Принципы на которых базируется система адаптивной оптики астрономия кратко
Обновлено: 04.07.2024
ПЛАН УЧЕБНОГО ПОСОБИЯ
0. ВВЕДЕНИЕ. Принципы адаптивной оптики, основные части системы.
1. АТМОСФЕРНАЯ ТУРБУЛЕНТНОСТЬ. Получение изображений в условиях турбулентности: ширина изображения и число Штреля. Основные параметры для описания возмущений фазы и качества изображения. Турбулентность Колмогорова. Временная эволюция и изопланатический угол. Статистические свойства мод Зернике.
2. ИСПРАВЛЕНИЕ ЗА ТУРБУЛЕНТНОСТЬ. Частично исправленные изображения. Деформируемые зеркала, их основные типы и характеристики. Зависимость качества коррекции от числа актуаторов. Характеристики управления: ширина полосы для замкнутых и незамкнутых циклов, частота циклов, стабильность.
3. ДЕТЕКТОРЫ ВОЛНОВОГО ФРОНТА. Принципы и осуществление детекторов Шэка-Гартмана и детекторов искривления. Фотонный шум. Другие типы детекторов ( интерферометр сдвига, пирамидальный и др.).
4. ЛАЗЕРНЫЕ ОПОРНЫЕ ЗВЕЗДЫ. Два типа лазерных опорных звезд (рэлеевские и натриевые). Эффект конуса. Невозможность определения наклона и решения проблемы. Лазеры для натриевых опорных звезд. Эксплуатационные трудности.
5. МУЛЬТИ-СОПРЯЖЕННАЯ АДАПТИВНАЯ ОПТИКА (MCAO) (дополнительный материал). Выигрыш в исправлении поля зрения с несколькими деформируемыми зеркалами. Атмосферная томография. Методы исследования мульти-сопряженной адаптивной оптики. Проект MCAO для телескопов Джемини.
Принцип адаптивной оптики
Принципиальная схема системы адаптивной оптики (AO) показана на рисунке (предоставлен Имперским колледжем). Турбулентность исправляется "резиновым зеркалом" (или деформируемым зеркалом (DM)), находящимся в параллельном пучке около выходного зрачка телескопа. Сигналы для управления DM приходят от датчика волнового фронта (WFS), который в реальном времени измеряет оптические аберрации, остающиеся после исправлений. Серво-система стремится свести аберрации к нуля, постоянно подстраивая форму DM.
Свет, используемый для исследования аберраций, дает опорная звезда (GS), ей может быть настоящая звезда (например, исследуемый объект) или искусственная лазерная опорная звезда. Свет от изучаемого объекта также исправляется DM, но затем направляется в научный прибор (например, камеру). Часто свет разделяется по длине волны: красная часть спектра направляется в WFS, инфракрасная - в научный прибор.
- Время реакции: 1 миллисекунда
- Размер корректирующих элементов: от 10 см до 1 м
- Количество корректирующих элементов: от 13 до 300 и более.
- Величина опорной звезды: ярче 17
Изображения звезд, полученные на 10-м телескопе Кека с включенным и выключенным исправлением турбулентности.
Работу выполнил ученик 11 Б класса Кириченко Антон
Тема: Адаптивная оптика в астрономии
Руководитель: Саркисян Анжела Вемировна
АДАПТИВНАЯ ОПТИКА, в астрономии – автоматическая оптико-механическая система, предназначенная для исправления в реальном времени атмосферных искажений изображения, которое дает телескоп
Атмосферные помехи. Идущие от космических источников лучи света, проходя сквозь неоднородную атмосферу Земли, испытывают сильные искажения
Пассивный метод борьбы с атмосферными искажениями заключается в том, что обсерватории строят на вершинах гор, обычно на высоте 2–3 км, выбирая при этом места с наиболее прозрачной и спокойной атмосферой.
Принципы адаптивной оптики. Задача адаптивной оптики состоит в нейтрализации в реальном времени искажений, вносимых атмосферой в изображение космического объекта. Система адаптивной оптики дает возможность не только получать в фокусе телескопа четкое изображение космического объекта, но и выводить с Земли в космос остро сфокусированный луч лазера
Системы адаптивной оптики содержат три основных элемента:
1) анализатор изображения,
2) компьютер с программой, вырабатывающей сигналы коррекции и
Вывод. Создание в конце 20 в. систем адаптивной оптики открыло новые перспективы перед наземной астрономией: угловое разрешение крупных наземных телескопов в видимом диапазоне вплотную приблизилось к возможностям космических телескопов, а в близком инфракрасном диапазоне даже заметно превысило их.
Работа получила диплом ЛЭТИ 1-ой степени
Привычка брать в долг крайне вредно влияет на память. Остин О’Малли
ещё >>
Деформируемое зеркало может быть использовано для исправления ошибок волнового фронта в астрономическом телескопе.
Иллюстрация (упрощенной) системы адаптивной 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 отправляет обновленные сигналы на зеркала DM и TT.
