Войти
A деформируемое зеркало может использоваться для исправления ошибок волнового фронта в астрономическом телескопе. 
Иллюстрация (упрощенного) адаптивного система оптики. Сначала свет попадает на зеркало с наклонным наконечником (TT), а затем на деформируемое зеркало (DM), которое корректирует волновой фронт. Часть света отводится светоделителем (BS) к датчику волнового фронта и контрольному оборудованию, которое посылает обновленные сигналы на зеркала DM и TT. 
Воспроизведение мультимедиа Художественное впечатление об адаптивной оптике. 
Волновой фронт аберрированного изображения (слева) можно измерить с помощью датчика волнового фронта (в центре), а затем скорректировать с помощью деформируемого зеркала (справа). Адаптивная оптика (AO) - технология, используемая для улучшения характеристик оптические системы за счет уменьшения эффекта искажений входящего волнового фронта путем деформации зеркала для компенсации искажения. Он используется в астрономических телескопах и системах лазерной связи для устранения эффектов атмосферных искажений, в микроскопии, оптическом производстве и в системы визуализации сетчатки для уменьшения оптических аберраций. Адаптивная оптика работает, измеряя искажения в волновом фронте 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 работает в более длительном масштабе времени для исправления геометрии главного зеркала.
Другие методы позволяют достичь разрешающей способности, превышающей предел, налагаемый атмосферным искажением, например визуализация спеклов, синтез апертуры и удачная визуализация, или перемещаясь за пределы атмосферы с помощью космических телескопов, таких как Космический телескоп Хаббла.
Адаптивное зеркало с тонкой оболочкой. Адаптивная оптика была впервые представлена Горацием Бэбкоком в 1953 году., а также рассматривался в научных Это была фантастика, как в романе Пола Андерсона Tau Zero (1970), но она не вошла в обиход до тех пор, пока достижения компьютерных технологий в 1990-х годах не сделали эту технику практичной.
Некоторые из начальных разработок адаптивной оптики были выполнены военными США во время холодной войны и предназначались для использования при слежении за советскими спутниками.
Микроэлектромеханические системы ( MEMS) деформируемые зеркала и концепция магнетизма деформируемые зеркала в настоящее время являются наиболее широко используемой технологией в приложениях для формирования волнового фронта для адаптивной оптики, учитывая их универсальность, ход, зрелость технологии и коррекцию волнового фронта с высоким разрешением что они себе позволить.
Простейшей формой адаптивной оптики является коррекция наклона наконечника, которая соответствует коррекции наклона волнового фронта в двух измерениях (эквивалент исправление смещений положения изображения). Это выполняется с помощью быстро движущегося зеркала с наклонным наконечником, которое совершает небольшие вращения вокруг двух своих осей. Таким образом может быть устранена значительная часть аберрации , вносимой атмосферой.
Наклонно-наклонные зеркала по сути представляют собой 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, что означает большую корректирующую способность, большинство систем AO используют их, во-первых, для коррекции аберраций низкого порядка. Затем аберрации более высокого порядка можно исправить с помощью деформируемых зеркал.
Астрономы на участке Very Large Telescope в Чили используют адаптивную оптику. 
Воспроизвести медиа Лазер запускается в ночь небо от VLT Adaptive Optics Facility. 
Когда свет от звезды проходит через атмосферу Земли, волновой фронт возмущается. 
Датчик Шака – Хартмана является одним из типов датчик волнового фронта, используемый для адаптивной оптики. 
Негативные изображения звезды через телескоп. На левой панели показан замедленный фильм звезды при выключенной системе адаптивной оптики. Правая панель показывает замедленную съемку той же звезды при включенной системе AO. Когда свет от звезды или другого астрономического объекта попадает в атмосферу Земли, атмосферная турбулентность (введено, например, за счет взаимодействия различных температурных слоев и разной скорости ветра) может искажать и перемещать изображение по-разному. Из-за этих искажений визуальные изображения, получаемые с помощью любого телескопа размером более 20 сантиметров, размываются.
