Anpassungsfähige Optik (AO) ist eine Technologie, die verwendet ist, um die Leistung von optischen Systemen durch das Reduzieren der Wirkung von wavefront Verzerrungen zu verbessern. Es wird in astronomischen Fernrohren und Lasernachrichtensystemen verwendet, um die Effekten der atmosphärischen Verzerrung, in der Mikroskopie, optischen Herstellung und in Retinal-Bildaufbereitungssystemen zu entfernen, um den Einfluss von optischen Abweichungen zu reduzieren. Anpassungsfähige Optik arbeitet durch das Messen der Verzerrungen in einem wavefront und das Ausgleichen sie mit einem Gerät, das jene Fehler wie ein verformbarer Spiegel oder eine flüssige Kristallreihe korrigiert. AO wurde zuerst von Horace W. Babcock 1953 vorgesehen, und wurde auch in der Sciencefiction, als in der Tau neuartigen Null (1970) von Poul Anderson betrachtet, aber es ist in allgemeinen Gebrauch nicht eingetreten, bis Fortschritte in der Computertechnologie während der 1990er Jahre die Technik praktisch gemacht haben.

Anpassungsfähige Optik sollte mit der aktiven Optik nicht verwirrt sein, die an einer längeren Zeitskala arbeitet, um die primäre Spiegelgeometrie zu korrigieren.

Andere Annäherungen, die Auflösung der Macht nachgeben können, die die Grenzen des atmosphärischen Sehens überschreitet, schließen Fleck-Bildaufbereitung, Öffnungssynthese, glückliche Bildaufbereitung und Raumfernrohre wie das Hubble Raumfernrohr ein.

Korrektur der Tipp-Neigung

Die einfachste Form der anpassungsfähigen Optik ist Korrektur der Tipp-Neigung, die Korrektur der Neigungen des wavefront in zwei Dimensionen (gleichwertig zur Korrektur der Positionsausgleiche für das Image) entspricht. Das wird mit einem schnell bewegenden Spiegel der Tipp-Neigung durchgeführt, der kleine Folgen ungefähr zwei seiner Äxte macht. Ein bedeutender Bruchteil der durch die Atmosphäre eingeführten Abweichung kann auf diese Weise entfernt werden.

Spiegel der Tipp-Neigung sind effektiv segmentierte Spiegel, die nur ein Segment haben, das Trinkgeld geben und sich neigen kann, anstatt eine Reihe von vielfachen Segmenten zu haben, die Trinkgeld geben und sich unabhängig neigen können. Wegen der Verhältniseinfachheit solcher Spiegel haben sie einen großen Schlag, bedeutend, dass sie große Korrigieren-Macht haben. Wegen dessen verwenden die meisten AO Systeme einen Spiegel der Tipp-Neigung zuerst, gefolgt von einem verformbaren Spiegel für die höherwertige Korrektur.

In der Astronomie

Das atmosphärische Sehen

Wenn das Licht von einem Stern oder einem anderen astronomischen Gegenstand in die Atmosphäre der Erde eingeht, kann atmosphärische Turbulenz (eingeführt, zum Beispiel, durch verschiedene Temperaturschichten und verschiedene Windgeschwindigkeiten aufeinander wirkend) verdrehen und das Image auf verschiedene Weisen bewegen (sieh das astronomische Sehen für eine volle Diskussion). Images, die durch jedes Fernrohr erzeugt sind, das größer ist als einige Meter, werden durch diese Verzerrungen verschmiert.

Abfragung von Wavefront und Korrektur

Ein anpassungsfähiges Optik-System versucht, diese Verzerrungen mit einem wavefront Sensor zu korrigieren, der etwas vom astronomischen Licht, ein verformbarer Spiegel nimmt, der im optischen Pfad und einem Computer liegt, der Eingang vom Entdecker erhält. Der wavefront Sensor misst die Verzerrungen, die die Atmosphäre auf der Zeitskala von einigen Millisekunden eingeführt hat; der Computer berechnet die optimale Spiegelgestalt, um die Verzerrungen zu korrigieren, und die Oberfläche des verformbaren Spiegels wird entsprechend neu geformt. Zum Beispiel kann ein 8-10-M-Fernrohr (wie VLT oder Keck) AO-corrected Images mit einer winkeligen Entschlossenheit von 30-60 milliarcsecond (mas) Entschlossenheit an Infrarotwellenlängen erzeugen, während die Entschlossenheit ohne Korrektur der Ordnung von 1 arcsecond ist.

