Adaptiv optika

Adaptiv optika — idarəolunan optik elementlərdən istifadə etməklə qeyri-bircins mühitdə işığın yayılması nəticəsində yaranan qeyri-müntəzəm təhriflərin aradan qaldırılması üsullarını öyrənən optika bölməsi. Adaptiv korreksiyanın məqsədi optik cihazların ayırdetmə qabiliyyətini yüksəltmək, qəbuledicidə şüalanmanın konsentrasiyasını artırmaq, işıq dəstəsini hədəfə maksimal dərəcədə iti fokuslamaq və ya şüalanmanın intensivliyinin verilən paylanmasını almaqdır.
Adaptiv optika yerüstü astronomik teleskoplarda, optik rabitə sistemlərində, lazer texnologiyasında, oftalmologiyada, mikroskopiyada və s. istifadə olunur ki, bu da müvafiq olaraq atmosfer təhriflərini, optik sistemlərin aberasiyalarını kompensasiya etməyə imkan verir.

 Tarix 
Adaptiv optika ideyası ilk dəfə 1953-cü ildə Hores U. Bebkok tərəfindən irəli sürülmüşdür və Paul Andersonun Tau Zero (1970) romanında olduğu kimi elmi fantastikada da nəzərdən keçirilmişdir. Lakin 1990-cı ildə kompüter texnologiyası həmin texnikanı praktik hala gətirənə qədər ümumi istifadəyə daxil olmamışdır.

Adaptiv optika ilə bağlı ilkin inkişaf işlərinin bəziləri Soyuq Müharibə zamanı ABŞ ordusu tərəfindən həyata keçirilmiş və Sovet peyklərinin izlənməsində istifadə üçün nəzərdə tutulmuşdu.

Mikroelektromexaniki sistemlər (MEMS) deformasiya olunan güzgülər və maqnit konseptli deformasiya olunan güzgülər, onların çox yönlülüyü, vuruşu, texnologiyanın yetkinliyi və yüksək rezolyusiyaya malik dalğa cəbhəsinin korreksiyası nəzərə alınmaqla, adaptiv optika üçün dalğa cəbhəsi formalaşdırma proqramlarında hazırda ən geniş istifadə olunan texnologiyadır.

 Maili korreksiya 
Ən sadə adaptiv sistemdə mailliyini dəyişmək mümkün olan bir müstəvi güzgü yerləşir ki, onun köməyilə burulğanlı atmosferin müşahidəsi zamanı təsvirin titrəməsini aradan qaldırmaq olur. Daha mürəkkəb sistemlərdə yüksək tərtibli aberrasiyaları kompensə etməyə imkan verən böyük sayda sərbəstlik dərəcələri olan korrektorlardan istifadə olunur.

 Astronomiyada 

 Astronomik müşahidələr 
Hər hansı bir ulduzdan və ya başqa bir astronomik obyektdən gələn işıq Yer atmosferinə daxil olduqda, atmosferin turbulentliyi (məsələn, müxtəlif temperaturlu hava təbəqələrinin və müxtəlif sürətli küləklərin qarşılıqlı təsiri nəticəsində yaranan burulğan) təsviri müxtəlif yollarla təhrif edə və hərəkət etdirə bilər. Təxminən 20 santimetrdən böyük istənilən teleskopun yaratdığı vizual görüntülər bu təhriflər nəticəsində bulanıqlaşır.

 Dalğa cəbhəsinin analizi və korreksiyası 
Adaptiv optik sistem astronomik işığın bir hissəsini qəbul edən dalğa cəbhəsi sensorundan, optik yolda yerləşən deformasiya olunan güzgüdən və detektordan çıxan siqnalları qəbul edən kompüterdən istifadə edərək bu təhrifləri düzəltməyə çalışır. Dalğa cəbhəsi sensoru atmosferin yaratdığı təhrifləri bir neçə millisaniyəlik zaman aralığında ölçür; kompüter təhrifləri düzəltmək üçün güzgünün optimal formasını hesablayır və deformasiya olunan güzgünün səthi buna uyğun olaraq yenidən formalaşdırılır. Məsələn, 8–10 metrlik teleskop (VLT və ya Kek kimi) infraqırmızı dalğa uzunluqlarında 30–60 milli bucaq saniyəsi bucaq ayırdetməsinə malik adaptiv optik korreksiyalı təsvirlər yarada bilər, halbuki düzəlişsiz ayırdetmə 1 bucaq saniyəsi təşkil edir.
Adaptiv optik korreksiyanı həyata keçirmək üçün daxil olan dalğa cəbhələrinin forması teleskopun apertura müstəvisindəki mövqedən asılı olaraq ölçülməlidir. Tipik olaraq dairəvi teleskop diafraqması ya eyni müstəvidə yerləşən kiçik linzalar (Şek-Hartman dalğa cəbhəsi sensoru) istifadə etməklə, ya da teleskop aperturasının təsvirləri üzərində işləyən əyrilik və ya piramida sensorundan istifadə etməklə dalğa cəbhəsi sensorunda piksellər sırasına bölünür. Hər pikseldə orta dalğa cəbhəsi sapması hesablanır. Dalğa cəbhələrinin bu pikselli xəritəsi deformasiya olunan güzgüyə verilir və atmosferin yaratdığı dalğa cəbhəsi xətalarını korreksiya etmək üçün istifadə olunur. Astronomik obyektin forması və ya ölçüsünün bilinməsi vacib deyil — hətta nöqtəyə bənzəməyən Günəş Sistemi obyektləri də Şek-Hartman dalğa cəbhəsi sensorunda istifadə edilə bilər və Günəşin səthində zamanla dəyişən quruluş adətən günəş teleskoplarında adaptiv optika üçün istifadə olunur. Deformasiya olunan güzgü daxil olan işığı düzəldir ki, təsvirlər kəskin görünsün.