Система адаптивной оптики пытается исправить эти искажения, используя датчик волнового фронта, который принимает часть астрономического света, деформируемое зеркало, которое находится на оптическом пути, и компьютер, принимающий входные данные от детектора. Датчик волнового фронта измеряет искажения, вносимые атмосферой, в масштабе времени несколько миллисекунд ; компьютер вычисляет оптимальную форму зеркала для исправления искажений , и поверхность деформируемого зеркала изменяется соответствующим образом. Например, телескоп длиной 8–10 м (такой как VLT или Keck ) может создавать изображения с АО-коррекцией с угловым разрешением 30–60 миллисекунды дуги (мсек. дуги) разрешение на длинах волн инфракрасного излучения, в то время как разрешение без коррекции составляет порядка 1 угловой секунды.
Для выполнения коррекции адаптивной оптики форма входящего волновые фронты должны быть измерены как функция положения в плоскости апертуры телескопа. Обычно апертура круглого телескопа разбивается на массив пикселей в датчике волнового фронта, либо с помощью массива небольших линз (датчик волнового фронта Шака – Гартмана ), или с помощью датчика кривизны или пирамиды, который работает с изображениями апертуры телескопа. Вычисляется 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. Необязательно, чтобы форма или размер астрономического объекта были известны - даже объекты Солнечной системы, которые не являются точечными, можно использовать 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 падающий свет, благодаря чему изображения выглядят резкими.
Поскольку целевая наука часто слишком слабы, чтобы быть использован в качестве опорной звезды для измерения формы оптических волновых фронтов, соседней вместо него можно использовать более яркую направляющую звезду. Свет от цели науки прошел через примерно такую же атмосферную турбулентность в качестве опорной звезды света и поэтому его изображение также исправлено, хотя в общем случае к более низкой точности.
Лазерный луч, направленный в центр Млечного Пути. Этот лазерный луч может быть затем использован в качестве направляющей звезды для АО. Необходимость эталонного звезда означает, что адаптивная оптическая система не может работать везде на небе, но только там, где направляющая звезда достаточной светимости (для современных систем примерно звездная величина 12–15) может быть обнаружена очень близко к объекту наблюдения. Это сильно ограничивает применение этой техники для астрономических наблюдений. Еще одним серьезным ограничением является небольшое поле зрения, при котором адаптивная оптическая коррекция хороша. По мере увеличения углового расстояния от ведущей звезды качество изображения ухудшается. Техника, известная как «многосопряженная адаптивная оптика», использует несколько деформируемых зеркал для достижения большего поля зрения.
Альтернативой является использование лазерный луч, чтобы создать источник света опорного (а лазерная направляющая звезда, ЛГС) в атмосфере. Есть два типа LGS: звезды Рэлея и натриевые звезды. Рэлеевские опорные звезды работают, распространяя лазер, обычно на длинах волн, близких к ультрафиолетовому, и обнаруживая обратное рассеяние от воздуха на высотах между 15–25 км (49000–82000 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 таким же образом, как и естественную опорную звезду, за исключением того, что (гораздо более тусклые) 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 свет, который прошел в течение нескольких микросекунд высоко в атмосферу и обратно.
Художественное впечатление от Европейского чрезвычайно большого телескопа, использующего лазеры для адаптивной оптики Глазные аберрации - это искажения волнового фронта проходящий через зрачок глаза. Эти оптические аберрации ухудшают качество изображения, формируемого на сетчатке, иногда требуя ношения очков или контактных линз. В случае визуализации сетчатки свет, выходящий из глаза, несет схожие 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 людей в течение длительных периодов времени (месяцев или лет). Хотя их коррекции достаточно для нормального зрительного функционирования, обычно этого недостаточно для достижения микроскопического разрешения. Кроме того, «аберрации высокого порядка», такие как кома, сферическая аберрация и трилистник, также должны быть скорректированы для достижения микроскопического разрешения. Аберрации высокого порядка, в отличие от аберраций низкого порядка, нестабильны во времени и могут изменяться с течением времени от 0,1 до 0,01 с. Коррекция этих аберраций требует непрерывных высокочастотных измерений и компенсации.
Аберрации глаза обычно измеряются с помощью датчика волнового фронта, и наиболее часто используемым типом датчика волнового фронта является Shack – Hartmann. Глазные аберрации вызваны пространственными фазовыми неоднородностями волнового фронта, выходящего из глаза. В датчике волнового фронта Шака-Гартмана они измеряются путем размещения двумерного массива маленьких линз (линз) в плоскости зрачка, сопряженной со зрачком глаза, и ПЗС-кристалла в задней фокальной плоскости линз. Линзы заставляют пятна фокусироваться на ПЗС-кристалле, и положение этих пятен вычисляется с использованием алгоритма центроида. Положения этих пятен сравниваются с положениями эталонных пятен, и смещения между ними используются для определения локальной кривизны волнового фронта, позволяя численно восстановить информацию волнового фронта - оценку фазовых неоднородностей, вызывающих аберрацию ..
