Uyarlanabilir optik

Uyarlanabilir optik (İngilizce: adaptive optics, kısaca AO), optik sistemlerinin performansını arttırmak için geliştirilmiş ve dalga cephesi bozulmalarını en aza indirmek amacıyla kurulmuş bir teknolojidir.

Genel amacı ise gelen dalga cephesinin bozulmalarını düzeltmek ve bunu aynaları bozucu bir şekilde telafi etme amacıyla düzenlemektedir. Astronomide teleskoplarda lazer iletişim sistemlerinde atmosferik bozulmanın etkilerini azaltmak amacıyla kullanılmaktadır. Mikroskopide de bu sistem kullanılmaktadır. Optiksel fabrikasyon ve retinal görüntüleme sistemlerinde optiksel sapmaları azaltmak amacında kullanılmaktadır. Uyarlanabilir optik sistemleri dalga yüzündeki sapmaları ölçerek çalışmaktadır ve bu hataları telafi eden bir cihazla düzeltmektedir. Bu cihaza örnek olarak bozulabilir aynalar veya sıvı kristal tertibat örnek olarak verilebilir.

Uyarlanabilir optik aktif optikle karıştırılmamalıdır. Çünkü aktif optik ilkel ayna geometrisini düzeltmek için bayağı uzun bir zamanda çalışmaktadırlar.

Diğer metodlar atmosferik bozukluklardan dolayı oluşan limit aşımlarını düzenlemek için çalışmaktadırlar. Benekli mikroskopi, açık sentez ve şanslı görüntüleme veya uzay teleskoplarıyla atmosfer dışında hareket edenler, Hubble Uzay Teleskopu gibi, örnek verilebilir.

Tarihçesi

Uyarlanabilir optik sistemi 1953 yılında ilk defa Horace W. Babcock tarafından görüntülenmiştir ve ayrıca bilimkurguda Poul Anderson da bu yolda izlenimler sağşamıştır. Fakat, ortak kullanım şekline 1990 yıllarındaki bilgisayar alanındaki yeniliklerin sağladığı tekniksel pratik faydalara kadar dönüşememiştir.

İlk yeniliklerin bazıları uyarlanabilir optik sistemlerinde Amerikan ordusununun Soğuk Savaş döneminde kullandığı gibi ve Sovyet uydularının takip edilmesinde kullanmak için de bir niyet söz konusuydu.

Mikroelektromekanik sistemlerin (MEMS) kırılgan aynaları son zamanlarda dalga yüzü yapılandırma uygulamalarında uyarlanabilir optik sistemleri için çok yönlülükle, teknolojideki olgunluklarıyla ve sağladıkları yüksek çözüm oranlarıyla kullanılmaktadırlar.

Eğimli düzeltme

Uyarlanabilir optik sistemlerinin en basit hali eğimli düzeltmedir ve bu dalga yüzlerinde iki boyutlu olanlarda eğimi düzenlemekle alakalıdır. (görüntünün dengelenmesi için konumunun düzeltilmesiyle eşdeğerdir.) Bu sistem çok hızlı hareket eden eğimli düzeltme aynasıyla ekseni etrafında yaptığı dönmelerle sağlamaktadır. En önemli kayma atmosfer tarafından bu yolda taşınmaktadır.

Eğimli düzeltme aynaları etkili olarak ayarlanmışlardır ve sadece eğim sağlayan ve dönen segmente sahiptir. Bunun haricinde birçok segmentten oluşan bir düzeneğin eğimi sağlamasına izin verilmemiştir. Benzer sadelikten dolayı bu tür aynalar büyük bir darbeye sahiptirler, bu da onların büyük bir düzeltme gücüne sahip olduğu anlamına gelmektedir, birçok uyarlanabilir optik sistemleri bunları kullanmaktadırlar,öncelikle, düşük sıralı sapmaları düzeltmektedirler. Yüksek dereceli sapmalarda bu tür aynalarla düzeltilebilir.

(equivalent to correction of the position offsets for the image). This is performed using a rapidly moving tip–tilt mirror that makes small rotations around two of its axes. A significant fraction of the aberration introduced by the atmosphere can be removed in this way.

Astronomi alanında

Şili'deki astronomiciler bu tür uyarlanabilir optik sistemi kullanmaktadırlar.

Atmosfer bakışı

Herhangi bir yıldızdan veya farklı bir astronomik cisim Dünya atmosferine geldiğinde atmosferik türbülans (örnek olarak farklı sıcaklık katmanları ve farklı rüzgar hız etkileşimi) görüntüyü bozabilir veya farklı yollarla taşıyabilir. (daha fazlası için astronomik bakışı inceleyiniz.) Görüntü herhangi bir teleskop tarafından bu bozukluklar tarafından birkaç metre daha bulanık olabilir.

Dalgayüzü düzeltimi

Uyarlanabilir optik sistemi bu tür bozuklukları düzeltmek için çalışmaktadır ve dalgayüzü sensörü kullanarak bazı astronomik ışıkları çekmektedir, ayna sayesinde optiksel yolda ilerleme sağlamaktadır ve ayrıca dedektörden bilgi alan bilgisayara sahiptir. Dalgayüzü sensörü milisaniye cinside atmosferdeki bozuklukları ölçerek zaman ölçeğine kaydetmektedir.Bilgisayarı ise optiksel ayna şekliyle bozulmaları düzeltmektedir ve aynanın yüzündeki bozukluklar zamanla tekrar düzenlenebilmektedirler. Örnek olarak 8-19 metre boyundaki teleskoplar (VLT veya Keck) uyarlanabilir optik düzeltimini üretebilmektedirler ve açısal çözümle 30-60 milyar saniye çözümünü infrared dalgaboyunda oluşturmaktadırlar bu sırada çözüm 1 ark saniye olarak gerçekleşmektedir.

Uyarlanabilir optik düzeltmesini gerçekleştirebilmek için, gelen dalgayüzünün konuma bağlı olarak teleskopta ölçülmüş olması gerekmektedir. Genellikle, dairesel teleskop açıklığı dalgayüzü sensöründe birçok piksele ayrılmaktadırlar, ya da küçük lens ekipmanı kullanılaraktan (Shack-Hartmann sensörü) veya eğrilikli piramit sensörü kullanrak teleskoptaki görüntü açıklığı yürütülebilmektedir. Dalgayüzü bozulmasının tam anlamı her pikselde hesaplanmıştır. Bu piksellenmiş harita dalgayüzlerinin ayna tarafından beslenmektedirler ve dalgayüzlerindeki hataları düzelmek için atmosfer tarafından bilgilendirilirler. Bu astronomik cismin şekliyle veya boyutuyla alakalı olması gerekmediği bilinmektedir hatta güneş sistemindeki cisimlerin noktasal olmayanlarından Shack-Hartmann dalgaboyu sensöründe de kullanılmıştır. Ayrıca, zamana bağlı cisim güneşin yüzeyinde genel olarak uyarlanabilir optik sisteminde güneş teleskoplarında kullanılmaktadır. Aynalar ise gelen ışığı görüntüyü keskin bir biçimde göstermek amacıyla kullanılmaktadırlar.

Rehber yıldızların kullanılması

Doğal rehber yıldızları

Bilim hedefinin çok zayıf olmasından dolayı referans yıldız olarak optik dalgayüzlerinin şekli ölçülmektedir. Yakındaki parlak rehber yıldızlar bunların yerine kullanılmaktadırlar. Bilim hedefinden gelen ışık yaklaşık olarak aynı atmosferik türbülanstan geçmektedir ve bunun aynısı referans yıldızın ışığında da görülmektedir ve bu görüntüsü doğrulanmıştır fakat düşük bir doğruluk payına sahiptir.

Referans yıldızın gerekliliği uyarlanabilir optik sisteminin gökyüzünde her yerde çalışmayacağının göstergesidir. Buna rağmen rehber yıldız aydınlatırlık açısından gereklidir (akım sistemlerinde) ve gözlemlerde cisme çok yakındır. Bu birçok kez astronomik gözlemlemeler için kısıtlama yapmaktadır. Bir diğer büyük kısıtlama ise görüntü üzerindeki küçük alandan yani uyarlanabilir optik sistemi düzeltmesinin iyi olduğu yerdir. Açısal mesafe rehber yıldızdan artmaktadır, görüntü kalitesi ise azalmaktadır. Bu teknik ise "çokeşli uyarlanabilir optik" olarak tanımlanmıştır ve büyük bir alanda uygulanmak için farklı türde aynalar kullanmaktadır.

Yapay rehber yıldızlar

Lazer ışını kullanmaya bir alternatif olarak referans ışık kaynakları (lazer rehber yıldızları, LGS) atmosferde üretilmektedirler. LGS'ler iki türde bulunmaktadırlar: Rayleigh rehber yıldızları ve sodyum rehber yıldızlarıdır. Rayleigh rehber yıldızları lazer üretmektedirler ve genellikle ultraviyole dalgaboylarına yakın olarak geri yansımauı havadan 15–25 km'ye kadar yakalamaktadır. Sodyum rehber yıldızları lazer ışığını 589 nm'de sodyum atomlarını mezosferde ve termosferde uyarmaktadır. Bu daha sonra parıltı olarak görünmektedir. LGS'ler dalgayüzü referensı olarak da doğal rehber yıldız olarak aynı şekilde kullanabilmektedirler. Fakat istisna olarak doğal referans yıldızları hala görüntü yerleştirme amacıyla kullanılmaktadırlar. Lazerler bazen darbe alırlar ve birkaç mikrosaniye ile atmosferdeki ölçümler sınırlandırılmışlardır.Bu ölçümler atımlar üretildikten çok kısa bir süre sonra gerçekleşmektedirler. Bu da sistemi en çok ışıyan ışığı en alt seviyede tutmaktadır. Sadece ışık birkaç mikrosaniye yolculuk etmektedir ve bu da atmosferde yüksek bir konuma sahip olmuştur.

Retinal görüntüleme

Mercek sapmaları dalgayüzünde gözün irisinden geçerken oluşan bozulmalardır. Bu tür optiksel sapmalar retinada oluşan görüntü kalitesini azaltmaktadır, bazen de kontak lenslerin takılmasını gerektirmektedirler. Retinal görüntüleme durumunda, ışık gözden benzer dalgayüzü bozuntularına kadar taşınmaktadır, retinanın mikroskopik cisimleri çözümleme kabiliyetini elinden alır (hücreler ve kapiller). Kontak lensler düşük sıralı sapmaları doğrulamaktadırlar buna örnek olarak defokus ve astigmat olarak verilebilmektedirler. Bunlar doğrulanması bazı görüntüleme fonksiyonlarında gerekliyken, aslında mikroskobik çözümün yetersiz olması da belirtilmiştir. Buna ek olarak, yüksek dereceli sapmalar, örnek olarak koma, küresel aberasyon mikroskobik çözümü gerçekleştirmek için doğrulanmıştır. Yüksek dereceli sapmalar, düşük derecelilerden farklı olarak, zamanla sabit değillerdir ve 10 Hz ile 100 Hz arasında değişen bir frekans aralığına sahiptirler. Bu sapmaların doğrulanması süreklilik gerektirmektedir ve yüksek frekanslı ölçümle telafi edilmelidir.

Mercek sapmasının ölçümü

Mercek sapmaları genel olarak dalgayüzü sensörü kullanılarak ölçülmektedirler ve en çok kullanılan dalgaboyu sensörü ise ShacHartmann'dır. Mercek sapmaları uzaysal faz değişilebilirliği tarafında dalgayüzünün gözde ışımasıyla oluşmuşlardır. Shack-Hartmann dalgayüzü sensöründe bu ölçümlerin hepsi iki boyutlu küçük lens ekipmanı tarafından göz retinasında ve CCD çipinde lenslerin arkasında bulunmaktadır. Lensler CCD çipine odaklanmayı sağlamaktadırlar ve bu spotların yerinin hesaplanmasını kütle merkezi metodu kullanarak hesaplamaktadırlar. Bu spotların konumu referans spotlarıyla kıyaslanmaktadırlar ve ikisi arasındaki yer değiştirmeleri bölgesel dalgayüzündeki eğimi belirlemede kullanılmaktaydılar.

Mercek sapmasının doğrulanması

Dalgayüzündeki bölgesel faz hataları bilinmektedir, onlar faz modülatörü yerleştirilerek, örnek olarak kırılgan ayna, düzeltilmektedirler. Gözün retinasında farklı bir eş sistem koyarak oluşmaktadır. Faz hataları dalgayüzünü tekrar oluşturmaktadırlar. Bu da kırılgan aynaları kontrol edebilmektedir. Bir başka yol ise, bölgesel faz hataları doğrudan kırılgan aynalarda kullanılabilir.

Açık halka-kapalı halka sapmaları

Eğer dalgayüzü hatası önceden ölçülürse ve dalgaboyu doğrulayıcısı tarafından doğrulanırsa bu operasyon açık halka olarak adlandırılmaktadır. Eğer dalgayüzü hatası dalgayüzü doğrulayıcısından sonra doğrulanırsa bu da kapalı halka olarak adlandırılmaktadır. İkinci durumda, dalgayüzü hataları küçük ölçülmektedir ve hatalar ölçümlerde ve doğrulamalarda daha benzer şekilde uzaklaşmaktadırlar. Kapalı halka doğrulamaları ise normal şekildedir.

Uygulamaları

Uyarlanabilir optikler ilk olarak retinal görüntülemede tek konilerin görüntülerini almak amacıyla yaşayan insan gözünde uygulanmışlardır. Ayrıca bunlar, lazer optalmoskopi ile eş olarak retinal mikrovasküler görüntülemeyi yapmaktadırlar ve kan akışının, retina pigmentini konilere entegresini sağlamaktadırlar. Optiksel uyumla tomografi, uyarlanabilir optikler üç boyutlu görüntülemeyi canlı koni ışık algılayıcılarıyla birlikte toplamaktadırlar.

Diğer kullanımları

Gece yapılan gökyüzü görüntülemesindeki artışının yanı sıra ve retinal görüntülemenin yanı sıra, uyarlanabilir optik teknolojisi ayrıca farklı alanlarda da kullanılmaktadırlar. Uyarlanabilir optik sistemleri güneş astronomisinde rasathanelerde örnek olarak Swedish 1-m Güneş Teleskopu verilebilir. Ayrıca askeri görevlerde de bunun kullanılması beklenmektedir. Görevi ise yere konumlandırılmış ve havadan nakledilen lazer silahlarıyla hedeflere ulaşıp onları imha etmek amacıyla uyduların yörüngelerine konumlandırılmışlardır. Missile Savunma Birliği Havadan Lazer programı bunun temel bir örneğidir. Uyarlanabilir optik sistemleri serbest uzay optik iletişim sistemlerini de geliştirmiştir ve optik fiberlerinin uzaysal verimini kontrol etmektedir.

Sağlık alanındaki uygulamaları ise retina görüntüleme, bu sistem optiksel uygunlukla tomogrofiyle kombin edilmiştir. Uyarlanabilir tarama optik mikroskopu ilk olarak Nisan 2007 yılında Thorlabs'da bildirilmiştir. Uyarlanabilir ve aktif optik sistemleri mercek yapımlarında da kullanılmışlardır ve amaçları ise 20/20 görüntüsünden daha iyi bir kaliteye çıkmaktı ve önceliği ise orduya yönelik uygulamalarla ilgiliydi.

Dalgayüzünün yayılmasından sonra, parçaları birbiri üstüne gelerek girişim yapmışlardır ve uyarlanabilir optiğin düzeltilmesini önlemektedir. Eğimli dalga yüzünün yayılması her zaman yükseklik çeşitliliğine sebep olmuştur. Lazer uygulamalarında eğer ışın profili başarılırsa bur gerçekleşir.

Uyarlanabilir optik, özellikle dalgayüzü kodlama ve uzaysal ışık düzenleyicilerinde optiksel izleme uygulamalarında lazeri tekrar könfigüre etmek için ve çoğaltmak için mikro biyolojik cisimlerle kullanılmaktadırlar.

Işın saptama

Lazer ışınının konumunun sabitlenmesi için basit bir örnek geniş serbest uzay optiksel iletişim sistemlerinde görülmektedirler. Fourier optikleri ise bunların hem yönünü hem de konumunu kontrol etmektedirler. Gerçek ışın ise fotodiyotlarla ölçülmüştür. Bunun sinyali bazı analogdan dijitale çeviricilerle beslenerek ve mikrokontrol cihazlarıyla PID algoritmalarını yürütmektedir. Kontrol eden cihaz bazı dijitalden analoga dönüştürücüleri, aynalara entegre edilen tekleyerek çalışan motorları da çalıştırmaktadır.

Eğer ışın 4'lü kuadrant diyotunda merkezileşirse, hiçbir analog-dijital çevirici bu esnada kullanılmaz. Operasyon yükselticileri yeterlidir.

Kaynakça

1. Beckers, J.M. (1993). "Adaptive Optics for Astronomy: Principles, Performance, and Applications". Annual Review of Astronomy and Astrophysics 31 (1): 13–62. Bibcode:1993ARA&A..31...13B. doi:10.1146/annurev.aa.31.090193.000305
2. Booth, Martin J (15 December 2007). "Adaptive optics in microscopy" (PDF). Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 365 (1861): 2829–2843. Bibcode:2007RSPTA.365.2829B
3. Booth, Martin J.; Schwertner, Michael; Wilson, Tony; Nakano, Masaharu; Kawata, Yoshimasa; Nakabayashi, Masahito; Miyata, Sou (1 January 2006). "Predictive aberration correction for multilayer optical data storage" (PDF). Applied Physics Letters 88 (3): 031109. Bibcode:2006ApPhL..88c1109B. doi:10.1063/1.2166684. Retrieved
4. Roorda, A; Williams, DR (2001). "Retinal imaging using adaptive optics". In MacRae, S; Krueger, R; Applegate, RA. Customized Corneal Ablation: The Quest for SuperVision. SLACK, Inc. pp. 11–32. ISBN 1-55642-625-9.
5. "Improved Adaptive Optics Mirror Delivered". ESO Announcement. Retrieved 6 February 2014.
6. "'Adaptive optics' come into focus". BBC. 18 February 2011. Retrieved 24 June 2013.
7. Joe Palca (24 June 2013). "For Sharpest Views, Scope The Sky With Quick-Change Mirrors". NPR. Retrieved 24 June 2013.
8. Watson, Jim. Tip-Tilt Correction for Astronomical Telescopes using Adaptive Control (PDF). Wescon – Integrated Circuit Expo 1997.