 İstinad ulduzlarından istifadə 

 Təbii istinad ulduzları 
Müşahidə olunan hədəfi çox vaxt optik dalğa cəbhələrinin formasını ölçmək üçün istinad ulduzu kimi istifadə oluna bilməyəcək qədər zəif olduğundan, əvəzinə yaxınlıqdakı daha parlaq ulduzdan istifadə edilə bilər. Müşahidə edilən hədəfdən gələn işıq, istinad ulduzunun işığı ilə təxminən eyni atmosfer turbulentliyindən keçir və buna görə də, ümumiyyətlə daha aşağı dəqiqliyə baxmayaraq, onun təsviri də düzəldilir.

İstinad ulduzunun zəruriliyi onunla izah olunur ki, adaptiv optik sistem səmanın hər yerində yox, ancaq kifayət qədər parlaqlığa malik istinad ulduzunun (cari sistemlər üçün, təxminən 12–15 böyüklüyündə) çox yaxınlığında yerləşən müşahidə obyekti ilə işləyə bilər. Bu, astronomik müşahidələr üçün texnikanın tətbiqini ciddi şəkildə məhdudlaşdırır. Digər əsas məhdudiyyət, adaptiv optik korreksiyanın yaxşı olduğu kiçik görüş sahəsidir. istinad ulduzdan bucaq məsafəsi artdıqca təsvirin keyfiyyəti pisləşir. "multikombinasiyalı adaptiv optika" kimi tanınan texnika daha böyük bir görüş sahəsinə nail olmaq üçün bir neçə deformasiya olunan güzgüdən istifadə edir.

 Süni istinad ulduzları 
Alternativ olaraq atmosferdə istinad işıq mənbəyini (lazer istinad ulduzu, LİU) yaratmaq üçün lazer şüasından istifadə etmək olar. İki növ LİU var: Reley istinad ulduzları və natrium istinad ulduzları. Reley istinad ulduzları adətən yaxın ultrabənövşəyi dalğa uzunluqlarında lazeri yaymaqla və 15–25 km (49,000–82,000 fut) hündürlükdə havadan geri səpələnməni aşkar etməklə işləyirlər. Natrium istinad ulduzları mezosferdə və termosferdə daha yüksək olan natrium atomlarını rezonanslı şəkildə həyəcanlandırmaq üçün 589 nm-də lazer işığından istifadə edir, sonra "parıldayan" görünür. LİU daha sonra təbii istinad ulduzla eyni şəkildə dalğa cəbhəsi istinadı kimi istifadə edilə bilər – istisna olmaqla, (daha sönük) təbii istinad ulduzları hələ də təsvirin mövqeyi (maillik) haqqında məlumat üçün tələb olunur. Lazerlər tez-tez impulslanır, atmosferin ölçülməsi impuls işə salındıqdan bir neçə mikrosaniyə sonra baş verən bir pəncərə ilə məhdudlaşır. Bu, sistemə yer səviyyəsində ən çox səpələnmiş işığı görməzliyə vurmağa imkan verir; yalnız atmosferə və arxaya bir neçə mikrosaniyə yüksəklikdə gedən işıq faktiki olaraq aşkar edilir.

 Gözdə təsviralma 
Göz aberrasiyaları, göz bəbəyindən keçən dalğa cəbhəsindəki təhriflərdir. Bu optik aberrasiyalar tor qişada əmələ gələn təsvirin keyfiyyətini azaldır, bəzən eynək və ya kontakt linzaların taxılmasını tələb edir. Torlu qişada təsviralma vəziyyətində, gözdən keçən işıq, retinanın mikroskopik quruluşunu (hüceyrələr və kapilyarlar) həll edə bilməməsinə səbəb olan oxşar dalğa cəbhəsi təhrifləri daşıyır. Eynək və kontakt linzalar insanlarda uzun müddət (aylar və ya illər) sabit olmağa meyilli olan defokus və astiqmatizm kimi "aşağı dərəcəli aberrasiyaları" düzəldir. Bunların korreksiyası normal vizual fəaliyyət üçün kifayət olsa da, mikroskopik rezolyusiyaya nail olmaq üçün ümumiyyətlə kifayət deyil. Bundan əlavə, mikroskopik rezolyusiyaya nail olmaq üçün koma, sferik aberasiya və trefoil kimi "yüksək dərəcəli aberasiyalar" da düzəldilməlidir. Yüksək dərəcəli aberrasiyalar, aşağı nizamdan fərqli olaraq, zaman keçdikcə sabit deyil və zamanla 0,1 s-dən 0,01 s-ə qədər dəyişə bilər. Bu aberrasiyaların düzəldilməsi davamlı, yüksəktezlikli ölçmə və kompensasiya tələb edir.

 Göz aberrasiyalarının ölçülməsi 
Göz aberrasiyaları ümumiyyətlə dalğa cəbhəsi sensoru ilə ölçülür və ən çox istifadə edilən dalğa cəbhəsi sensoru Şek-Hartmandır. Göz aberrasiyaları, gözdən çıxan dalğa cəbhəsindəki məkan fazasının qeyri-bərabərliyi nəticəsində yaranır. Şek-Hartman dalğa cəbhəsi sensorunda bunlar iki ölçülü kiçik linzaların (linzalar) göz bəbəyi ilə birləşən şagird müstəvisində və linzaların arxa fokus müstəvisində CCD çipinin yerləşdirilməsi ilə ölçülür. Lensletlər ləkələrin CCD çipinə fokuslanmasına səbəb olur və bu ləkələrin mövqeləri mərkəzləşdirmə alqoritmi ilə hesablanır. Bu ləkələrin mövqeləri istinad nöqtələrinin mövqeləri ilə müqayisə edilir və ikisi arasındakı yerdəyişmələr dalğa cəbhəsinin yerli əyriliyini müəyyən etmək üçün istifadə olunur ki, bu da dalğa cəbhəsi məlumatını ədədi olaraq yenidən qurmağa imkan verir — aberrasiyaya səbəb olan faza qeyri-bərabərliyinin təxmini.

 Göz aberrasiyalarının korreksiyası 
Dalğa cəbhəsindəki yerli faza xətaları məlum olduqdan sonra, sistemin göz bəbəyinə kombinasiyasındakı başqa bir müstəvidə deformasiya olunan güzgü kimi bir faza modulyatorunu yerləşdirməklə düzəldilə bilər. Faza xətaları dalğa cəbhəsini yenidən qurmaq üçün istifadə oluna bilər, daha sonra deformasiya olunan güzgüyə nəzarət etmək üçün istifadə edilə bilər. Alternativ olaraq, yerli faza səhvləri deformasiya olunan güzgü təlimatlarını hesablamaq üçün birbaşa istifadə edilə bilər.

 Açıq dövrə və qapalı dövrə əməliyyatı 
Dalğa cəbhəsi xətası dalğa cəbhəsi korrektoru tərəfindən düzəldilməzdən əvvəl ölçülürsə, əməliyyatın "açıq dövrə" olduğu deyilir. Dalğa cəbhəsi xətası dalğa cəbhəsi korrektoru tərəfindən düzəldildikdən sonra ölçülürsə, əməliyyatın "qapalı dövrə" olduğu deyilir. Sonuncu halda, ölçülmüş dalğa cəbhəsi səhvləri kiçik olacaq və ölçmə və korreksiyada səhvlərin aradan qaldırılması ehtimalı daha yüksəkdir. Qapalı döngənin düzəldilməsi normadır.

 Tətbiqləri 
Adaptiv optika canlı insan gözündə tək konusların təsvirlərini yaratmaq üçün ilk dəfə sel işıqlandırmalı retinal təsviralma üçün tətbiq edilmişdir. O, həmçinin skan edən lazer oftalmoskopiyası ilə birlikdə (həmçinin canlı insan gözlərində) retinal mikrodamarların və əlaqəli qan axınının və tək konuslara əlavə olaraq torlu qişanın piqment epiteli hüceyrələrinin ilk şəkillərini yaratmaq üçün istifadə edilmişdir. Optik koherent tomoqrafiya ilə birlikdə, adaptiv optika canlı konus fotoreseptorlarının ilk üçölçülü təsvirlərini toplamağa imkan verdi.

 Mikroskopiyada 
Mikroskopiyada nümunənin yaratdığı aberrasiyaları düzəltmək üçün adaptiv optikadan istifadə edilir. Tələb olunan dalğa cəbhəsi korreksiyası ya birbaşa dalğa cəbhəsi sensoru ilə ölçülür, ya da sensorsuz adaptiv optika üsullarından istifadə etməklə təxmin edilir.

 Digər istifadələr 
Gecə astronomik təsviri və tor qişanın təsvirini yaxşılaşdırmaq üçün istifadə etməklə yanaşı, adaptiv optika texnologiyası digər parametrlərdə də istifadə edilmişdir. Adaptiv optika İsveç 1 m Günəş Teleskopu və Böyük Ayı Günəş Rəsədxanası kimi rəsədxanalarda günəş astronomiyası üçün istifadə olunur. Yerüstü və havadan lazer silahlarının orbitdəki peyklər də daxil olmaqla, məsafədəki hədəflərə çatmasına və məhv edilməsinə imkan verərək hərbi rol oynaması da gözlənilir. Raketdən Müdafiə Agentliyinin Havadan Lazer proqramı bunun əsas nümunəsidir.

Adaptiv optika klassik və kvant boş məkan optik rabitə sistemlərinin performansını artırmaq və optik liflərin məkan çıxışını idarə etmək üçün istifadə edilmişdir.

Tibbi tətbiqlərə torlu qişanın təsviri daxildir, burada optik koherens tomoqrafiya ilə birləşdirilir. Həmçinin Adaptive Optics Scanning Lazer Oftalmoskopunun (AOSLO) inkişafı insan tor qişasından əks olunan dalğa cəbhəsinin aberrasiyalarını korreksiya etməyə və insan çubuqlarının və konuslarının difraksiya ilə məhdudlaşan şəkillərini çəkməyə imkan verdi. Adaptive Scanning Optical Microscope-un (ASOM) hazırlanması 2007-ci ilin aprelində Thorlabs tərəfindən elan edildi. Adaptiv və aktiv optiklər həmçinin ilkin olaraq hərbi tətbiqlər üçün 20/20-dən daha yaxşı görmə əldə etmək üçün eynəklərdə istifadə üçün hazırlanır.

Dalğa cəbhəsinin yayılmasından sonra onun hissələri üst-üstə düşə bilər ki, bu da müdaxiləyə səbəb olur və adaptiv optikanın onu düzəltməsinə mane olur. Əyri dalğa cəbhəsinin yayılması həmişə amplituda dəyişikliyinə səbəb olur. Lazer tətbiqlərində yaxşı şüa profilinə nail olmaq üçün bunu nəzərə almaq lazımdır. Lazerlərdən istifadə edərək materialın emalında, iş səthi boyunca fokus uzunluğunda dəyişikliklər üçün pirsinq zamanı fokus dərinliyinin dəyişməsinə imkan vermək üçün tez düzəlişlər edilə bilər. Şüa eni də pirsinq və kəsmə rejimi arasında keçid etmək üçün tənzimlənə bilər. Bu, daha dinamik modifikasiyalar üçün ümumi emal vaxtını azaldaraq, lazer başlığının optikasının dəyişdirilməsi ehtiyacını aradan qaldırır.

Adaptiv optika, xüsusilə də dalğa cəbhəsini kodlayan fəza işıq modulatorları, bioloji nümunələri mikro-manipulyasiya etmək üçün istifadə olunan lazer fokuslarını multipleks və dinamik şəkildə yenidən konfiqurasiya etmək üçün optik tutma tətbiqlərində tez-tez istifadə olunur.

 Şüanın stabilləşməsi 
Kifayət qədər sadə bir nümunə, böyük bir boş yer optik rabitə sistemində modullar arasında lazer şüasının mövqeyinin və istiqamətinin sabitləşməsidir. Furye optikası həm istiqaməti, həm də mövqeyi idarə etmək üçün istifadə olunur. Həqiqi şüa fotodiodlarla ölçülür. Bu siqnal analoqdan rəqəmsal çeviricilərə və sonra PID nəzarətçi alqoritmini idarə edən mikro nəzarətçiyə verilir. Nəzarətçi daha sonra güzgü qurğularına qoşulmuş pilləli mühərrikləri idarə edən rəqəmsal-analoq çeviriciləri idarə edir.

Şüa 4 kvadrant diodlara mərkəzləşdiriləcəksə, analoqdan rəqəmsal çeviriciyə ehtiyac yoxdur. Əməliyyat gücləndiriciləri kifayətdir.

 İstinadlar 





 Xarici keçidlər 

 10th International Workshop on Adaptive Optics for Industry and Medicine, Padova (Italy), 15–19 June 2015
 Adaptive Optics Tutorial at CTIO  A. Tokovinin
 Research groups and companies with interests in Adaptive Optics
 Space-based vs. Ground-based telescopes with Adaptive Optics
 Ten Years of VLT Adaptive Optics (ESO : ann11078 : 25 November 2011)
 Center for Adaptive Optics

Kateqoriya:Optik cihazlar
Kateqoriya:Teleskoplar