Um anpassungsfähige Optik-Korrektur durchzuführen, muss die Gestalt des eingehenden wavefronts als eine Funktion der Position im Fernrohr-Öffnungsflugzeug gemessen werden. Normalerweise wird die kreisförmige Fernrohr-Öffnung in eine Reihe von Pixeln in einem wavefront Sensor, jedes Verwenden einer Reihe von kleinem lenslets (ein Sensor der Bude-Hartmann) oder das Verwenden einer Krümmung oder Pyramide-Sensors aufgeteilt, der auf Images der Fernrohr-Öffnung funktioniert. Die wavefront Mittelunruhe in jedem Pixel wird berechnet. Diese pixelated Karte des wavefronts wird in den verformbaren Spiegel gefüttert und verwendet, um die wavefront durch die Atmosphäre eingeführten Fehler zu korrigieren. Es ist für die Gestalt oder Größe des astronomischen Gegenstands nicht notwendig - sogar Sonnensystemgegenstände bekannt zu sein, die nicht einem Punkt ähnlich sind, kann in einer Bude-Hartmann wavefront Sensor verwendet werden, und die zeitändernde Struktur auf der Oberfläche der Sonne wird für die anpassungsfähige Optik an Sonnenfernrohren allgemein verwendet. Der verformbare Spiegel korrigiert eingehendes Licht, so dass die Images scharf scheinen.

Das Verwenden von Führer-Sternen

Natürliche Führer-Sterne

Weil ein Wissenschaftsziel häufig zu schwach ist, um als ein Bezugsstern verwendet zu werden, für die Gestalt des optischen wavefronts zu messen, kann ein nahe gelegener hellerer Führer-Stern stattdessen verwendet werden. Das Licht vom Wissenschaftsziel hat ungefähr dieselbe atmosphärische Turbulenz wie das Bezugssternlicht durchgeführt, und so wird sein Image auch, obwohl allgemein zu einer niedrigeren Genauigkeit korrigiert.

Die Notwendigkeit eines Bezugssterns bedeutet, dass ein anpassungsfähiges Optik-System überall am Himmel nicht arbeiten kann, aber nur dort, wo ein Führer-Stern der genügend Lichtstärke (für aktuelle Systeme, über den Umfang 12-15) sehr in der Nähe vom Gegenstand der Beobachtung gefunden werden kann. Das beschränkt streng die Anwendung der Technik für astronomische Beobachtungen. Eine andere Hauptbeschränkung ist das kleine Feld der Ansicht, über die die anpassungsfähige Optik-Korrektur gut ist. Als die Entfernung vom Führer-Stern zunimmt, baut sich die Bildqualität ab. Eine als "mehrverbundene anpassungsfähige Optik bekannte Technik" verwendet mehrere verformbare Spiegel, um ein größeres Feld der Ansicht zu erreichen.

Künstliche Führer-Sterne

Eine Alternative ist der Gebrauch eines Laserbalkens, um eine Bezugslicht-Quelle (ein Laserführer-Stern, LGS) in der Atmosphäre zu erzeugen. LGSs kommen in zwei Geschmäcken: Rayleigh führen Sterne und Natriumshandbuch-Sterne. Rayleigh führen Sternarbeit durch das Fortpflanzen eines Lasers, gewöhnlich an fast ultravioletten Wellenlängen, und das Ermitteln der Rückstreuung von Luft an Höhen zwischen 15-25 km. Natriumshandbuch-Sterne verwenden Laserlicht an 589 nm, um Natriumsatome im mesosphere und der Thermosphäre zu erregen, die dann scheinen "zu glühen". Der LGS kann dann als eine wavefront Verweisung ebenso als ein natürlicher Führer-Stern verwendet werden - außer dass (viel schwächere) natürliche Bezugssterne noch für die Bildposition (Tipp/Neigung) Information erforderlich sind. Die Laser werden häufig mit dem Maß der Atmosphäre pulsiert, die auf ein Fenster wird beschränkt, das ein paar Mikrosekunden vorkommt, nachdem der Puls gestartet worden ist. Das erlaubt dem System, am meisten gestreutes Licht am Boden-Niveau zu ignorieren; nur Licht, das für mehrere Mikrosekunden hoch mehrere Mikrosekunden hohe in die Atmosphäre gereist ist und wirklich zurück entdeckt wird.