"> Воспроизвести медиа
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 ) - это технология, используемая для улучшения характеристик оптических систем за счет уменьшения эффекта искажений входящего волнового фронта путем деформации зеркала с целью компенсации искажений. Он используется в астрономических телескопах и системах лазерной связи для устранения эффектов атмосферных искажений , в микроскопии, оптическом производстве и в системах 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 атмосферными искажениями, например, спекл-изображения , синтез апертуры и удачные изображения , или перемещаясь за пределы атмосферы с помощью космических телескопов , таких как космический телескоп Хаббла .
СОДЕРЖАНИЕ
История
Некоторые из начальных разработок адаптивной оптики были выполнены военными США во время холодной войны и предназначались для использования при слежении за советскими спутниками.
Деформируемые зеркала в микроэлектромеханических системах (MEMS) 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 возможность коррекции волнового фронта с высоким разрешением.
Коррекция наклона наконечника
Простой формой адаптивной оптики является коррекция наклонов , что соответствует коррекции наклонов волнового фронта в двух измерениях ( что эквивалентно коррекции положения смещения для 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 аберраций, вносимых атмосферой .
В астрономии
"> Воспроизвести медиа
Атмосферное видение
Датчик Шака-Гартмана является одним типом датчика волнового фронта , используемого для адаптивной оптики.
Негативные изображения звезды в телескоп. Левая панель показывает замедленную съемку звезды при выключенной системе адаптивной оптики. На правой панели показан замедленный фильм той же звезды при включенной системе AO.
Когда свет от звезды или другого астрономического объекта попадает в атмосферу Земли, атмосферная турбулентность (вызванная, например, взаимодействием различных температурных слоев и разной скорости ветра) может искажать и перемещать изображение по-разному. Эти искажения размывают визуальные изображения, полученные с помощью любого телескопа размером более 20 сантиметров.
Обнаружение и коррекция волнового фронта
Чтобы выполнить адаптивную оптическую коррекцию, форма входящих волновых фронтов должна быть измерена как функция положения в плоскости апертуры телескопа. Обычно апертура круглого телескопа разделена 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 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 – Гартмана, а изменяющаяся во времени структура на поверхности Солнца является обычно используется для адаптивной оптики в солнечных телескопах. Деформируемое зеркало корректирует падающий свет, благодаря чему изображения выглядят резкими.
Использование путеводных звезд
Природные звезды-проводники
Поскольку научная цель часто слишком тусклая, чтобы ее можно было использовать в качестве опорной звезды для измерения формы оптических волновых фронтов, вместо нее можно использовать ближайшую более яркую направляющую звезду . Свет от научной мишени прошел примерно через ту же атмосферную турбулентность, что и свет опорной звезды, поэтому его изображение также корректируется, хотя, как правило, с меньшей точностью.
Луч лазера, направленный к центру Млечного Пути . Затем этот лазерный луч можно использовать в качестве путеводной звезды для АО.
Искусственные звезды-проводники
При визуализации сетчатки
Впечатление художника о Европейском сверхбольшом телескопе, использующем лазеры для адаптивной оптики
Измерение аберраций глаза
Глазные аберрации обычно измеряются с помощью датчика волнового фронта , и наиболее часто используемым типом датчика волнового фронта является датчик Шака – Хартмана . Глазные аберрации вызваны пространственными фазовыми неоднородностями в волновом фронте, выходящем из глаза. В датчике волнового фронта Шака-Хартмана они измеряются путем размещения двумерного массива маленьких линз (линз) в плоскости зрачка, сопряженной со зрачком глаза, и ПЗС-чипа 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 опорных пятен, и смещения между ними используются для определения локальной кривизны волнового фронта, что позволяет численно восстановить информацию волнового фронта - оценку фазовых неоднородностей, вызывающих аберрацию .
Коррекция аберраций глаза
Разомкнутый цикл против замкнутого цикла
Приложения
Адаптивная оптика была впервые применена для визуализации сетчатки при заливном освещении для получения изображений отдельных колбочек в живом человеческом глазу. Он также использовался в сочетании со сканирующей лазерной офтальмоскопией для получения (также в глазах живых людей) 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 фоторецепторов живых колбочек .
В микроскопии
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.
Другое использование
Помимо использования для улучшения ночных астрономических изображений и изображений сетчатки, технология адаптивной оптики также использовалась в других условиях. Адаптивная оптика используется в солнечной астрономии в обсерваториях, таких как Шведский 1-метровый солнечный телескоп и Солнечная обсерватория Big Bear . Также ожидается, 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 по противоракетной обороне - главный тому пример.
Адаптивная оптика используется для улучшения характеристик классических и квантовых систем оптической связи в свободном пространстве , а также для управления пространственным выходом оптических волокон.
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.
Стабилизация луча
Довольно 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 в аналого-цифровые преобразователи, а затем в микроконтроллер, который выполняет алгоритм ПИД-регулятора . Затем контроллер управляет цифро-аналоговыми преобразователями, которые приводят в действие шаговые двигатели, прикрепленные к опорам зеркал .
Если луч должен быть центрирован на 4-квадрантных диодах, аналого-цифровой преобразователь не требуется. Операционных усилителей вполне достаточно.
В адаптивной оптики является метод , который позволяет корректировать в режиме реального времени прогрессивной деформации и без прогнозирования волнового фронта через зеркало деформируемой. Он использует принцип, аналогичный активной оптике .
Резюме
Исторические элементы
Впервые разработанный в 1950-х годах , его основная область применения - астрономия, но начинает распространяться и на многие другие области (синтез, медицина, телекоммуникации). Его начинают использовать в офтальмологии для получения очень точных изображений сетчатки .
Когда адаптивная оптика используется для исправления медленных искажений, вносимых не атмосферой, а самим оптическим прибором - влияние ветра, расширения материалов, силы тяжести и т. Д. - мы говорим скорее об активной оптике .
Сегодня исследования в этой области очень активны, в основном это касается адаптивной оптики на жидких зеркалах . Технология жидких зеркал в последнее время оказалась очень успешной с использованием феррожидкости, позволяющей магнитному полю управлять формой зеркала.
Принцип
Этот метод используется, в частности, в астрономии с помощью наземных телескопов , среди прочего, для корректировки наблюдений за звездами. Если у нас создается впечатление, что звезда мерцает, то это происходит не из-за того, что она непостоянно излучает свет , а из-за атмосферной турбулентности, которая искажает имеющееся у нас изображение, и, в частности, из-за характеристики светового излучения, называемого световым излучением. волновой фронт или фаза. Действительно, звезда, которая считается точкой в видимом небе и расположена на очень большом расстоянии от масштаба Земли, излучает свет со сферическим волновым фронтом, который в нашем масштабе можно считать плоским . Однако, если мы рассмотрим случай телескопа с главным зеркалом диаметром в несколько десятков метров, такого как, например, ELT , волновой фронт, включенный в поверхность главного зеркала, будет подвергаться случайным деформациям и значительным при прохождении через него. атмосферу из-за изменений оптического индекса, вызванных атмосферной турбулентностью. Это объясняется зависимостью оптического индекса как функции температуры и местного давления пересекаемой атмосферы - см. Модель Гладстона-Дейла . Оптический путь, пройденный световым лучом, определяется как интеграл (n - оптический показатель, dl - элементарное смещение вдоль пути), световые лучи не проходят один и тот же оптический путь: волновой фронт, который наблюдает человек, не равен более длинная плоскость и изображение искажается. В адаптивной оптике затем используется анализатор волнового фронта для оценки возмущения, вызванного атмосферой, затем зеркало деформируется (благодаря системе поршней), чтобы точно компенсировать это возмущение. Таким образом, изображение после отражения в зеркале почти такое, как если бы не было никакого ухудшения качества. нет * d л
Удобная настройка
Построение матрицы управления
На практике реализация системы адаптивной оптики начинается с построения управляющей матрицы. Эта матрица представляет исполнительные механизмы, которые должны быть изменены, чтобы воспроизвести каждую из оптических аберраций основания полиномов Цернике .
Анализ возмущений волнового фронта
Из анализа возмущения волнового фронта атмосферой с помощью анализатора волнового фронта мы можем разложить дефект волнового фронта на основе полиномов Цернике для компенсации задержек с помощью деформируемого зеркала . На практике исправляется только ограниченное количество приказов Цернике, что позволяет получить достаточно низкую остаточную неисправность.
Путеводная звезда
Чтобы выполнить анализ волнового фронта, необходимо наблюдать звезду, которая будет служить ориентиром и будет достаточно яркой для измерения и исправления дефектов, вызванных атмосферными возмущениями. Поскольку статистически такая звезда редко попадает в поле зрения телескопа, одной из возможностей является использование искусственной звезды. Идея была предложена в 1987 году Антуаном Лабейри , принцип которого состоит в возбуждении лазерным импульсом с длиной волны 589,3 нм атомов натрия, присутствующих в больших количествах в полосе атмосферы, расположенной около 80 км . Это возбуждение атомов натрия вызывает спонтанное излучение света, подобное виртуальной вспышке с известными характеристиками, которая образует искусственную звезду-проводник. Идея была впервые применена в 1996 году в Калар-Альто .
Зеркальное искажение
Приложения
Астрономия
Основным ограничением качества астрономических наблюдений является уже не физический размер зеркал, собирающих потоки, а атмосферные возмущения . Это наблюдение побудило к созданию высотных обсерваторий или даже к отправке телескопов в космос (где мы избавлены от атмосферных проблем).
Решить проблему атмосферной турбулентности можно также с помощью адаптивной оптики, использующей деформируемые зеркала с быстрым компьютерным управлением для компенсации искажений волнового фронта .
Офтальмология
Адаптивная оптика позволяет улучшить визуализацию сетчатки . Действительно, адаптивная оптика позволяет исправлять дефекты, вносимые глазом, и позволяет наблюдать за фоторецепторами . Этот метод важен для диагностики разрушенных фоторецепторов в случае травмы или оккультной макулопатии.
Читайте также: