Óptica adaptativa - Adaptive optics

Um espelho deformável pode ser usado para corrigir erros de frente de onda em um telescópio astronômico.
Ilustração de um sistema ótico adaptativo (simplificado). A luz primeiro atinge um espelho de inclinação (TT) e, em seguida, um espelho deformável (DM) que corrige a frente de onda. Parte da luz é derivada por um divisor de feixe (BS) para o sensor de frente de onda e o hardware de controle que envia sinais atualizados para os espelhos DM e TT.
A impressão de um artista de óptica adaptativa.
A frente de onda de uma imagem aberrada (esquerda) pode ser medida usando um sensor de frente de onda (centro) e então corrigida para usar um espelho deformável (direita)

Óptica adaptativa ( AO ) é uma tecnologia usada para melhorar o desempenho dos sistemas ópticos, reduzindo o efeito das distorções da frente de onda de entrada deformando um espelho para compensar a distorção. É usado em telescópios astronômicos e sistemas de comunicação a laser para remover os efeitos da distorção atmosférica , em microscopia, fabricação óptica e em sistemas de imagem retinal para reduzir aberrações ópticas . A óptica adaptativa funciona medindo as distorções em uma frente de onda e compensando-as com um dispositivo que corrige esses erros, como um espelho deformável ou uma matriz de cristal líquido .

A óptica adaptativa não deve ser confundida com a óptica ativa , que funciona em uma escala de tempo mais longa para corrigir a geometria do espelho primário.

Outros métodos podem alcançar poder de resolução excedendo o limite imposto pela distorção atmosférica, como imagem speckle , síntese de abertura e imagem da sorte , ou movendo-se para fora da atmosfera com telescópios espaciais , como o Telescópio Espacial Hubble .

História

Espelho de concha fina adaptável.

A óptica adaptativa foi concebida pela primeira vez por Horace W. Babcock em 1953 e também foi considerada na ficção científica, como no romance Tau Zero de Poul Anderson (1970), mas não entrou em uso comum até os avanços da tecnologia de computação durante os anos 1990 tornou a técnica prática.

Parte do trabalho inicial de desenvolvimento em óptica adaptativa foi feito pelos militares dos Estados Unidos durante a Guerra Fria e destinava-se ao uso no rastreamento de satélites soviéticos.

Os espelhos deformáveis ​​de sistemas microeletromecânicos (MEMS) e os espelhos deformáveis ​​de conceito magnético são atualmente a tecnologia mais amplamente usada em aplicações de modelagem de frente de onda para óptica adaptativa, dada sua versatilidade, curso, maturidade de tecnologia e correção de frente de onda de alta resolução que eles oferecem.

Correção de inclinação e inclinação

A forma mais simples de óptica adaptativa é a correção de inclinação , que corresponde à correção das inclinações da frente de onda em duas dimensões (equivalente à correção dos deslocamentos de posição da imagem). Isso é executado usando um espelho inclinado de ponta e de movimento rápido que faz pequenas rotações em torno de dois de seus eixos. Uma fração significativa da aberração introduzida pela atmosfera pode ser removida dessa forma.

Os espelhos inclinados são efetivamente espelhos segmentados, tendo apenas um segmento que pode inclinar e inclinar, em vez de ter uma série de segmentos múltiplos que podem inclinar e inclinar independentemente. Devido à relativa simplicidade de tais espelhos e ter um grande curso, o que significa que eles têm grande poder de correção, a maioria dos sistemas AO usa-os, primeiro, para corrigir aberrações de baixa ordem. As aberrações de ordem superior podem então ser corrigidas com espelhos deformáveis.

Em astronomia

Astrônomos no site do Very Large Telescope no Chile usam óptica adaptativa.
Laser sendo lançado para o céu noturno a partir do VLT Adaptive Optics Facility.

