Адаптивна оптика: як розглянути зірки на небі? Адаптивна оптика - історія лазера Реалізація адаптивної оптики

Розділ підготовлений Миколою Носирєвим та Олегом Вилковим

Адаптивна оптика(АТ) - розділ оптики, що займається розробкою оптичних систем з динамічним управлінням формою хвильового фронту для компенсації випадкових обурень та підвищення межі дозволу наглядових приладів, ступеня концентрації випромінювання на приймачі або мішені.

Основне завдання, яке можна вирішити системою адаптивної оптики, полягає в усуненні збурень хвильового фронту, що викликаються неконтрольованими випадковими впливами. До найбільш відомих систем такого типу відносяться:

· наземні телескопи, внаслідок неоднорідності земної атмосфери роздільна здатність даних систем знижується

· Системи формування та фокусування лазерного випромінювання

· Лазерні вимірювальні системи, що працюють в атмосфері

· Оптичні системи потужних лазерів.

Реалізація адаптивних оптичних систем визначається конкретним, вирішуваним нею, коло завдань. Проте загальні засади побудови таких систем однакові.

Розрізняють системи з вихідною хвилею, в яких відбувається корекція хвильового фронту джерела світла, і системи з хвилею, в яких відбувається корекція світлового поля, що приходить від спостережуваного об'єкта. У свою чергу, і ті, і інші можуть бути реалізовані на принципах фазового сполучення та апертурного зондування.

У системі фазового сполучення пучок світла відбивається від малої ділянки об'єкта (мети), утворюючи сферичну хвилю, яка проходить назад шляхом поширення світла і зазнає тих же спотворень, що і випромінювана хвиля. Відбита хвиля, що прийшла, потрапляє в датчик хвильового фронту, де і виявляються спотворення на трасі. Пристрій обробки даних виробляє розрахунок необхідної корекції хвильового фронту, що здійснюється пристроєм на хвильовий фронт.

Принцип апертурного зондування заснований на можливості внесення у хвильовий фронт пробних збурень, які трансформуються в амплітудні збурення сигналу. Аналізуючи зміни інтенсивності світла, відбитого від мети, роблять висновок про знак зміни фази і деформують хвильовий фронт до того часу, поки оптимізована фокусування на об'єкті.

Аналогічним чином працюють системи з хвилею, що приймається. У системах фазового сполучення частина прийнятого світла зі спотвореним хвильовим фронтом прямує на датчик хвильового фронту. Отримана інформація використовується для створення компенсуючого на прийнятий хвильовий фронт. У результаті приймачі в ідеалі формується обмежене лише дифракцією зображення.

У системах апертурного зондування вносять пробні обурення прийнятий хвильовий фронт, які вплив оцінюють з допомогою приймача, розміщеного в площині зображення.

спостережних приладів, концентрація оптичного випромінювання на приймачі чи мішені тощо.

Адаптивна оптика знаходить застосування в конструюванні наземних астрономічних телескопів, в системах оптичної комунікації, в промисловій лазерній техніці, в офтальмології та ін, де дозволяє компенсувати, відповідно, атмосферні спотворення, аберації оптичних систем, у тому числі оптичних елементів ока людини.

Адаптивна оптична система

Конструктивно адаптивна оптична система зазвичай складається з датчика, що вимірює спотворення (датчик хвильового фронту), коректора хвильового фронту та системи управління, що реалізує зв'язок між датчиком та коректором.

Датчики хвильового фронту

Існують різноманітні методи, що дозволяють як якісно оцінювати, і кількісно вимірювати профіль хвильового фронту. Найбільш популярними нині є датчики інтерференційного типу та типу Шака-Гартмана.

Дія інтерференційних датчиків заснована на когерентному складанні двох світлових хвиль і формуванні інтерференційної картини із залежною від вимірюваного хвильового фронту інтенсивністю. При цьому, як друга (опорна) світлова хвиля може використовуватися хвиля, отримана з досліджуваного випромінювання шляхом просторової фільтрації.

Датчик типу Шака-Гартмана складається з матриці мікролінз і розташованого у їхній фокальній площині фотоприймача. Кожна лінза має розміри від 1 мм і менше. Лінзи датчика поділяють досліджуваний хвильовий фронт на субапертури (апертура однієї мікролінзи), формуючи у фокальній площині сукупність фокальних плям. Положення кожної з плям залежить від локального нахилу хвильового фронту пучка, що прийшов на вхід датчика. Вимірюючи поперечні зміщення фокальних плям, можна обчислити середні кути нахилів хвильового фронту в межах кожної субапертури. За цими величинами обчислюється профіль хвильового фронту по всій апертурі датчика.

Коректори хвильового фронту

Адаптивне (деформоване) дзеркало ( англ.) є найбільш популярним інструментом для управління хвильовим фронтом та корекції оптичних аберацій. Ідею корекції хвильового фронту складовим дзеркалом запропонував В. П. Лінник у 1957 році. Можливість створення такої системи з'явилася з середини 1990-х років у зв'язку з розвитком технологій та з можливістю найточнішого комп'ютерного управління та контролю.

Зокрема, широкого поширення набули уніморфні (напівпасивний-біморф) дзеркала. Таке дзеркало складається з тонкої пластини, виготовленої з п'єзоелектричного матеріалу, на якій особливим чином розташовані електроди. Пластина приєднана до підкладки, на передній поверхні якої сформовано оптичну поверхню. При додатку напруги до електродів п'єзоелектрична пластина стискається (або розширюється), що призводить до згинання оптичної поверхні дзеркала. Особливе просторове розташування електродів дозволяє формувати складні рельєфи поверхні.

Швидкість управління формою адаптивного дзеркала дозволяє використовувати його для компенсації динамічних аберацій у режимі реального часу.

В астрономічних додатках для систем адаптивної оптики потрібен опорний джерело, який служив би еталоном блиску для корекції спотворень, створюваних атмосферної турбулентністю, причому він повинен бути розташований на досить близькому кутовому відстані від досліджуваної області піднебіння. У деяких системах як джерело використовується «штучна зірка», створена збудженням атомів натрію на висоті 90 км над поверхнею Землі наземним лазером.

Див. також

Напишіть відгук про статтю "Адаптивна оптика"

Примітки

Література

Воронцов М. А., Шмальгаузен Ст І.Принципи адаптивної оптики. – М.: Наука, 1985.
Воронцов М. А., Корябін А. В., Шмальгаузен В. І.Оптичні системи, що керуються. – М.: Наука, 1988.

Посилання

Уривок, що характеризує Адаптивна оптика

Соня, Наташа, Петя, Ганна Михайлівна, Віра, старий граф, обіймали його; і люди та покоївки, наповнивши кімнати, примовляли та ахали.
Петя повис на його ногах. - А мене те! – кричав він. Наташа, після того, як вона, пригнув його до себе, поцілувала все його обличчя, відскочила від нього і тримаючись за підлозі його угорки, стрибала як коза на одному місці і пронизливо верещала.
З усіх боків були блискучі сльозами радості, люблячі очі, з усіх боків були губи, що шукали поцілунку.
Соня червона, як кумач, теж трималася за його руку і вся сяяла в блаженному погляді, спрямованому в його очі, на які вона чекала. Соні минуло вже 16 років, і вона була дуже гарна, особливо цієї хвилини щасливого, захопленого пожвавлення. Вона дивилася на нього, не зводячи очей, посміхаючись і затримуючи подих. Він вдячно глянув на неї; але все ще чекав і шукав когось. Стара графиня ще не виходила. І ось почулися кроки у дверях. Кроки такі швидкі, що це були кроки його матері.
Але це була вона в новій, незнайомій ще йому, пошитій без нього сукні. Усі залишили його, і він побіг до неї. Коли вони зійшлися, вона впала на його груди ридаючи. Вона не могла підняти обличчя і тільки притискала його до холодних снурок його угорки. Денисов, ніким не помічений, увійшовши в кімнату, стояв одразу і, дивлячись на них, тер собі очі.
- Василь Денисов, друже вашого сина, - сказав він, рекомендуючись графу, що запитально дивився на нього.
– Милості прошу. Знаю, знаю, – сказав граф, цілуючи та обіймаючи Денисова. - Ніколушка писав ... Наташа, Віра, ось він Денисов.
Ті ж щасливі, захоплені особи звернулися на волохату фігуру Денисова і оточили його.
- Голубчик, Денисов! - Вискнула Наталка, не пам'ятаючи себе від захоплення, підскочила до нього, обійняла і поцілувала його. Усі зніяковіли вчинком Наташі. Денисов теж почервонів, але посміхнувся і, взявши руку Наташі, поцілував її.
Денисова відвели до приготовленої йому кімнати, а Ростові всі зібралися в диван біля Миколушки.
Стара графиня, не випускаючи його руки, яку вона щохвилини цілувала, сиділа поруч із ним; решта, стовпившись навколо них, ловили кожен його рух, слово, погляд, і не спускали з нього захоплено закоханих очей. Брат і сестри сперечалися і перехоплювали місця ближче до нього, і билися за те, кому принести йому чай, хустку, люльку.
Ростов був дуже щасливий любов'ю, яку йому висловлювали; але перша хвилина його зустрічі була така блаженна, що теперішнього його щастя йому здавалося мало, і він все чекав чогось ще, і ще, і ще.
Наступного ранку приїжджі спали з дороги до 10-ї години.
У попередній кімнаті валялися шаблі, сумки, ташки, розкриті валізки, брудні чоботи. Вичищені дві пари зі шпорами були щойно поставлені біля стіни. Слуги приносили умивальники, гарячу воду для гоління та очищені сукні. Пахло тютюном та чоловіками.
- Гей, Г"ишка, т"убку! - Крикнув хрипкий голос Васьки Денисова. - Ростов, вставай!
Ростов, протираючи очі, що злипалися, підняв сплутану голову з гарячої подушки.
– А що пізно? - Пізно, 10-а година, - відповів Наташин голос, і в сусідній кімнаті почулося шурхотіння крохмалених суконь, шепіт і сміх дівочих голосів, і в трохи розчинені двері майнуло щось блакитне, стрічки, чорні волосся і веселі обличчя. Це була Наташа з Сонею та Петею, які прийшли навідатися, чи не встав.
- Ніколенька, вставай! - Знову почувся голос Наташі біля дверей.
– Зараз!
У цей час Петя, у першій кімнаті, побачивши і схопивши шаблі, і відчуваючи те захоплення, яке відчувають хлопчики, побачивши войовничого старшого брата, і забувши, що сестрам непристойно бачити роздягнених чоловіків, відчинив двері.
- Це твоя шабля? – кричав він. Дівчата відскочили. Денисов зі зляканими очима сховав свої волохати ноги в ковдру, озираючись за допомогою на товариша. Двері пропустили Петю і знову зачинилися. За дверима почувся сміх.
- Ніколенька, виходь у халаті, - промовив голос Наташі.
- Це твоя шабля? - Запитав Петя, - чи це ваша? – з улесливою повагою звернувся він до вусатого, чорного Денисова.
Ростов поспішно взувся, одягнув халат і вийшов. Наталя одягла один чобіт зі шпорою і влазила в другий. Соня кружляла і щойно хотіла роздмухати сукню і сісти, коли він вийшов. Обидві були в однакових, новеньких блакитних сукнях – свіжі, рум'яні, веселі. Соня втекла, а Наталя, взявши брата під руку, повела його в диван, і в них почалася розмова. Вони не встигали питати один одного і відповідати на запитання про тисячі дрібниць, які могли цікавити лише їх одних. Наталя сміялася при кожному слові, яке він говорив і яке вона говорила, не тому, щоб було смішно те, що вони говорили, але тому, що їй було весело і вона не могла утримувати своєї радості, що виражалася сміхом.
- Ах, як добре, чудово! - Примовляла вона до всього. Ростов відчув, як під впливом жарких променів кохання, вперше через півтора роки, на душі його та на обличчі розпускалася та дитяча посмішка, якою він жодного разу не посміхався відтоді, як виїхав із дому.
– Ні, послухай, – сказала вона, – ти тепер зовсім чоловік? Я дуже рада, що ти мій брат. - Вона торкнула його вуса. - Мені хочеться знати, які ви чоловіки? Чи такі, як ми? Ні?
- Чому Соня втекла? - Запитував Ростов.
– Так. Це ще ціла історія! Як ти говоритимеш із Сонею? Ти чи ви?

Санкт-Петербурзький національний дослідний університет інформаційних технологій, механіки та оптики

Факультет Фотоніки та Оптоінформатики

Кафедра Комп'ютерної Фотоніки та Відеоінформатики

з дисципліни Теорія Систем та Системний Аналіз

« АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД ХАРАКТЕРИСТИК СУЧАСНИХ КОМПОНЕНТІВ АДАПТИВНИХ ОПТИЧНИХ СИСТЕМ»

Студент: Романов І.Є.

Група: 4352

Викладач: Гуров І.П.

Санкт-Петербург

Вступ …………………………………………………….………………….2

Адаптивна оптична система………………………………………………3

Датчики хвильового фронту …………………………………………..………..5

Коректори хвильового фронту……………………………………….………..9

1) Сегментовані дзеркала ……............................................ ..............10

2)Дзеркала з суцільною поверхнею………………………………...11

2.1) Біморфні дзеркала……………………………………….....12

2.2)Мембранні дзеркала……………………..………………….14

3) MOEMS (кремнієва технологія)………………..………………...14

Заключение……………………………………………………..……………...15

Список литературы …………………………………………………………...16

Додаткові джерела інформації………………………………… ..17

Вступ

Адаптивна оптика (АТ) - розділ оптики, що займається розробкою оптичних систем з динамічним управлінням формою хвильового фронту для компенсації випадкових обурень та підвищення межі дозволу наглядових приладів, ступеня концентрації випромінювання на приймачі або мішені. Адаптивна оптика почала інтенсивно розвиватися у 1950-ті роки. у зв'язку із завданням компенсації спотворень фронту, спричинених атмосферною турбулентністю та накладають основне обмеження на роздільну здатність наземних телескопів. Пізніше до цього додалися проблеми створення орбітальних телескопів і потужних лазерних випромінювачів, схильних до інших видів перешкод.

Адаптивна оптика знаходить застосування у різних галузях науки та техніки. Наприклад, у конструюванні наземних астрономічних телескопів, у системах оптичної комунікації, у промисловій лазерній техніці, у медицині та ін., де дозволяє компенсувати, відповідно, атмосферні спотворення, аберації оптичних систем, у тому числі оптичних елементів ока людини.

Метою даної є вивчення адаптивних оптичних систем, а також проведення аналітичного огляду на характеристики їх компонентів.

Адаптивна оптична система

Вперше на можливість корекції атмосферних спотворень зображення за допомогою деформованого дзеркала вказав у 1953 американський астроном Хорас Бебкок (Babcock H.W). Він припустив створення інструменту, який би, виконував вимірювання динамічних атмосферних спотворень у реальному часі та їх коригування за допомогою формозмінних оптичних елементів, що швидко перебудовуються. Проте реалізувати його ідеї на той момент не вдалося через обмеженість технологій.

Наземні телескопи внаслідок неоднорідності земної атмосфери роздільна здатність даних систем знижується.

Системи формування та фокусування лазерного випромінювання.

Лазерні вимірювальні системи, що працюють у атмосфері.

Оптичні системи сильних лазерів.

Реалізація адаптивних оптичних систем визначається конкретним, вирішуваним нею, коло завдань. Проте загальні засади побудови таких систем однакові. Конструктивно адаптивна оптична система зазвичай складається з датчика, що вимірює спотворення (датчик хвильового фронту), коректора хвильового фронту та системи управління, що реалізує зв'язок між датчиком та коректором. Загальну схему адаптивної оптичної схеми наведено на Рис. 1. .

Рис. 1.Загальна схема адаптивної оптичної системи

Датчики хвильового фронту

Датчик хвильового фронту (ДВФ) є одним із елементів адаптивної системи коригування лазерного випромінювання. Його завдання – вимірювати кривизну хвильового фронту та передавати ці вимірювання на обробний пристрій (Рис.2).

Рис. 2.Зображення спотвореного хвильового фронту, що отримується за допомогою масиву мікролінз.

Основними причинами кривизни хвильового фронту є:

Турбулентність атмосфери.

Неідеальність форм оптичних елементів системи.

Похибки при юстуванні системи та ін.

Сьогодні існує велика різноманітність ДВФ. Проте найбільш поширений - на основі схеми Шака-Гартмана (Рис.3.).

Рис. 3.Типова схема датчика Гартмана

Історія створення такого датчика почалася в 1900-х роках, коли німецький фізик та астроном Йоханнес Франц Гартман вирішив використати безліч малих апертур для відстеження шляху розповсюдження окремих світлових променів через великий телескоп, що дозволило йому перевірити якість зображення. Пізніше, у 1960-х, Роланд Шак та Бен Платт модифікували цю технологію, замінивши апертури на безліч лінз (лінзовий растр).

Такий датчик найчастіше використовується в системах коригування хвильового фронту завдяки своїм перевагам. Однією з головних переваг датчика Шака-Гартмана є його здатність вимірювати великий діапазон нахилів хвильового фронту, коли спотворення іншими методами (наприклад, інтерференційними) не виміряти. Такий датчик може бути використаний для визначення аберацій у профілі неколімованого лазерного пучка. Крім того, у нього мала чутливість до механічних вібрацій, і він може працювати з імпульсами великої потужності та фемтосекундною тривалістю.

Рис. 4.Принцип роботи датчика хвильового фронту

Коли хвильовий фронт, що приходить, плоский, всі зображення розташовані в правильній сітці, визначеній геометрією матриці лінз. Щойно хвильовий фронт спотворюється, зображення зміщуються зі своїх номінальних положень. Усунення центроїдів зображення у двох ортогональних напрямках пропорційні середнім нахилам хвильового фронту у цих напрямах по суб-апертурам. Таким чином ДВФ Шака-Гартмана (ДВФ Ш-Г) вимірює нахили хвильового фронту. Сам хвильовий фронт реконструюється (відновлюється) з масиву виміряних нахилів з точністю до константи, яка грає ролі зображення.

Характеристики ДВФ Шака-Гармана:

Амплітуда вимірюваних аберацій – до 15 мкм.

Точність вимірів - λ/100 (RMS).

Діаметр вхідного випромінювання – 8...100 мм.

Однак ДВФ Шака-Гартмана мають одну істотну ваду: перехресні перешкоди на ПЗЗ-матрицях. Вони виникають, коли досить сильно спотворений хвильовий фронт падає на матрицю, оскільки при сильних відхиленнях може вийти за межі свого підмасиву і потрапити на сусідню матрицю. Таким чином, створюється хибна пляма.

Але сьогодні помилки через перехресні перешкоди виключаються за допомогою складних алгоритмів. Вони дозволяють точно відстежувати та виводити справжнє розташування плями. Сучасний розвиток алгоритмів та точності виготовлення дозволяють розширити сферу застосування цих датчиків. Сьогодні вони знайшли застосування у різних системах перевірки зображення.

Коректори хвильового фронту

Адаптивне дзеркало - це виконавчий активний елемент адаптивної оптичної системи, що має поверхню, що відображає, з деформованим профілем. Дзеркала, що деформуються, є найбільш зручним інструментом для контролю хвильового фронту і корекції оптичних аберацій.

Основні характеристики адаптивних дзеркал:

Діапазон переміщень (характеризується чутливістю приводу у складі дзеркала (зазвичай чутливість виявляється у переміщеннях поверхні мікрометрах зі збільшенням управляючого напруги на 1 У)).

Область локальної деформації (відбиває кількість ступенів свободи дзеркала (може бути задана ефективною шириною деформації одиничної амплітуди, викликаної впливом одного приводу; функція, що описує цю деформацію, називається функцією відгуку)).

Смуга пропускання частот (визначається швидкодією використовуваного приводу (обмежена зверху механічними резонансами самої конструкції дзеркала)).

Конструктивно адаптивні дзеркала можна розділити на великі групи:

1) Сегментовані дзеркала.

2)Дзеркала з суцільною поверхнею.

У сегментованих дзеркалах кожна окрема секція допускає її переміщення та нахил (або лише переміщення). Суцільне дзеркало під впливом спеціальних приводів зазнає складних деформацій.

Вибір тієї чи іншої конструкції визначається специфікою системи, де воно буде використано. До основних факторів, які враховуються в даному випадку, відносяться габаритний розмір, маса та якість виготовлення поверхні дзеркала.

Сегментовані дзеркала

Сегментовані дзеркала складаються з окремих незалежних сегментів плоских дзеркал. Кожен сегмент можна переміщати на невелику відстань та назад для коригування середнього значення хвильового фронту.

Секціоновані адаптивні дзеркала з поступальним переміщенням секцій (рис.5, а) дозволяють змінювати лише тимчасові фазові співвідношення між сигналами від окремих секцій (довжину оптичного шляху), а дзеркала з переміщенням та нахилом секцій (рис.5, б) - також просторову фазу .

Рис. 5.Секціоновані адаптивні дзеркала: а) з поступальним переміщенням секцій; б) з переміщенням та нахилом секцій.

Істотними недоліками секційованих дзеркал є необхідність контролю за положенням окремої секції та стану її поверхні, а також складність реалізації системи термостабілізації подібних дзеркал.

1)Кількість актуаторів - 100 - 1500.

2) Проміжки між актуаторами – 2-10 мм.

3) Форма електродів - прямокутна чи шестикутна.

5) Амплітуда переміщення - кілька мікронів.

6)Резонансна частота - кілька кілогерців.

7) Вартість - висока.

Дзеркала із суцільною поверхнею

Дзеркала з дискретними приводами (Рис. 6.) утворені на передній поверхні тонкої мембрани, що деформується. Управління формою пластини здійснюється за допомогою низки окремих приводів, що кріпляться до його задньої стінки. Форми дзеркала залежить від поєднання сил, що діють на передню панель, граничних умов (як плита кріпиться до дзеркала), а також геометрії та матеріалу платівки.

Ці дзеркала дозволяють плавно регулювати хвильовий фронт з дуже великою кількістю (до кількох тисяч) ступенів свободи.

Рис. 6.Схема дзеркала із дискретними приводами.

Біморфні дзеркала

Біморфне дзеркало (Рис.7.) складається з двох п'єзоелектричних пластин, які скріплені між собою та поляризовані у протилежних напрямках (паралельних осях). Між цими пластинами розташований масив електродів. Лицьова та зворотна поверхні заземлені. Як відбиває поверхні використовується лицьова сторона дзеркала.

Рис.7.Схема біморфного дзеркала.

У момент, коли до електрода прикладається напруга, одна з пластин стискається, а протилежна розтягується, що призводить до місцевого викривлення. Місцева кривизна дзеркала пропорційна напругі, що подається, тому ці деформовані дзеркала також називають дзеркалами кривизни.

Типові параметри сегментних деформованих дзеркал:

1) Кількість актуаторів - 18 - 35

2) Проміжки між актуаторами – 30-200 мм.

3) Форма електродів-радіальна.

5)Резонансна частота -більше 500 Гц.

6) Вартість - помірна.

Мембранні дзеркала.

Деформація мембрани цих дзеркал досягається з допомогою дії магнітного поля. До мембрани кріпиться набір магнітів прямо напроти соленоїдів. При протіканні струму по соленоїдів виникають лапласові сили, які і деформують мембрану.

MOEMS (кремнієва технологія)

MOEMS (Рис.8.) – мікро-опто-електро-механічні системи. Такі адаптивні дзеркала виготовляються за допомогою мікролітографії, подібно до електронних мікросхем, відхилення маленьких елементів дзеркала здійснюється електростатичними силами. Недоліками MOEMS є недостатні переміщення та малий розмір елементів дзеркала.

Рис.8.Принцип роботи дзеркала MOEMS

Інший спосіб управління фазою світла – використання рідких кристалів, як і моніторах, мають до мільйона керованих елементів. Донедавна рідкі кристали були дуже повільними, але зараз це обмеження подолано. Хоча фазовий зсув, який вносить рідкі кристали, залишається дуже маленьким і до того ж не варто забувати, що він залежить від довжини хвилі.

Висновок

Вивчивши в ході даної роботи пристрій та характеристики компонентів адаптивних оптичних систем, можна зробити висновок про те, що розробка нових видів компонентів АОС не стоїть на місці. Нові розробки в області фотоніки та оптичних матеріалів дозволяють створювати більш досконалі компоненти адаптивних систем з кращими характеристиками, ніж у попередників.

Список літератури:

Вірт А., Гонсіровський Т. Адаптивна оптика: узгодження атмосферної турбулентності // Фотнік, 2007, номер 6, стор 10 - 15.

Берченко Є.А., Калінін Ю.А., Кисельов В.Ю., Полинкін М.А. Датчики хвильового фронту // Лазерно-оптичні системи та технології, 2009, стор. 64-69.

A.G. Aleksandrov, V.E. Завалова, А.В. Кудряшов, А.Л. Rukosuev, P.N. Romanov, V.V. Samarkin, Yu.V. Шелдакова, "Shack - Hartmann wavefront sensor для вимірювання параметрів високої потужності тримається solid-state lasers", QUANTUM ELECTRON, 2010, 40 (4), 321–326.

Аліханов А.М., Берченко Є.А., Кисельов В.Ю., Кулешов В.М., Курчанов М.С., Нарусбек Е.А., Отсечкін А.Г., Прилепський Б.В., Сон В .Г., Філатов А.С., Деформовані дзеркала для силових та інформаційних лазерних систем // Лазерно-оптичні системи та технології, ФГУП "НВО АСТРОФІЗИКА", М., 2009, стор 54-58

Воронцов М.А., Шмальгаузен В.І., Принципи адаптивної оптики // Москва, Наука, (1985), стор. 336.

Воронцов М.А., Корябін А.В., Шмальгаузен В.І., Керовані оптичні системи. //Москва, Наука, (1988), стор 275.

Krasheninnikov V. R. Estimation Parameters of Geometric Transformation of Images Fixed-Point Method / V. R. Krasheninnikov, M. A. Potapov // Pattern Recognition and Image Analysis. - 2012. - Vol. 22, № 2. - P. 303 -317.

Додаткові джерела інформації:

Лазерний Портал: http://www.laserportal.ru//

Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Adaptive_optics

Astronet: http://www.astronet.ru/db/msg/1205112/part2/dm.html#SEC2.2

АДАПТИВНА ОПТИКА, розділ оптики, що займається розробкою методів та засобів управління формою хвильового фронту (ВФ) з метою усунення спотворень (аберацій), що виникають при поширенні світлового пучка в оптично неоднорідному середовищі (наприклад, турбулентної атмосфери) або через недосконалість.

Мета адаптивної корекції - підвищення роздільної здатності оптичних приладів, підвищення концентрації випромінювання на приймачі, досягнення максимально гострого фокусування світлового пучка на мішені або отримання заданого розподілу інтенсивності випромінювання. Можливості застосування активних методів в оптиці стали обговорюватися з початку 1950-х років у зв'язку з проблемою підвищення роздільної здатності наземних телескопів, проте інтенсивний розвиток адаптивної оптики почався після створення досить ефективних коректорів (керованих дзеркал) та вимірювачів (датчиків) ПФ. Найпростіша адаптивна система містить одне плоске дзеркало, нахил якого можна змінювати, що дозволяє усунути тремтіння зображення при спостереженні крізь турбулентну атмосферу. У складніших системах використовуються коректори з великою кількістю ступенів свободи, що дозволяють компенсувати аберації вищих порядків. Типова схема організації управління адаптивної системі (малюнок) побудована за принципом зворотний зв'язок. Частина світлового потоку після коректора відгалужується і надходить на датчик ПФ, де вимірюються залишкові аберації. Ця інформація використовується для формування сигналів у блоці управління, що впливають на коректор і зменшують залишкові аберації. Вони стають мінімальними, якість зображення покращується.

Існують системи, які потребують використання датчиків ВФ. В цьому випадку мінімізація спотворень проводиться шляхом навмисного внесення до ПФ пробних збурень (метод апертурного зондування). Потім вплив пробних обурень на якість роботи системи аналізується в блоці управління, після чого формуються сигнали, що управляють, оптимізують ВФ. Системи апертурного зондування вимагають великих витрат часу на налаштування коректора, так як помітне зменшення спотворень процес повторюється кілька разів.

Ефективність адаптивної оптичної системи значною мірою визначається досконалістю застосовуваного коректора. Спочатку використовувалися головним чином складові (сегментовані) дзеркала, що складаються з декількох сегментів, які могли зміщуватися відносно один одного за допомогою п'єзоприводів або іншим способом. Згодом набули поширення гнучкі («мембранні») дзеркала з поверхнею, що безперервно деформується. На початку 21 століття техніка корекції ПФ значно удосконалилася. Крім керованих дзеркал різних типів застосовують рідкокристалічні фазові модулятори, які можуть працювати як на відображення (подібно до дзеркал), так і на просвіт. Ряд конструкцій допускає їх мініатюризацію та створення пристроїв, інтегрованих у єдиний блок з керуючою електронікою, що дозволяє створювати компактні та порівняно недорогі адаптивні системи. Однак, незважаючи на розробку фазових коректорів нового покоління, традиційні гнучкі дзеркала зберігають своє значення завдяки малим втратам світлового потоку та порівняно простій конструкції. У лазерних системах застосовують також нелінійно-оптичні методи корекції спотворень, що ґрунтуються на явищі звернення хвильового фронту. Цей підхід називають іноді нелінійною адаптивною оптикою.

Літ.: Воронцов М. А., Шмальгаузен В. І. Принципи адаптивної оптики. М., 1985; Тараненко В. Г., Шанін О. І. Адаптивна оптика. М., 1990; Лукін В. П., Фортес Б. В. Адаптивне формування пучків та зображень в атмосфері. Новосиб., 1999.

В. І. Шмальгаузен.

У неоднорідному середовищі за допомогою керованих оптичних елементів. Основні завдання адаптивної оптики - це підвищення межі дозволу спостережних приладів, концентрація оптичного випромінювання на приймачі або мішені тощо.

Адаптивна оптика знаходить застосування в конструюванні наземних астрономічних телескопів, в системах оптичної комунікації, в промисловій лазерній техніці, в офтальмології та ін., де дозволяє компенсувати, відповідно, атмосферні спотворення, аберації, оптичних, систем, у тому числі оптичних елементів ока.

Енциклопедичний YouTube

1 / 5
Конструктивно адаптивна оптична система зазвичай складається з датчика, що вимірює спотворення (датчик хвильового фронту), коректора хвильового фронту і системи управління, що реалізує зв'язок між датчиком і коректором.

Датчики хвильового фронту

Існують різноманітні методи, що дозволяють як якісно оцінювати, і кількісно вимірювати профіль хвильового фронту. Найбільш популярними нині є датчики інтерференційного типу та типу Шака-Гартмана.
Дія інтерференційних датчиків заснована на когерентному складанні двох світлових хвиль і формуванні інтерференційної картини із залежною від вимірюваного хвильового фронту інтенсивністю. При цьому, як друга (опорна) світлова хвиля може використовуватися хвиля, отримана з досліджуваного випромінювання шляхом просторової фільтрації.
Датчик типу Шака-Гартмана складається з матриці мікролінз і розташованого в їхній фокальній площині фотоприймача. Кожна лінза має розміри від 1 мм і менше. Лінзи датчика поділяють досліджуваний хвильовий фронт на субапертури (апертура однієї мікролінзи), формуючи у фокальній площині сукупність фокальних плям. Положення кожної з плям залежить від локального нахилу хвильового фронту пучка, що прийшов на вхід датчика. Вимірюючи поперечні зміщення фокальних плям, можна обчислити середні кути нахилів хвильового фронту в межах кожної субапертури. За цими величинами обчислюється профіль хвильового фронту по всій апертурі датчика.

Коректори хвильового фронту

Адаптивне (деформоване) дзеркало (Англ.)є найбільш популярним інструментом для управління хвильовим фронтом та корекції оптичних аберацій. Ідею корекції хвильового фронту складовим дзеркалом запропонував В. П. Лінник у 1957 році. Можливість створення такої системи з'явилася з середини 1990-х років у зв'язку з розвитком технологій та з можливістю найточнішого комп'ютерного управління та контролю.
Зокрема, широкого поширення набули уніморфні (напівпасивний-біморф) дзеркала. Таке дзеркало складається з тонкої пластини, виготовленої з п'єзоелектричного матеріалу, на якій особливим чином розташовані електроди. Пластина приєднана до підкладки, на передній поверхні якої сформовано оптичну поверхню. При додатку напруги до електродів п'єзоелектрична пластина стискається (або розширюється), що призводить до згинання оптичної поверхні дзеркала. Особливе просторове розташування електродів дозволяє формувати складні рельєфи поверхні.
Швидкість управління формою адаптивного дзеркала дозволяє використовувати його для компенсації динамічних аберацій у режимі реального часу.
В астрономічних додатках для систем адаптивної оптики потрібен опорний джерело, який служив би еталоном блиску для корекції спотворень, створюваних атмосферної турбулентністю, причому він повинен бути розташований на досить близькому кутовому відстані від досліджуваної області піднебіння. У деяких системах як джерело використовується «штучна зірка», створена збудженням атомів натрію на висоті 90 км над поверхнею Землі наземним лазером.