Óptica adaptativa

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La óptica adaptativa ( OA ) es una técnica de deformación precisa de un espejo para compensar la distorsión de la luz. Se utiliza en telescopios astronómicos ^[1] y sistemas de comunicación láser para eliminar los efectos de la distorsión atmosférica , en microscopía ^{[2] ,} fabricación óptica ^[3] y en sistemas de imágenes de retina ^[4] para reducir las aberraciones ópticas . La óptica adaptativa funciona midiendo las distorsiones en un frente de onda y compensándolas con un dispositivo que corrige esos errores, como un espejo deformable o una matriz de cristal líquido .

La óptica adaptativa no debe confundirse con la óptica activa , que trabaja en una escala de tiempo más larga para corregir la geometría del espejo primario.

Otros métodos pueden lograr un poder de resolución que exceda el límite impuesto por la distorsión atmosférica, como la obtención de imágenes moteadas , la síntesis de apertura y la obtención de imágenes afortunadas , o moviéndose fuera de la atmósfera con telescopios espaciales , como el telescopio espacial Hubble .

La óptica adaptativa fue concebida por primera vez por Horace W. Babcock en 1953, ^{[6] [7]} y también se consideró en la ciencia ficción, como en la novela Tau Zero (1970) de Poul Anderson , pero no se volvió de uso común hasta que los avances en la tecnología informática durante la década de 1990 hicieron que la técnica fuera práctica.

Parte del trabajo de desarrollo inicial sobre óptica adaptativa fue realizado por el ejército estadounidense durante la Guerra Fría y estaba destinado a ser utilizado para rastrear satélites soviéticos . ^[8]

Los espejos deformables y el concepto magnético de los sistemas microelectromecánicos (MEMS) son actualmente la tecnología más utilizada en aplicaciones de conformación de frente de onda para óptica adaptativa dada su versatilidad, recorrido, madurez de la tecnología y la corrección de frente de onda de alta resolución que permiten.

La forma más simple de óptica adaptativa es la corrección de inclinación y punta [ ^9] , que corresponde a la corrección de las inclinaciones del frente de onda en dos dimensiones (equivalente a la corrección de los desplazamientos de posición de la imagen). Esto se realiza utilizando un espejo de inclinación y punta que se mueve rápidamente y hace pequeñas rotaciones alrededor de dos de sus ejes. De esta manera se puede eliminar una fracción significativa de la aberración introducida por la atmósfera ^{[10] .}

Los espejos basculantes son espejos segmentados que tienen un solo segmento que puede inclinarse y voltearse, en lugar de tener una matriz de múltiples segmentos que pueden inclinarse y voltearse de forma independiente. Debido a la relativa simplicidad de estos espejos y a que tienen un gran recorrido, lo que significa que tienen un gran poder de corrección, la mayoría de los sistemas AO los utilizan, en primer lugar, para corregir aberraciones de bajo orden. Las aberraciones de orden superior pueden corregirse luego con espejos deformables. ^[10]

Cuando la luz de una estrella u otro objeto astronómico entra en la atmósfera de la Tierra, la turbulencia atmosférica (introducida, por ejemplo, por la interacción de diferentes capas de temperatura y diferentes velocidades del viento) puede distorsionar y mover la imagen de diversas maneras. ^[11] Las imágenes visuales producidas por cualquier telescopio de más de aproximadamente 20 centímetros (0,20 m; 7,9 pulgadas) se ven borrosas por estas distorsiones.

Un sistema de óptica adaptativa intenta corregir estas distorsiones , utilizando un sensor de frente de onda que toma parte de la luz astronómica, un espejo deformable que se encuentra en el camino óptico y una computadora que recibe información del detector. ^[12] El sensor de frente de onda mide las distorsiones que la atmósfera ha introducido en la escala de tiempo de unos pocos milisegundos ; la computadora calcula la forma óptima del espejo para corregir las distorsiones y la superficie del espejo deformable se remodela en consecuencia. Por ejemplo, un telescopio de 8 a 10 metros (800 a 1000 cm; 310 a 390 pulgadas) (como el VLT o el Keck ) puede producir imágenes corregidas por OA con una resolución angular de 30 a 60 milisegundos de arco (mas) en longitudes de onda infrarrojas , mientras que la resolución sin corrección es del orden de 1 segundo de arco .}

Para realizar la corrección de la óptica adaptativa, la forma de los frentes de onda entrantes debe medirse en función de la posición en el plano de apertura del telescopio. Normalmente, la apertura circular del telescopio se divide en una matriz de píxeles en un sensor de frente de onda, ya sea utilizando una matriz de lentes pequeñas (un sensor de frente de onda Shack-Hartmann ) o utilizando un sensor de curvatura o pirámide que opera sobre imágenes de la apertura del telescopio. Se calcula la perturbación media del frente de onda en cada píxel. Este mapa pixelado de los frentes de onda se introduce en el espejo deformable y se utiliza para corregir los errores del frente de onda introducidos por la atmósfera. No es necesario que se conozca la forma o el tamaño del objeto astronómico : incluso los objetos del Sistema Solar que no son puntuales se pueden utilizar en un sensor de frente de onda Shack-Hartmann, y la estructura variable en el tiempo en la superficie del Sol se utiliza comúnmente para la óptica adaptativa en los telescopios solares. El espejo deformable corrige la luz entrante para que las imágenes aparezcan nítidas.

Debido a que un objetivo científico suele ser demasiado débil para ser utilizado como estrella de referencia para medir la forma de los frentes de onda ópticos, se puede utilizar en su lugar una estrella guía cercana más brillante . La luz del objetivo científico ha pasado por aproximadamente la misma turbulencia atmosférica que la luz de la estrella de referencia y, por lo tanto, su imagen también está corregida, aunque generalmente con una precisión menor.

La necesidad de una estrella de referencia significa que un sistema de óptica adaptativa no puede funcionar en todas partes del cielo, sino sólo donde se puede encontrar una estrella guía de suficiente luminosidad (para los sistemas actuales, magnitud 12-15) muy cerca del objeto de la observación. Esto limita severamente la aplicación de la técnica para observaciones astronómicas. Otra limitación importante es el pequeño campo de visión sobre el cual la corrección de la óptica adaptativa es buena. A medida que aumenta la distancia angular desde la estrella guía, la calidad de la imagen se degrada. Una técnica conocida como "óptica adaptativa multiconjugada" utiliza varios espejos deformables para lograr un mayor campo de visión. ^[13]

Una alternativa es el uso de un rayo láser para generar una fuente de luz de referencia (una estrella guía láser , LGS) en la atmósfera. Hay dos tipos de LGS: estrellas guía Rayleigh y estrellas guía de sodio . Las estrellas guía Rayleigh funcionan propagando un láser , generalmente en longitudes de onda cercanas al ultravioleta , y detectando la retrodispersión del aire a altitudes entre 15 y 25 km (49 000 y 82 000 pies). Las estrellas guía de sodio utilizan luz láser a 589 nm para excitar resonantemente los átomos de sodio más arriba en la mesosfera y la termosfera , que luego parecen "brillar". La LGS se puede utilizar entonces como referencia de frente de onda de la misma manera que una estrella guía natural, excepto que las estrellas de referencia naturales (mucho más débiles) siguen siendo necesarias para la información de la posición de la imagen (inclinación). Los láseres a menudo son pulsados, y la medición de la atmósfera se limita a una ventana que ocurre unos pocos microsegundos después de que se haya lanzado el pulso. Esto permite que el sistema ignore la mayor parte de la luz dispersa a nivel del suelo; En realidad, sólo se detecta la luz que ha viajado durante varios microsegundos a gran altura en la atmósfera y de regreso.

Las aberraciones oculares son distorsiones en el frente de onda que pasa a través de la pupila del ojo . Estas aberraciones ópticas disminuyen la calidad de la imagen formada en la retina, a veces haciendo necesario el uso de anteojos o lentes de contacto . En el caso de las imágenes de la retina, la luz que sale del ojo conlleva distorsiones similares del frente de onda, lo que conduce a una incapacidad para resolver la estructura microscópica (células y capilares) de la retina. Los anteojos y las lentes de contacto corrigen las "aberraciones de bajo orden", como el desenfoque y el astigmatismo , que tienden a ser estables en los humanos durante largos períodos de tiempo (meses o años). Si bien la corrección de estas es suficiente para el funcionamiento visual normal, generalmente es insuficiente para lograr una resolución microscópica. Además, las "aberraciones de alto orden", como el coma, la aberración esférica y el trébol, también deben corregirse para lograr una resolución microscópica. Las aberraciones de orden alto, a diferencia de las de orden bajo, no son estables en el tiempo y pueden cambiar en escalas de tiempo de 0,1 s a 0,01 s. La corrección de estas aberraciones requiere una medición y compensación continuas de alta frecuencia.