In der Retinal-Bildaufbereitung

Augenabweichungen sind Verzerrungen im wavefront das Durchführen des Schülers des Auges. Diese Abweichungen verringern die Qualität des Images, das auf der Netzhaut gebildet ist, manchmal das Tragen von Brillen oder Kontaktlinsen nötig machend. Im Fall von der Retinal-Bildaufbereitung trägt der leichte Übergang aus dem Auge ähnliche wavefront Verzerrungen, zu einer Unfähigkeit führend, die mikroskopische Struktur (Zellen und Haargefäße) der Netzhaut aufzulösen. Brillen und Kontaktlinsen korrigieren "Abweichungen der niedrigen Ordnung", wie defocus und Astigmatismus, die dazu neigen, in Menschen seit langen Zeitspannen (Monate oder Jahre) stabil zu sein. Während die Korrektur von diesen für die normale Sehwirkung genügend ist, ist es allgemein ungenügend, um mikroskopische Entschlossenheit zu erreichen. Zusätzlich, "Abweichungen der hohen Ordnung" wie Koma müssen kugelförmige Abweichung und Klee, auch korrigiert werden, um mikroskopische Entschlossenheit zu erreichen. Abweichungen der hohen Ordnung, verschieden von der niedrigen Ordnung, sind mit der Zeit nicht stabil, und können sich mit Frequenzen zwischen 10 Hz und 100 Hz ändern. Die Korrektur dieser Abweichungen verlangt dauerndes Hochfrequenzmaß und Entschädigung.

Maß von Augenabweichungen

Augenabweichungen werden allgemein mit einem wavefront Sensor gemessen, und der meistens verwendete Typ des wavefront Sensors ist die Bude-Hartmann. Augenabweichungen werden durch die Raumphase-Nichtgleichförmigkeit im wavefront das Herausnehmen über das Auge verursacht. In einer Bude-Hartmann wavefront Sensor werden diese durch das Stellen einer zweidimensionalen Reihe von kleinen Linsen (lenslets) in einem Schülerflugzeug gemessen, das dem Schüler des Auges und einem CCD Span am Rücken im Brennpunkt stehendes Flugzeug des lenslets verbunden ist. Die Lenslets-Ursache-Punkte, die auf den CCD Span und die Positionen dieser Punkte einzustellen sind, werden mit einem centroiding Algorithmus berechnet. Die Positionen dieser Punkte sind im Vergleich zu den Positionen von Bezugspunkten, und die Versetzungen zwischen den zwei werden verwendet, um die lokale Krümmung des wavefront — eine Schätzung der Phase-Nichtgleichförmigkeit zu bestimmen, die Abweichung verursacht.

Korrektur von Augenabweichungen

Sobald die lokalen Phase-Fehler im wavefront bekannt sind, können sie korrigiert werden, indem sie einen Phase-Modulator wie ein verformbarer Spiegel an noch einem anderen Flugzeug im dem Schüler des Auges verbundenen System legen. Die Phase-Fehler können verwendet werden, um den wavefront wieder aufzubauen, der dann verwendet werden kann, um den verformbaren Spiegel zu kontrollieren. Wechselweise können die lokalen Phase-Fehler direkt verwendet werden, um die verformbaren Spiegelinstruktionen zu berechnen.

Offene Schleife gegen die Operation des geschlossenen Regelkreises

Wenn der wavefront Fehler einmal gemessen und einmal korrigiert, vom Erwerb von Retinal-Images gefolgt wird, wie man sagt, ist Operation in der offenen Schleife. Wenn der restliche wavefront Fehler (d. h. der wavefront Fehler, der nach der Korrektur bleibt) ständig gemessen und verwendet werden, um den Spiegel neu zu formen, wie man sagt, ist Operation geschlossener Regelkreis. Der Letztere ist im Fall von sich schnell ändernden Abweichungen notwendig, und weil solcher allgemein in Retinal-Bildaufbereitungssystemen verwendet wird.