Visão atmosférica

Mais informações: Visão astronômica
Quando a luz de uma estrela passa pela atmosfera da Terra, a frente de onda é perturbada.
O sensor Shack-Hartmann é um tipo de sensor de frente de onda usado para óptica adaptativa.
Imagens negativas de uma estrela através de um telescópio. O painel esquerdo mostra o filme em câmera lenta de uma estrela quando o sistema de óptica adaptativa é desligado. O painel direito mostra o filme em câmera lenta da mesma estrela quando o sistema AO é ligado.

Quando a luz de uma estrela ou outro objeto astronômico entra na atmosfera da Terra, a turbulência atmosférica (introduzida, por exemplo, por diferentes camadas de temperatura e diferentes velocidades do vento interagindo) pode distorcer e mover a imagem de várias maneiras. Imagens visuais produzidas por qualquer telescópio maior que aproximadamente 20 centímetros são borradas por essas distorções.

Detecção e correção de frente de onda

Um sistema de óptica adaptativa tenta corrigir essas distorções , usando um sensor de frente de onda que pega parte da luz astronômica, um espelho deformável que fica no caminho óptico e um computador que recebe entrada do detector. O sensor de frente de onda mede as distorções que a atmosfera introduziu na escala de tempo de alguns milissegundos ; o computador calcula a forma ideal do espelho para corrigir as distorções e a superfície do espelho deformável é remodelada de acordo. Por exemplo, um telescópio de 8-10 m (como o VLT ou Keck ) pode produzir imagens corrigidas AO com uma resolução angular de 30-60 miliarcsegundos (mas) de resolução em comprimentos de onda infravermelhos, enquanto a resolução sem correção é da ordem de 1 segundo de arco .

Para realizar a correção óptica adaptativa, a forma das frentes de onda de entrada deve ser medida em função da posição no plano de abertura do telescópio. Normalmente, a abertura circular do telescópio é dividida em uma matriz de pixels em um sensor de frente de onda, seja usando uma matriz de pequenos lenslets (um sensor de frente de onda Shack-Hartmann ) ou usando um sensor de curvatura ou pirâmide que opera em imagens da abertura do telescópio. A perturbação média da frente de onda em cada pixel é calculada. Este mapa pixelado das frentes de onda é alimentado no espelho deformável e usado para corrigir os erros de frente de onda introduzidos pela atmosfera. Não é necessário que a forma ou o tamanho do objeto astronômico sejam conhecidos - mesmo os objetos do Sistema Solar que não são pontuais podem ser usados ​​em um sensor de frente de onda Shack-Hartmann, e a estrutura variável no tempo na superfície do Sol é comumente usado para óptica adaptativa em telescópios solares. O espelho deformável corrige a luz que entra para que as imagens pareçam nítidas.

Usando estrelas-guia

Estrelas do guia natural

Como um alvo científico geralmente é muito fraco para ser usado como uma estrela de referência para medir a forma das frentes de onda ópticas, uma estrela guia mais brilhante próxima pode ser usada em seu lugar. A luz do alvo científico passou por aproximadamente a mesma turbulência atmosférica que a luz da estrela de referência e, portanto, sua imagem também é corrigida, embora geralmente com uma precisão inferior.

Um feixe de laser direcionado ao centro da Via Láctea . Este feixe de laser pode então ser usado como uma estrela guia para o AO.

A necessidade de uma estrela de referência significa que um sistema de óptica adaptativa não pode funcionar em todos os lugares no céu, mas apenas onde uma estrela-guia de luminosidade suficiente (para sistemas atuais, cerca de magnitude 12-15) pode ser encontrada muito perto do objeto de observação . Isso limita severamente a aplicação da técnica para observações astronômicas. Outra limitação importante é o pequeno campo de visão sobre o qual a correção óptica adaptativa é boa. À medida que a distância angular da estrela guia aumenta, a qualidade da imagem diminui. Uma técnica conhecida como "óptica adaptativa multiconjugada" usa vários espelhos deformáveis ​​para obter um maior campo de visão.