Las aberraciones oculares se miden generalmente utilizando un sensor de frente de onda , y el tipo de sensor de frente de onda más comúnmente utilizado es el Shack-Hartmann . Las aberraciones oculares son causadas por falta de uniformidad de fase espacial en el frente de onda que sale del ojo. En un sensor de frente de onda Shack-Hartmann, estas se miden colocando una matriz bidimensional de lentes pequeñas (lentillas) en un plano pupilar conjugado con la pupila del ojo, y un chip CCD en el plano focal posterior de las lentillas. Las lentillas hacen que los puntos se enfoquen en el chip CCD, y las posiciones de estos puntos se calculan utilizando un algoritmo de centrado. Las posiciones de estos puntos se comparan con las posiciones de los puntos de referencia, y los desplazamientos entre los dos se utilizan para determinar la curvatura local del frente de onda, lo que permite reconstruir numéricamente la información del frente de onda, una estimación de las faltas de uniformidad de fase que causan la aberración .

Una vez que se conocen los errores de fase locales en el frente de onda, se pueden corregir colocando un modulador de fase, como un espejo deformable, en otro plano del sistema conjugado con la pupila del ojo. Los errores de fase se pueden utilizar para reconstruir el frente de onda, que luego se puede utilizar para controlar el espejo deformable. Alternativamente, los errores de fase locales se pueden utilizar directamente para calcular las instrucciones del espejo deformable.

Si el error del frente de onda se mide antes de que haya sido corregido por el corrector de frente de onda, entonces se dice que la operación es de "bucle abierto".

Si el error del frente de onda se mide después de que el corrector del frente de onda lo haya corregido, se dice que el funcionamiento es de "bucle cerrado". En este último caso, los errores del frente de onda medidos serán pequeños y es más probable que se eliminen los errores en la medición y la corrección. La corrección de bucle cerrado es la norma.

La óptica adaptativa se aplicó por primera vez a la obtención de imágenes de retina con iluminación de inundación para producir imágenes de conos individuales en el ojo humano vivo. También se ha utilizado junto con la oftalmoscopia láser de barrido para producir (también en ojos humanos vivos) las primeras imágenes de la microvasculatura retiniana y el flujo sanguíneo asociado y las células del epitelio pigmentario de la retina, además de conos individuales. Combinada con la tomografía de coherencia óptica , la óptica adaptativa ha permitido obtener las primeras imágenes tridimensionales de fotorreceptores de conos vivos . ^[14]

En microscopía, se utiliza la óptica adaptativa para corregir las aberraciones inducidas por la muestra. ^[15] La corrección del frente de onda requerida se mide directamente utilizando un sensor de frente de onda o se estima utilizando técnicas de AO sin sensores.

Además de su uso para mejorar la obtención de imágenes astronómicas nocturnas y de retina, la tecnología de óptica adaptativa también se ha utilizado en otros ámbitos. La óptica adaptativa se utiliza para la astronomía solar en observatorios como el Telescopio Solar Sueco de 1 m , el Telescopio Solar Dunn y el Observatorio Solar Big Bear . También se espera que desempeñe un papel militar al permitir que las armas láser terrestres y aéreas alcancen y destruyan objetivos a distancia, incluidos satélites en órbita. El programa de láser aerotransportado de la Agencia de Defensa de Misiles es el principal ejemplo de esto.

La óptica adaptativa se ha utilizado para mejorar el rendimiento de los sistemas de comunicación óptica de espacio libre clásicos ^{[17] [18]} y cuánticos ^{[19] [20]} y para controlar la salida espacial de las fibras ópticas. ^[21]

Las aplicaciones médicas incluyen la obtención de imágenes de la retina , donde se ha combinado con la tomografía de coherencia óptica . ^[22] Además, el desarrollo del oftalmoscopio láser de barrido óptico adaptativo (AOSLO) ha permitido corregir las aberraciones del frente de onda que se refleja en la retina humana y tomar imágenes limitadas por difracción de los bastones y conos humanos. ^[23] También se están desarrollando ópticas adaptativas y activas para su uso en gafas para lograr una visión mejor que 20/20 , inicialmente para aplicaciones militares. ^[24]

Después de la propagación de un frente de onda, partes de este pueden superponerse, lo que genera interferencias e impide que la óptica adaptativa lo corrija. La propagación de un frente de onda curvado siempre genera una variación de amplitud. Esto debe tenerse en cuenta si se desea lograr un buen perfil de haz en aplicaciones láser. En el procesamiento de materiales con láseres, se pueden realizar ajustes sobre la marcha para permitir la variación de la profundidad de enfoque durante la perforación para cambios en la longitud focal a lo largo de la superficie de trabajo. El ancho del haz también se puede ajustar para cambiar entre el modo de perforación y corte. ^[25] Esto elimina la necesidad de cambiar la óptica del cabezal láser, lo que reduce el tiempo de procesamiento general para modificaciones más dinámicas.

La óptica adaptativa, especialmente los moduladores de luz espacial con codificación de frente de onda, se utilizan con frecuencia en aplicaciones de captura óptica para multiplexar y reconfigurar dinámicamente los focos láser que se utilizan para micromanipular muestras biológicas.

Un ejemplo bastante simple es la estabilización de la posición y la dirección del haz láser entre módulos en un gran sistema de comunicación óptica en el espacio libre. La óptica de Fourier se utiliza para controlar tanto la dirección como la posición. El haz real se mide mediante fotodiodos . Esta señal se envía a convertidores analógicos a digitales y luego a un microcontrolador que ejecuta un algoritmo de controlador PID . El controlador luego acciona convertidores digitales a analógicos que impulsan motores paso a paso unidos a soportes de espejos .

Si el haz se centra en diodos de 4 cuadrantes, no se necesita ningún convertidor analógico-digital . Los amplificadores operacionales son suficientes.

• Óptica activa
• Gafas con enfoque ajustable
• Diámetro angular
• Tamaño angular
• Corrección atmosférica (para imágenes satelitales de la Tierra)
• Claire Max , pionera de la óptica adaptativa
• Espejo deformable
• Frecuencia de Greenwood
• Holografía: holografía en tiempo real
• Estabilización de imagen
• Lista de piezas y construcción del telescopio
• Óptica no lineal: conjugación de fases ópticas
• Teorema de Van Cittert-Zernike # Óptica adaptativa
• Frente de onda
• Sensor de frente de onda
• William Happer , pionero de la óptica adaptativa

• Duffner, Robert W.; Fugate, Robert Q. (2009). La revolución de la óptica adaptativa: una historia . University of New Mexico Press. ISBN 978-0-8263-4691-9.
• Thomas H. Rimmele; Jose Marino (2011). "Óptica solar adaptativa". Living Rev. Sol. Phys . 8 (2): 2. Bibcode :2011LRSP....8....2R. doi : 10.12942/lrsp-2011-2 . PMC  4841189 . PMID  27194964.
• Tyson, Robert (2010). Principios de óptica adaptativa (tercera edición). Taylor & Francis. Bibcode :1991pao..book.....T. ISBN 978-1-4398-0858-0.
• Roddier, François (noviembre de 2004). François Roddier (ed.). Óptica adaptativa en astronomía . Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press. p. 419. Bibcode :2004aoa..book.....R. ISBN 978-0-521-61214-2.

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Óptica adaptativa .

• 10º Taller internacional sobre óptica adaptativa para la industria y la medicina, Padua (Italia), 15-19 de junio de 2015
• Tutorial de Óptica Adaptativa en CTIO A. Tokovinin
• Grupos de investigación y empresas con intereses en Óptica Adaptativa
• Telescopios espaciales y terrestres con óptica adaptativa
• Diez años de óptica adaptativa para el VLT (ESO: ann11078: 25 de noviembre de 2011)
• Centro de Óptica Adaptativa