Adaptive Optik – Wikipedia

Ein verformbarer Spiegel kann verwendet werden, um Wellenfrontfehler in einem astronomischen Teleskop zu korrigieren.

Darstellung eines (vereinfachten) adaptiven Optiksystems. Das Licht trifft zuerst auf einen Tip-Tilt-Spiegel (TT) und dann auf einen deformierbaren Spiegel (DM), der die Wellenfront korrigiert. Ein Teil des Lichts wird von einem Strahlteiler (BS) an den Wellenfrontsensor und die Steuerhardware abgegriffen, die aktualisierte Signale an die DM- und TT-Spiegel sendet.

Die Wellenfront eines aberrierten Bildes (links) kann mit einem Wellenfrontsensor (Mitte) gemessen und dann mit einem deformierbaren Spiegel (rechts) korrigiert werden.

Adaptive Optik ((AO) ist eine Technologie zur Verbesserung der Leistung optischer Systeme durch Verringerung des Effekts eingehender Wellenfrontverzerrungen durch Verformung eines Spiegels, um die Verzerrung zu kompensieren. Es wird in astronomischen Teleskopen verwendet^[1] und Laserkommunikationssysteme, um die Auswirkungen von atmosphärischen Verzerrungen in der Mikroskopie zu beseitigen,^[2]optische Herstellung^[3] und in Netzhautbildgebungssystemen^[4] optische Aberrationen zu reduzieren. Die adaptive Optik misst die Verzerrungen in einer Wellenfront und kompensiert sie mit einem Gerät, das diese Fehler korrigiert, wie z. B. einem verformbaren Spiegel oder einem Flüssigkristallarray.

Die adaptive Optik sollte nicht mit der aktiven Optik verwechselt werden, die auf einer längeren Zeitskala arbeitet, um die Primärspiegelgeometrie zu korrigieren.

Andere Verfahren können ein Auflösungsvermögen erreichen, das die durch atmosphärische Verzerrung auferlegte Grenze überschreitet, wie z. B. Speckle-Bildgebung, Apertursynthese und Glücksbildgebung, oder durch Bewegen außerhalb der Atmosphäre mit Weltraumteleskopen wie dem Hubble-Weltraumteleskop.

Geschichte[edit]

Adaptiver Dünnschalenspiegel.^[5]

Die adaptive Optik wurde erstmals 1953 von Horace W. Babcock ins Auge gefasst.^[6][7] und wurde auch in der Science-Fiction berücksichtigt, wie in Poul Andersons Roman Tau Zero (1970), aber es wurde erst allgemein verwendet, als Fortschritte in der Computertechnologie in den 1990er Jahren die Technik praktisch machten.

Einige der ersten Entwicklungsarbeiten zur adaptiven Optik wurden vom US-Militär während des Kalten Krieges durchgeführt und waren für die Verfolgung sowjetischer Satelliten vorgesehen.^[8]

Verformbare Spiegel mit mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) und verformbare Spiegel mit Magnetkonzept sind derzeit die am weitesten verbreitete Technologie in Wellenfrontformungsanwendungen für adaptive Optiken, da sie vielseitig einsetzbar sind, einen Hub aufweisen, technologisch ausgereift sind und eine hochauflösende Wellenfrontkorrektur bieten.

Tip-Tilt-Korrektur[edit]

Die einfachste Form der adaptiven Optik ist Tip-Tilt-Korrektur,^[9] Dies entspricht einer Korrektur der Neigungen der Wellenfront in zwei Dimensionen (entspricht einer Korrektur der Positionsversätze für das Bild). Dies erfolgt mit einem sich schnell bewegenden Tip-Tilt-Spiegel, der kleine Drehungen um zwei seiner Achsen ausführt. Auf diese Weise kann ein erheblicher Teil der durch die Atmosphäre eingebrachten Aberration entfernt werden.

Tip-Tilt-Spiegel sind effektiv segmentierte Spiegel mit nur einem Segment, das kippen und kippen kann, anstatt einer Anordnung mehrerer Segmente, die unabhängig voneinander kippen und kippen können. Aufgrund der relativen Einfachheit solcher Spiegel und des großen Hubs, was bedeutet, dass sie eine große Korrekturleistung haben, verwenden die meisten AO-Systeme diese zunächst, um Aberrationen niedriger Ordnung zu korrigieren. Aberrationen höherer Ordnung können dann mit verformbaren Spiegeln korrigiert werden.

In der Astronomie[edit]

Atmosphärisches Sehen[edit]

Wenn das Licht eines Sterns durch die Erdatmosphäre fällt, wird die Wellenfront gestört.

Negative Bilder eines Sterns durch ein Teleskop. Das linke Feld zeigt den Zeitlupenfilm eines Sterns, wenn das adaptive Optiksystem ausgeschaltet ist. Das rechte Feld zeigt den Zeitlupenfilm desselben Sterns, wenn das AO-System eingeschaltet ist.

Wenn Licht von einem Stern oder einem anderen astronomischen Objekt in die Erdatmosphäre gelangt, können atmosphärische Turbulenzen (die beispielsweise durch unterschiedliche Temperaturschichten und unterschiedliche Windgeschwindigkeiten auftreten) das Bild auf verschiedene Weise verzerren und bewegen.^[10] Visuelle Bilder, die von einem Teleskop erzeugt werden, das größer als ungefähr 20 Zentimeter ist, werden durch diese Verzerrungen unscharf.

Wellenfronterfassung und -korrektur[edit]

Ein adaptives Optiksystem versucht, diese Verzerrungen zu korrigieren, indem es einen Wellenfrontsensor verwendet, der einen Teil des astronomischen Lichts aufnimmt, einen verformbaren Spiegel, der im optischen Pfad liegt, und einen Computer, der Eingaben vom Detektor empfängt.^[11] Der Wellenfrontsensor misst die Verzerrungen, die die Atmosphäre im Zeitrahmen von wenigen Millisekunden verursacht hat. Der Computer berechnet die optimale Spiegelform, um die Verzerrungen zu korrigieren, und die Oberfläche des verformbaren Spiegels wird entsprechend umgeformt. Beispielsweise kann ein 8–10 m-Teleskop (wie das VLT oder Keck) AO-korrigierte Bilder mit einer Winkelauflösung von 30–60 Millisekunden (mas) bei Infrarotwellenlängen erzeugen, während die Auflösung ohne Korrektur in der Größenordnung von 1 liegt Bogensekunde.

Um eine adaptive Optikkorrektur durchzuführen, muss die Form der ankommenden Wellenfronten als Funktion der Position in der Teleskopaperturebene gemessen werden. Typischerweise wird die kreisförmige Teleskopapertur in einem Wellenfrontsensor in eine Anordnung von Pixeln aufgeteilt, entweder unter Verwendung einer Anordnung kleiner Lenslets (eines Shack-Hartmann-Wellenfrontsensors) oder unter Verwendung eines Krümmungs- oder Pyramidensensors, der mit Bildern der Teleskopapertur arbeitet. Die mittlere Wellenfrontstörung in jedem Pixel wird berechnet. Diese pixelige Abbildung der Wellenfronten wird in den verformbaren Spiegel eingespeist und zur Korrektur der durch die Atmosphäre verursachten Wellenfrontfehler verwendet. Es ist nicht erforderlich, dass die Form oder Größe des astronomischen Objekts bekannt ist – selbst Objekte des Sonnensystems, die nicht punktförmig sind, können in einem Shack-Hartmann-Wellenfrontsensor verwendet werden, und die zeitlich variierende Struktur auf der Oberfläche der Sonne ist häufig für adaptive Optik an Solarteleskopen verwendet. Der verformbare Spiegel korrigiert das einfallende Licht so, dass die Bilder scharf erscheinen.

Leitsterne verwenden[edit]

Natürliche Leitsterne[edit]

Da ein wissenschaftliches Ziel oft zu schwach ist, um als Referenzstern zum Messen der Form der optischen Wellenfronten verwendet zu werden, kann stattdessen ein nahegelegener hellerer Leitstern verwendet werden. Das Licht des wissenschaftlichen Ziels hat ungefähr die gleichen atmosphärischen Turbulenzen wie das Licht des Referenzsterns durchlaufen, und daher wird auch sein Bild korrigiert, wenn auch im Allgemeinen mit einer geringeren Genauigkeit.

Ein Laserstrahl, der auf das Zentrum der Milchstraße gerichtet ist. Dieser Laserstrahl kann dann als Leitstern für die AO verwendet werden.

Die Notwendigkeit eines Referenzsterns bedeutet, dass ein adaptives Optiksystem nicht überall am Himmel funktionieren kann, sondern nur dort, wo sich ein Leitstern mit ausreichender Leuchtkraft (für aktuelle Systeme etwa 12–15) sehr nahe am Beobachtungsobjekt befindet . Dies schränkt die Anwendung der Technik für astronomische Beobachtungen stark ein. Eine weitere wichtige Einschränkung ist das kleine Sichtfeld, über das die adaptive Optikkorrektur gut ist. Mit zunehmendem Winkelabstand vom Leitstern nimmt die Bildqualität ab. Eine als “multikonjugierte adaptive Optik” bekannte Technik verwendet mehrere verformbare Spiegel, um ein größeres Sichtfeld zu erzielen.

Künstliche Leitsterne[edit]

Eine Alternative ist die Verwendung eines Laserstrahls zur Erzeugung einer Referenzlichtquelle (eines Laserleitsterns, LGS) in der Atmosphäre. Es gibt zwei Arten von LGS: Rayleigh-Leitsterne und Natrium-Leitsterne. Rayleigh-Leitsterne breiten einen Laser normalerweise in der Nähe von ultravioletten Wellenlängen aus und erfassen die Rückstreuung aus der Luft in Höhen zwischen 15 und 25 km (49.000 bis 82.000 Fuß). Natriumleitsterne verwenden Laserlicht bei 589 nm, um Natriumatome höher in der Mesosphäre und Thermosphäre resonant anzuregen, die dann zu “leuchten” scheinen. Das LGS kann dann wie ein natürlicher Leitstern als Wellenfrontreferenz verwendet werden – mit der Ausnahme, dass (viel schwächere) natürliche Referenzsterne für die Bildpositionsinformationen (Spitze / Neigung) weiterhin erforderlich sind. Die Laser werden häufig gepulst, wobei die Messung der Atmosphäre auf ein Fenster beschränkt ist, das einige Mikrosekunden nach dem Starten des Pulses auftritt. Dadurch kann das System das meiste Streulicht in Bodennähe ignorieren. Es wird tatsächlich nur Licht erfasst, das mehrere Mikrosekunden hoch in die Atmosphäre und zurück gelangt ist.

In der Netzhautbildgebung[edit]

Augenaberrationen sind Verzerrungen in der Wellenfront, die durch die Pupille des Auges verlaufen. Diese optischen Aberrationen verringern die Qualität des auf der Netzhaut erzeugten Bildes und erfordern manchmal das Tragen von Brillen oder Kontaktlinsen. Bei der Netzhautbildgebung weist das aus dem Auge austretende Licht ähnliche Wellenfrontverzerrungen auf, was dazu führt, dass die mikroskopische Struktur (Zellen und Kapillaren) der Netzhaut nicht aufgelöst werden kann. Brillen und Kontaktlinsen korrigieren “Aberrationen niedriger Ordnung” wie Defokussierung und Astigmatismus, die beim Menschen über lange Zeiträume (Monate oder Jahre) stabil bleiben. Während die Korrektur dieser Werte für eine normale visuelle Funktion ausreicht, reicht sie im Allgemeinen nicht aus, um eine mikroskopische Auflösung zu erreichen. Zusätzlich müssen auch “Aberrationen hoher Ordnung” wie Koma, sphärische Aberration und Kleeblatt korrigiert werden, um eine mikroskopische Auflösung zu erreichen. Aberrationen hoher Ordnung sind im Gegensatz zu Aberrationen niedriger Ordnung über die Zeit nicht stabil und können sich über Zeitskalen von 0,1 s bis 0,01 s ändern. Die Korrektur dieser Aberrationen erfordert eine kontinuierliche Hochfrequenzmessung und -kompensation.

Messung von Augenfehlern[edit]

Augenaberrationen werden im Allgemeinen mit einem Wellenfrontsensor gemessen, und der am häufigsten verwendete Wellenfrontsensortyp ist der Shack-Hartmann. Augenaberrationen werden durch räumliche Phasenungleichmäßigkeiten in der aus dem Auge austretenden Wellenfront verursacht. In einem Shack-Hartmann-Wellenfrontsensor werden diese gemessen, indem eine zweidimensionale Anordnung kleiner Linsen (Lenslets) in einer mit der Pupille des Auges konjugierten Pupillenebene und ein CCD-Chip in der hinteren Brennebene der Lenslets platziert werden. Die Lenslets bewirken, dass Spots auf den CCD-Chip fokussiert werden, und die Positionen dieser Spots werden unter Verwendung eines Zentroiding-Algorithmus berechnet. Die Positionen dieser Punkte werden mit den Positionen der Referenzpunkte verglichen, und die Verschiebungen zwischen den beiden werden verwendet, um die lokale Krümmung der Wellenfront zu bestimmen, so dass die Wellenfrontinformationen numerisch rekonstruiert werden können – eine Schätzung der Phasenungleichmäßigkeiten, die Aberration verursachen.

Korrektur von Augenfehlern[edit]

Sobald die lokalen Phasenfehler in der Wellenfront bekannt sind, können sie korrigiert werden, indem ein Phasenmodulator wie ein verformbarer Spiegel in einer weiteren Ebene des Systems platziert wird, die mit der Pupille des Auges konjugiert ist. Die Phasenfehler können verwendet werden, um die Wellenfront zu rekonstruieren, die dann verwendet werden kann, um den verformbaren Spiegel zu steuern. Alternativ können die lokalen Phasenfehler direkt verwendet werden, um die Anweisungen für verformbare Spiegel zu berechnen.

Betrieb mit offenem oder geschlossenem Regelkreis[edit]

Wenn der Wellenfrontfehler gemessen wird, bevor er vom Wellenfrontkorrektor korrigiert wurde, wird der Betrieb als “offene Schleife” bezeichnet. Wenn der Wellenfrontfehler gemessen wird, nachdem er vom Wellenfrontkorrektor korrigiert wurde, wird der Betrieb als “geschlossener Regelkreis” bezeichnet. Im letzteren Fall sind die gemessenen Wellenfrontfehler gering, und es ist wahrscheinlicher, dass Fehler bei der Messung und Korrektur beseitigt werden. Korrektur im geschlossenen Regelkreis ist die Norm.

Anwendungen[edit]

Die adaptive Optik wurde zuerst auf die Bildgebung der Netzhaut bei Flutbeleuchtung angewendet, um Bilder einzelner Kegel im lebenden menschlichen Auge zu erzeugen. Es wurde auch in Verbindung mit der Rasterlaser-Ophthalmoskopie verwendet, um (auch in lebenden menschlichen Augen) die ersten Bilder der Mikrovaskulatur der Netzhaut und der damit verbundenen Blutfluss- und Pigmentepithelzellen der Netzhaut zusätzlich zu einzelnen Zapfen zu erzeugen. In Kombination mit der optischen Kohärenztomographie konnten mit der adaptiven Optik die ersten dreidimensionalen Bilder lebender Kegelphotorezeptoren gesammelt werden.^[13]

In der Mikroskopie[edit]

In der Mikroskopie wird eine adaptive Optik verwendet, um probeninduzierte Aberrationen zu korrigieren.^[14] Die erforderliche Wellenfrontkorrektur wird entweder direkt unter Verwendung eines Wellenfrontsensors gemessen oder unter Verwendung sensorloser AO-Techniken geschätzt.

Andere Verwendungen[edit]

GRAAL ist ein adaptives Optikinstrument für die Bodenschicht, das von Lasern unterstützt wird.^[15]

Neben der Verwendung zur Verbesserung der nächtlichen astronomischen Bildgebung und der Netzhautbildgebung wurde die adaptive Optiktechnologie auch in anderen Umgebungen eingesetzt. Die adaptive Optik wird für die Solarastronomie in Observatorien wie dem schwedischen 1-m-Solarteleskop und dem Big Bear Solar Observatory verwendet. Es wird auch erwartet, dass es eine militärische Rolle spielt, indem es bodengestützten und in der Luft befindlichen Laserwaffen ermöglicht, Ziele in einiger Entfernung, einschließlich Satelliten im Orbit, zu erreichen und zu zerstören. Das Airborne Laser-Programm der Missile Defense Agency ist das Hauptbeispiel dafür.

Adaptive Optik wurde verwendet, um die Leistung der Klassik zu verbessern^[16][17]

und Quanten^[18][19]optische Freiraum-Kommunikationssysteme und zur Steuerung der räumlichen Leistung von Lichtwellenleitern.^[20]

Medizinische Anwendungen umfassen die Abbildung der Netzhaut, wo sie mit der optischen Kohärenztomographie kombiniert wurde.^[21] Die Entwicklung des Adaptive Optics Scanning Laser Ophthalmoscope (AOSLO) hat es auch ermöglicht, die Aberrationen der Wellenfront, die von der menschlichen Netzhaut reflektiert werden, zu korrigieren und beugungsbegrenzte Bilder der menschlichen Stäbchen und Zapfen aufzunehmen.^[22] Die Entwicklung eines adaptiven optischen Rastermikroskops (ASOM) wurde von Thorlabs im April 2007 angekündigt. Adaptive und aktive Optiken werden auch für die Verwendung in Brillen entwickelt, um zunächst für militärische Anwendungen eine bessere Sicht als 20/20 zu erzielen.^[23]

Nach der Ausbreitung einer Wellenfront können sich Teile davon überlappen, was zu Interferenzen führt und verhindert, dass die adaptive Optik diese korrigiert. Die Ausbreitung einer gekrümmten Wellenfront führt immer zu Amplitudenschwankungen. Dies muss berücksichtigt werden, wenn bei Laseranwendungen ein gutes Strahlprofil erzielt werden soll. Bei der Materialbearbeitung mit Lasern können Anpassungen im laufenden Betrieb vorgenommen werden, um eine Variation der Fokustiefe während des Piercings für Änderungen der Brennweite über die Arbeitsfläche zu ermöglichen. Die Strahlbreite kann auch angepasst werden, um zwischen Piercing- und Schneidemodus zu wechseln.^[24] Dadurch muss die Optik des Laserkopfs nicht mehr umgeschaltet werden, wodurch die Gesamtverarbeitungszeit für dynamischere Modifikationen verkürzt wird.

Adaptive Optiken, insbesondere Wellenfront-codierende räumliche Lichtmodulatoren, werden häufig in optischen Einfanganwendungen verwendet, um Laserherde zu multiplexen und dynamisch neu zu konfigurieren, die zur Mikromanipulation biologischer Proben verwendet werden.

Strahlstabilisierung[edit]

Ein ziemlich einfaches Beispiel ist die Stabilisierung der Position und Richtung des Laserstrahls zwischen Modulen in einem großen optischen Freiraum-Kommunikationssystem. Die Fourier-Optik dient zur Steuerung von Richtung und Position. Der tatsächliche Strahl wird mit Fotodioden gemessen. Dieses Signal wird in Analog-Digital-Wandler und dann in einen Mikrocontroller eingespeist, auf dem ein PID-Regleralgorithmus ausgeführt wird. Die Steuerung treibt dann Digital-Analog-Wandler an, die Schrittmotoren antreiben, die an Spiegelhalterungen angebracht sind.

Wenn der Strahl auf 4-Quadranten-Dioden zentriert werden soll, wird kein Analog-Digital-Wandler benötigt. Operationsverstärker sind ausreichend.

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

Weiterführende Literatur[edit]

Externe Links[edit]