Estrelas-guia artificiais

Uma alternativa é o uso de um feixe de laser para gerar uma fonte de luz de referência (uma estrela guia de laser , LGS) na atmosfera. Existem dois tipos de LGSs: estrelas-guia de Rayleigh e estrelas - guia de sódio . As estrelas guia Rayleigh funcionam propagando um laser , geralmente em comprimentos de onda ultravioleta próximos , e detectando o retroespalhamento do ar em altitudes entre 15-25 km (49.000-82.000 pés). Estrelas guia de sódio usam luz laser em 589 nm para excitar ressonantemente átomos de sódio mais altos na mesosfera e termosfera , que então parecem "brilhar". O LGS pode então ser usado como uma referência de frente de onda da mesma maneira que uma estrela guia natural - exceto que (muito mais fracas) estrelas de referência natural ainda são necessárias para informações de posição (ponta / inclinação) da imagem. Os lasers são freqüentemente pulsados, com a medição da atmosfera sendo limitada a uma janela que ocorre alguns microssegundos após o pulso ter sido lançado. Isso permite que o sistema ignore a maior parte da luz espalhada no nível do solo; apenas a luz que viajou por vários microssegundos de volta à atmosfera é realmente detectada.

Na imagem da retina

Impressão artística do European Extremely Large Telescope implantando lasers para óptica adaptativa

As aberrações oculares são distorções na frente da onda que passam pela pupila do olho . Essas aberrações ópticas diminuem a qualidade da imagem formada na retina, às vezes exigindo o uso de óculos ou lentes de contato . No caso da imagem da retina, a luz que sai do olho carrega distorções da frente de onda semelhantes, levando à incapacidade de resolver a estrutura microscópica (células e capilares) da retina. Óculos e lentes de contato corrigem "aberrações de baixa ordem", como desfoque e astigmatismo, que tendem a ser estáveis ​​em humanos por longos períodos (meses ou anos). Embora a correção destes seja suficiente para o funcionamento visual normal, geralmente é insuficiente para atingir a resolução microscópica. Além disso, "aberrações de alta ordem", como coma, aberração esférica e trifólio, também devem ser corrigidas para se obter resolução microscópica. As aberrações de alta ordem, ao contrário das de baixa ordem, não são estáveis ​​ao longo do tempo e podem mudar em escalas de tempo de 0,1s a 0,01s. A correção dessas aberrações requer medição e compensação contínuas de alta frequência.

Medição de aberrações oculares

As aberrações oculares são geralmente medidas usando um sensor de frente de onda , e o tipo de sensor de frente de onda mais comumente usado é o Shack-Hartmann . As aberrações oculares são causadas por não uniformidades de fase espacial na frente de onda que sai do olho. Em um sensor de frente de onda Shack-Hartmann, eles são medidos colocando uma matriz bidimensional de pequenas lentes (lenslets) em um plano de pupila conjugado com a pupila do olho e um chip CCD no plano focal posterior dos lenslets. Os lenslets fazem com que os pontos sejam focados no chip CCD, e as posições desses pontos são calculadas usando um algoritmo de centróide. As posições desses pontos são comparadas com as posições dos pontos de referência e os deslocamentos entre os dois são usados ​​para determinar a curvatura local da frente de onda, permitindo reconstruir numericamente as informações da frente de onda - uma estimativa das não uniformidades de fase que causam a aberração .

Correção de aberrações oculares

Uma vez que os erros de fase locais na frente de onda são conhecidos, eles podem ser corrigidos colocando um modulador de fase, como um espelho deformável, em outro plano no sistema conjugado com a pupila do olho. Os erros de fase podem ser usados ​​para reconstruir a frente de onda, que pode então ser usada para controlar o espelho deformável. Alternativamente, os erros de fase locais podem ser usados ​​diretamente para calcular as instruções do espelho deformável.

Operação em malha aberta vs. malha fechada

Se o erro de frente de onda for medido antes de ser corrigido pelo corretor de frente de onda, a operação é considerada "malha aberta". Se o erro de frente de onda for medido após ter sido corrigido pelo corretor de frente de onda, então a operação é considerada um "circuito fechado". No último caso, os erros de frente de onda medidos serão pequenos e os erros na medição e correção são mais prováveis ​​de serem removidos. A correção de loop fechado é a norma.

