так же, как и естественная звезда-поводырь, за исключением того, что для информации о положении изображения (смещении/наклоне) все еще требуются (гораздо более слабые) естественные опорные звезды. Лазеры часто используются в импульсном режиме, при этом измерение атмосферы ограничено временным окном, возникающим через несколько микросекунд после запуска импульса. Это позволяет системе игнорировать большую часть рассеянного света на уровне земли; фактически, регистрируется только свет, прошедший за несколько микросекунд вверх в атмосферу и обратно.
При визуализации сетчатки
Глазные аберрации – это искажения волнового фронта, проходящего через зрачок глаза. Эти оптические аберрации ухудшают качество изображения, формирующегося на сетчатке, и иногда требуют ношения очков или контактных линз. При визуализации сетчатки свет, выходящий из глаза, несет с собой подобные искажения волнового фронта, что приводит к неспособности разрешить микроскопическую структуру (клетки и капилляры) сетчатки. Очки и контактные линзы корректируют "аберрации низкого порядка", такие как дефокус и астигматизм, которые, как правило, стабильны у человека в течение длительного времени (месяцев или лет). Хотя коррекции этих аберраций достаточно для нормального зрения, она обычно недостаточна для достижения микроскопического разрешения. Кроме того, для достижения микроскопического разрешения необходимо также корректировать "аберрации высокого порядка", такие как кома, сферическая аберрация и трефоль. В отличие от аберраций низкого порядка, аберрации высокого порядка нестабильны во времени и могут изменяться в диапазоне от 0,1 до 0,01 секунды. Коррекция этих аберраций требует непрерывного высокочастотного измерения и компенсации.
Измерение глазных аберраций
Глазные аберрации обычно измеряются с помощью датчика волнового фронта, и наиболее распространенным типом датчика волнового фронта является датчик Шака — Хартмана. Глазные аберрации вызываются пространственными неоднородностями фазы в волновом фронте, выходящем из глаза. В датчике Шака — Хартмана эти неоднородности измеряются путем размещения двумерного массива небольших линз (линзочек) в плоскости зрачка, сопряженной с зрачком глаза, и ПЗС-матрицы в задней фокальной плоскости линз. Линзочки фокусируют пятна на ПЗС-матрице, а их положения 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 реконструировать информацию о волновом фронте – оценку неоднородностей фазы, вызывающих аберрацию.
Коррекция глазных аберраций
После того как локальные фазовые ошибки волнового фронта определены, их можно исправить, разместив фазовый модулятор, например, деформируемое зеркало, в другой плоскости системы, сопряженной с зрачком глаза. Фазовые ошибки могут быть использованы для восстановления волнового фронта, который затем можно использовать для управления деформируемым зеркалом. Альтернативно, локальные фазовые ошибки можно непосредственно использовать для вычисления команд для деформируемого зеркала.
Операция открытого цикла против операции закрытого цикла
Если ошибка фронта волны измеряется до того, как она была скорректирована корректором фронта волны, то работа считается выполняемой в "открытом цикле". Если ошибка фронта волны измеряется после коррекции корректором фронта волны, то работа считается выполняемой в "замкнутом цикле". В последнем случае измеряемые ошибки фронта волны будут малы, и ошибки в измерении и коррекции с большей вероятностью будут устранены. Коррекция в замкнутом цикле является стандартной.
Приложения
Адаптивная оптика была впервые применена для получения изображений сетчатки при заливающем освещении, что позволило визуализировать отдельные колбочки в живом человеческом глазу. Она также использовалась в сочетании со сканирующей лазерной офтальмоскопией для получения (также в живых глазах человека) первых изображений микрососудов сетчатки, связанного с ними кровотока и клеток пигментного эпителия сетчатки, помимо отдельных колбочек. В сочетании с оптической когерентной томографией адаптивная оптика позволила получить первые трехмерные изображения живых колбочковых фоторецепторов.
В микроскопическом исследовании
В микроскопии адаптивная оптика используется для коррекции аберраций, вызванных образцом. Требуемая коррекция волнового фронта измеряется напрямую с помощью датчика волнового фронта или оценивается с использованием бесконтактных методов адаптивной оптики.
Стабилизация луча
Довольно простым примером является стабилизация положения и направления лазерного луча между модулями в большой системе оптической связи в свободном пространстве. Фурье-оптика используется для управления как направлением, так и положением. Реальный луч измеряется фотодиодами. Этот сигнал поступает в аналого-цифровые преобразователи, а затем в микроконтроллер, который выполняет алгоритм PID-регулирования. Контроллер затем управляет цифро-аналоговыми преобразователями, которые приводят в действие шаговые двигатели, установленные на зеркальных держателях. Если луч необходимо центрировать на четырехквадрантных диодах, аналого-цифровой преобразователь не требуется. Достаточно операционных усилителей.