Как только локальные фазовые ошибки в волновом фронте известны, их можно исправить, поместив фазовый модулятор, например, деформируемое зеркало, в еще одну плоскость системы, сопряженную с зрачком глаза.. Фазовые ошибки могут использоваться для восстановления волнового фронта, который затем может использоваться для управления деформируемым зеркалом. В качестве альтернативы, локальные фазовые ошибки могут использоваться непосредственно для вычисления команд 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 операция называется «замкнутым контуром». В последнем случае измеренные ошибки волнового фронта будут небольшими, а ошибки измерения и коррекции, скорее всего, будут устранены. Коррекция замкнутого цикла является нормой.
Адаптивная оптика впервые была применена для получения изображений сетчатки с заливным освещением для получения изображений отдельных колбочек в человеческом глазу. Он также использовался в сочетании со сканирующей лазерной офтальмоскопией для получения (также в живых человеческих глазах) первых изображений микрососудов сетчатки и связанного 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 конусов фоторецепторов.
В микроскопии адаптивная оптика используется для коррекции аберраций, вызванных образцом. Требуемая коррекция волнового фронта либо измеряется непосредственно с помощью датчика волнового фронта, либо оценивается с помощью бессенсорных методов АО.
GRAAL - это инструмент с адаптивной оптикой наземного слоя с помощью лазеров. Помимо использования для улучшения ночных астрономических изображений и изображений сетчатки, технология адаптивной оптики также использовалась в других условиях. Адаптивная оптика используется для солнечной астрономии в обсерваториях, таких как Шведский 1-м солнечный телескоп и Солнечная обсерватория Big Bear. Ожидается также, что он будет играть военную роль, позволяя наземному и бортовому лазерному оружию достигать и уничтожать цели на расстоянии, включая спутники на орбите. Программа Агентства противоракетной обороны Airborne Laser является основным примером этого.
Адаптивная оптика используется для улучшения характеристик классических и квантовых оптических систем связи и для управления пространственным выходом оптических волокон.
Медицинские приложения включают изображение сетчатки, где оно было объединено с оптической когерентной томографией. Кроме того, разработка сканирующего лазерного офтальмоскопа с адаптивной оптикой (AOSLO) позволила исправить аберрации волнового фронта, который отражается от сетчатки глаза человека, и получить ограниченные дифракцией изображения палочек и колбочек человека. Thorlabs объявил о разработке адаптивного сканирующего оптического микроскопа (ASOM) в апреле 2007 года. Адаптивная и активная оптика также разрабатываются для использования в очках, чтобы достичь уровня выше 20. / 20 vision, изначально для военных целей.
После распространения волнового фронта его части могут перекрываться, что приводит к помехам и не позволяет адаптивной оптике корректировать их. Распространение искривленного волнового фронта всегда приводит к изменению амплитуды. Это необходимо учитывать, если нужно добиться хорошего профиля луча в лазерных приложениях. При обработке материалов с использованием лазеров регулировку можно производить «на лету», чтобы учесть изменение глубины фокусировки во время прошивки для изменения фокусного расстояния по рабочей поверхности. Ширина луча также может быть отрегулирована для переключения между режимами пробивки и резки. Это устраняет необходимость в переключении оптики лазерной головки, сокращая общее время обработки для более динамичных модификаций.
Адаптивная оптика, особенно пространственные модуляторы света с кодированием волнового фронта, часто используются в приложениях оптического улавливания для мультиплексирования и динамической реконфигурации лазерных фокусов, которые используются для микроманипуляций с биологическими образцами.
Достаточно 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. Фактический луч измеряется фотодиодами. Этот сигнал подается в некоторые аналого-цифровые преобразователи, и микроконтроллер запускает алгоритм ПИД-регулятора. Контроллер управляет некоторыми цифро-аналоговыми преобразователями, которые управляют шаговыми двигателями, прикрепленными к креплениям для зеркал.
. Если луч должен быть центрирован на 4-квадрантных диодах, нет Требуется аналого-цифровой преобразователь. Операционных усилителей достаточно.
 | На Викискладе есть материалы, связанные с адаптивной оптикой. |