Anwendungen

Anpassungsfähige Optik wurde zuerst auf die Überschwemmungsbeleuchtungsretinal-Bildaufbereitung angewandt, um Images von einzelnen Kegeln im lebenden menschlichen Auge zu erzeugen. Es ist auch in Verbindung mit der Abtastung des Lasers ophthalmoscopy verwendet worden um (auch in lebenden menschlichen Augen) die ersten Images des Retinals microvasculature und des vereinigten Blutflusses und der Retinal-Pigment-Epithel-Zellen zusätzlich zu einzelnen Kegeln zu erzeugen. Verbunden mit der optischen Kohärenz-Tomographie hat anpassungsfähige Optik den ersten dreidimensionalen Images von lebenden Kegel-Photoempfängern erlaubt, gesammelt zu werden.

Anderer Gebrauch

Außer seinem Gebrauch, um astronomische Nachtbildaufbereitung und Retinal-Bildaufbereitung zu verbessern, ist anpassungsfähige Optik-Technologie auch in anderen Einstellungen verwendet worden. Anpassungsfähige Optik wird für die Sonnenastronomie an Sternwarten wie das schwedische 1-m Sonnenfernrohr verwendet. Wie man auch erwartet, spielt es eine militärische Rolle, indem es Boden-basierten und Bordlaserwaffen erlaubt wird, Ziele in einer Entfernung einschließlich Satelliten in der Bahn zu erreichen und zu zerstören. Die Raketenverteidigungsagentur Bordlaserprogramm ist das Hauptbeispiel davon.

Anpassungsfähige Optik ist verwendet worden, um die Leistung von freien optischen Raumnachrichtensystemen zu erhöhen. Medizinische Anwendungen schließen Bildaufbereitung der Netzhaut ein, wo es mit der optischen Kohärenz-Tomographie verbunden worden ist. Die Entwicklung von Adaptive Scanning Optical Microscope (ASOM) wurde von Thorlabs im April 2007 bekannt gegeben. Anpassungsfähige und aktive Optik wird auch für den Gebrauch in der Brille entwickelt, um besser zu erreichen, als 20/20 Vision am Anfang für militärische Anwendungen.

Nach der Fortpflanzung eines wavefront können Teile davon auf das Führen zu Einmischung und Hindern anpassungsfähige Optik übergreifen, es zu korrigieren. Die Fortpflanzung eines gekrümmten wavefront führt immer zu Umfang-Schwankung. Das muss betrachtet werden, wenn ein gutes Balken-Profil in Laseranwendungen erreicht werden soll.

Balken-Stabilisierung

Ein ziemlich einfaches Beispiel ist die Stabilisierung der Position und Richtung des Laserbalkens zwischen Modulen in einem großen freien optischen Raumnachrichtensystem. Optik von Fourier wird verwendet, um sowohl Richtung als auch Position zu kontrollieren. Der wirkliche Balken wird durch Foto-Dioden gemessen. Dieses Signal wird in einige Konverter des Analogons-zu-digital gefüttert, und ein Mikrokontrolleur führt einen PID Kontrolleur-Algorithmus. Der Kontrolleur steuert einige zum Analogon digitale Konverter, die Spiegelgestellen beigefügte Schrittmotoren steuern.

Wenn der Balken auf 4-Quadranten-Dioden in den Mittelpunkt gestellt werden soll, ist kein Konverter des Analogons-zu-digital erforderlich. Betriebliche Verstärker sind genügend.

Siehe auch

• William Happer, anpassungsfähiger Optik-Pionier
• Claire Max, anpassungsfähiger Optik-Pionier
• Aktive Optik
• Nichtlineare Optik: optische Phase-Konjugation
• Wavefront
• Sensor von Wavefront
• Verformbarer Spiegel
• Holographie: Echtzeitholographie
• Bildstabilisierung
• Winkeliges Diameter
• Winkelige Größe
• Frequenz des belaubten Waldes
• Brille des regulierbaren Fokus
• Liste von Fernrohr-Teilen und Aufbau
• CILAS
• Boston Micromachines Corporation

Weiterführende Literatur

Außenverbindungen

• Anpassungsfähiger Optik-Tutorenkurs an CTIO A. Tokovinin
• Forschungsgruppen und Gesellschaften mit Interessen an der Anpassungsfähigen Optik
• Der Mondkoloss des Saturns occulting NV0435215+200905 (am 20. Dezember 2001)
• Im Weltraum vorhanden dagegen. Boden-basierte Fernrohre mit der Anpassungsfähigen Optik
• Der Vergleich von M92 sieht durch HST und LBT anpassungsfähige Optik an
• Zehn Jahre der VLT Anpassungsfähigen Optik (ESO: ann11078: Am 25. November 2011)