Formulários

A óptica adaptativa foi aplicada pela primeira vez em imagens de retina com iluminação por inundação para produzir imagens de cones únicos no olho humano vivo. Também tem sido usado em conjunto com a oftalmoscopia a laser de varredura para produzir (também em olhos humanos vivos) as primeiras imagens da microvasculatura retiniana e fluxo sanguíneo associado e células do epitélio pigmentar da retina, além de cones individuais. Combinada com a tomografia de coerência óptica , a óptica adaptativa permitiu que as primeiras imagens tridimensionais de fotorreceptores cones vivos fossem coletadas.

Em microscopia

Na microscopia, a óptica adaptativa é usada para corrigir as aberrações induzidas pela amostra. A correção de frente de onda necessária é medida diretamente usando o sensor de frente de onda ou estimada usando técnicas de AO sem sensor.

Outros usos

GRAAL é um instrumento óptico adaptativo da camada de solo assistido por lasers.

Além de seu uso para melhorar as imagens astronômicas noturnas e as imagens da retina, a tecnologia de óptica adaptativa também tem sido usada em outros ambientes. A óptica adaptativa é usada para astronomia solar em observatórios como o Telescópio Solar Sueco de 1 m e o Observatório Solar Big Bear . Também se espera que desempenhe um papel militar, permitindo que armas a laser terrestres e aerotransportadas atinjam e destruam alvos à distância, incluindo satélites em órbita. O programa de Laser Aerotransportado da Agência de Defesa de Mísseis é o principal exemplo disso.

A óptica adaptativa tem sido usada para aprimorar o desempenho de sistemas de comunicação óptica de espaço livre clássico e quântico e para controlar a saída espacial de fibras ópticas.

As aplicações médicas incluem imagens da retina , onde foi combinada com tomografia de coerência óptica . Além disso, o desenvolvimento do Oftalmoscópio Adaptive Optics Scanning Laser Ophthalmoscope (AOSLO) permitiu corrigir as aberrações da frente de onda que é refletida da retina humana e obter imagens limitadas por difração de cones e bastonetes humanos. O desenvolvimento de um Microscópio Ótico de Varredura Adaptável (ASOM) foi anunciado pela Thorlabs em abril de 2007. Óticas adaptativas e ativas também estão sendo desenvolvidas para uso em óculos para alcançar uma visão melhor do que 20/20 , inicialmente para aplicações militares.

Após a propagação de uma frente de onda, partes dela podem se sobrepor, causando interferência e evitando que a óptica adaptativa a corrija. A propagação de uma frente de onda curva sempre leva à variação de amplitude. Isso precisa ser considerado se um bom perfil de feixe for alcançado em aplicações de laser. No processamento de materiais usando lasers, os ajustes podem ser feitos em tempo real para permitir a variação da profundidade do foco durante a perfuração para mudanças no comprimento focal em toda a superfície de trabalho. A largura do feixe também pode ser ajustada para alternar entre os modos de perfuração e corte. Isso elimina a necessidade de alternar a óptica do cabeçote do laser, reduzindo o tempo de processamento geral para modificações mais dinâmicas.

Óticas adaptativas, especialmente moduladores de luz espacial com codificação de frente de onda, são freqüentemente usados ​​em aplicações de captura óptica para multiplexar e reconfigurar dinamicamente focos de laser que são usados ​​para micromanipular espécimes biológicos.

Estabilização de feixe

Um exemplo bastante simples é a estabilização da posição e direção do feixe de laser entre os módulos em um sistema de comunicação óptica de grande espaço livre. A óptica de Fourier é usada para controlar a direção e a posição. O feixe real é medido por fotodiodos . Este sinal é alimentado em conversores analógico-digital e, em seguida, em um microcontrolador que executa um algoritmo de controlador PID . O controlador então aciona conversores digital para analógico que acionam motores de passo acoplados a suportes de espelho .

Se o feixe deve ser centralizado em diodos de 4 quadrantes, nenhum conversor analógico-digital é necessário. Amplificadores operacionais são suficientes.

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos