جلب الكون المرئي في التركيز مع روبو-AO

Summary

يجب الضوء من الأجسام الفلكية السفر عبر الغلاف الجوي للأرض المضطرب قبل ولا يمكن تصوير من قبل التلسكوبات الأرضية. لتمكين التصوير المباشر في قرار الحد الأقصى الزاوي النظرية، لا بد من استخدام تقنيات متقدمة مثل تلك المستخدمة من قبل النظام والبصريات التكيفية روبو-AO.

Abstract

يقتصر القرار الزاوي من التلسكوبات الأرضية البصرية من آثار المهينة من الغلاف الجوي المضطرب. في حالة عدم وجود الغلاف الجوي، ويقتصر القرار الزاوي للتلسكوب نموذجية فقط الحيود، أي الطول الموجي للاهتمام، λ، مقسوما على حجم الفتحة مرآة الرئيسي لل، D. على سبيل المثال، تلسكوب هابل الفضائي (HST)، مع مرآة 2.4 متر الأولية، لديه قرار الزاوي في الأطوال الموجية المرئية الثواني ~ قوس 0.04. ويتكون الغلاف الجوي من الهواء عند درجات حرارة مختلفة قليلا، ومؤشرات مختلفة ولذلك الانكسار، خلط باستمرار. ويعكف موجات الضوء لأنها تمر عبر الغلاف الجوي غير متجانسة. عندما تلسكوب على الأرض وتركز هذه الموجات الضوئية والصور الفورية تظهر مجزأة، وتغيير بوصفها وظيفة من الزمن. ونتيجة لذلك، حصلت طويلة التعرض الصور باستخدام التلسكوبات الأرضية - حتى مع التلسكوبات بقطر أربعة أضعافالعطر من HST - تظهر ضبابية، ويكون لها القرار الزاوي ثانية قوسية تقريبا 0،5 حتي 1،5 في أحسن الأحوال.

والبصريات التكيفية الفلكية نظم تعويض عن تأثير الاضطرابات الجوية. أولا، يتم تحديد شكل الموجة غير مستو واردة باستخدام قياسات النجوم القريبة من مشرق جهاز استشعار واجهة الموجة. المقبل، وأمر عنصرا في النظام البصري، مثل مرآة تشوه، لتصحيح شكل موجة الضوء واردة. يتم إجراء التصحيحات إضافية وذلك بمعدل يكفي لمواكبة الأجواء المتغيرة بشكل حيوي من خلال التلسكوب الذي يبدو، في نهاية المطاف انتاج حيود محدودة الصور.

ويستند على الاخلاص من واجهة الموجة قياس الاستشعار على مدى والمكان والزمان عينات ضوء واردة ^1. أخذ العينات أدق الأشياء يتطلب أكثر إشراقا المرجعية. في حين يمكن ألمع نجوم بمثابة مرجعية للكائنات الأهداف التصوير من عدة عشراتثانية قوسية بعيدا في أفضل الظروف والأهداف الفلكية الأكثر إثارة للاهتمام ليس لديهم النجوم الساطعة بما فيه الكفاية في مكان قريب. حل واحد هو التركيز شعاع ليزر عالية الطاقة في اتجاه الهدف الفلكية لإنشاء مرجع الاصطناعية من الشكل المعروف، والمعروف أيضا باسم "نجمة دليل الليزر. و-AO الليزر روبو نظام البصريات التكيفية ^2،3 يستخدم الليزر الأشعة فوق البنفسجية 10-W ركزت على مسافة 10 كم لتوليد نجم دليل الليزر. قياسات الاستشعار واجهة الموجة للنجم دليل الليزر قيادة التصحيح البصريات التكيفية مما أدى إلى حيود محدودة الصور التي لها القرار الزاوي ~ ثانية قوسية على 0،1 تلسكوب 1.5 متر.

Introduction

وقد أقر لأول مرة تأثير الاضطرابات الجوية على التصوير الفلكي قرون مضت بواسطة كريستيان هيغنز ⁴ و إسحاق نيوتن ^5. ونشرت أول المفاهيمي التكيف البصريات تصاميم للتعويض عن تأثير الاضطرابات بشكل مستقل من قبل شركة بابكوك هوراس ⁶ و ⁷ فلاديمير Linnik في 1950s. وزارة الدفاع الأمريكية بتمويل ثم تطوير النظم على التكيف والبصريات 1 في 1970s لغرض التصوير الاقمار الخارجية أثناء الحرب الباردة ^8. بذل المجتمع المدني الفلكية نظم التقدم النامية في 1980s، ومع ذلك، بعد رفع السرية عن الأبحاث العسكرية على البصريات التكيفية في عام 1992 (المرجع ^9)، كان هناك انفجار في عدد وتعقيد النظم الفلكية ^10.

الغالبية العظمى من التلسكوبات نحو 20 مرئية وتحت الحمراء اليوم مع فتحات أكبر من 5 متر هي equippeد التكيف مع النظم البصرية (الحكام مثلا. ^11-19). كما تصبح أكبر التلسكوبات، وبالتالي أكثر قدرة على جمع الضوء، وهناك مزيد من المكاسب في القرار والحساسية عند استخدام البصريات التكيفية. للأسف، واسعة على التكيف التلسكوب البصرية أنظمة معقدة للغاية وتقتصر في عملها على موجات الأشعة تحت الحمراء القريبة بسبب التكنولوجيا الحالية، بل تتطلب فرق من موظفي الدعم، وغالبا مع مراعاة النفقات العامة الكبيرة، والوصول إلى هذه الموارد النادرة والقيمة أيضا محدودة.

في الطرف الآخر من الطيف حجم، وهناك أيضا أكثر من مائة التلسكوبات في فئة متر 1-3، ولكن يتم تركيبها عدد قليل جدا من هذه مع عدسات التكيف. تصحيح الاضطراب في الغلاف الجوي، حتى في أقصر الأطوال الموجية المرئية، ويصبح لين العريكة مع التكنولوجيا الحالية على هذه التلسكوبات الصغيرة لأنها تبدو من خلال حجم أصغر بكثير من الاضطراب في الغلاف الجوي (الشكل 1). المبلغ الإجمالي للI-الاضطراباتnduced جداول الخطأ البصرية متناسب تقريبا مع مرآة قطرها تلسكوب الابتدائية وعكسيا مع الطول الموجي مراقبة. يمكن استخدام نفس التكنولوجيا والبصريات التكيفية التي يتم استخدامها مع الأشعة تحت الحمراء القريبة من الضوء على أكبر التلسكوبات مع الضوء المرئي على متواضعة الحجم التلسكوبات. بالإضافة إلى ذلك، العديد من التلسكوبات إما بهذا الحجم يتم تحديثه وتعديله (المرجع على سبيل المثال. ²⁰⁾ أو بنيت حديثا مع قدرات الروبوتية تماما، بعيد و / أو مستقلة (على سبيل المثال المرجع ^21)، زيادة كبيرة في الفعالية من حيث التكلفة لهذه المرافق. اذا كان مزودا البصريات التكيفية، فإن هذه التلسكوبات توفير منصة قوية لمتابعة العديد من مجالات العلوم الفلكية التي هي على خلاف ذلك غير عملي أو مستحيلا مع تلسكوب كبير والبصريات التكيفية نظم ^22. حيود محدودة من الدراسات الاستقصائية استهدفت عشرات الآلاف من أهداف ^23،24، رصد طويل الأجل ^25،26، وتوصيف عابر السريع في مجالات مزدحمة ²7، من الممكن مع البصريات التكيفية على هذه الفتحات متواضعة.

لاستكشاف هذه المساحة اكتشاف جديد، وقد صممت ونفذت ونحن اقتصادية جديدة والبصريات التكيفية نظام لل 1-3 متر فئة التلسكوبات، AO-روبو (المراجع ^2،3؛ الشكل 2). كما هو الحال مع غيرها من نظم التكيف والبصريات الليزر، روبو-AO تضم أنظمة رئيسية عدة: نظام ليزر؛ مجموعة من الالكترونيات، وأداة محمولة على التركيز Cassegrain التلسكوب في (وراء المرآة الأولية؛ الشكل 3) الذي يضم عالية السرعة مصراع الضوئية، وأجهزة الاستشعار واجهة الموجة، المصححين واجهة الموجة، وأدوات العلم ومصادر المعايرة. تصميم روبو-AO صفها هنا يوضح كيف نموذجي ليزر والبصريات التكيفية يعمل النظام من الناحية العملية.

جوهر نظام ليزر روبو-AO هو Q-الليزر فوق البنفسجية تحول 10-W شنت في تجميع جهاز العرض المغلقة على جانب التلسكوب. بدءا من الليزر نفسه، ليزرالعرض يتضمن ثم مصراع زائدة عن الحاجة، بالإضافة إلى مصراع الليزر الداخلية، للسلامة إضافية؛ لوحة نصف موجة لضبط زاوية الاستقطاب الخطي المتوقع، وتلميح إمالة المرآة الإرسال إلى كل من استقرار شعاع الليزر الظاهر موقف على السماء والثنية لتصحيح التلسكوب. عدسة محدبة ثنائية على مرحلة التركيز قابل للتعديل يوسع شعاع الليزر لملء خرج 15 سم فتحة عدسة، الذي المتقارن بصريا إلى المرآة بلاغ الخيمة. العدسة الناتج يركز ضوء الليزر لمسافة خط البصر من 10 كم. كما نبضات الليزر (~ 35 ميكرو ثانية NS طويلة كل 100) نشر عبر الغلاف الجوي بعيدا عن جهاز العرض، ونسبة ضئيلة من الفوتونات قبالة مبعثر رايلي جزيئات الهواء والعودة نحو تلسكوب (الشكل 2B). الفوتونات العودة متفرقة تنشأ على طول مسار التصاعدي كامل من الليزر، وعلى ما يبدو خلاف ذلك كما يشكل حلقة في سلسلة من شأنه أن يجعل القياسات واجهة الموجة غير دقيقة. في معاهد والبصريات التكيفيةيستخدم rument، خلية Pockels عالية السرعة الضوئية مصراع ²⁸ إلى نقل ضوء الليزر العودة فقط من شريحة ضيقة فقط من الغلاف الجوي حول التقريب 10 كم العرض، مما أدى إلى ظهور الليزر كبقعة. والدافع التحول من الخلية Pockels من الساعة ماجستير نفس الليزر نابض، مع تأخير لحساب الوقت ذهابا وإيابا من نبضة ليزر من خلال الغلاف الجوي. في نهاية المطاف، تم الكشف عن واحد فقط في كل الفوتونات التي أطلقها تريليون الاستشعار واجهة الموجة. وحتى مع ذلك، فإن هذا التدفق اشعاعا كافية لتشغيل النظام على التكيف والبصريات.

ليزر الأشعة فوق البنفسجية لها فائدة إضافية تتمثل في كونها غير مرئية للعين البشرية، يرجع أساسا إلى امتصاص في القرنية والعدسة ^29. على هذا النحو، فإنه غير قادر على فلاش التعمية الطيارين ويعتبر نظام الليزر من الفئة 1 (أي غير قادرة على إنتاج مستويات الإشعاع الضارة أثناء التشغيل ومعفاة من أي تدابير الرقابة ³⁰⁾ لذلك ممكناالتعرض للأشخاص في تحلق فوق، مما يلغي الحاجة لراصدي الإنسان يقع في الموقع كما هو مطلوب عادة من قبل هيئة الطيران الاتحادية في الولايات المتحدة ^31. للأسف، قد امكانية ليزر لإتلاف بعض الأقمار الصناعية في المدار الأرضي المنخفض موجود. لهذا السبب، فمن المستحسن لمخاوف تتعلق بالسلامة والمسؤولية على حد سواء لتنسيق الأنشطة مع وكالة الليزر المناسب (على سبيل المثال مع الاستراتيجية الأميركية القيادة (القيادة الاستراتيجية الأمريكية) داخل الولايات المتحدة ^32).

ومن المعروف أن أجهزة الاستشعار واجهة الموجة والذي يقيس ضوء الليزر الواردة في الصك Cassegrain روبو-AO كجهاز استشعار شاك ^{هارتمان-33،} وتضم مجموعة lenslet، والتتابع البصري والتصوير الاستشعار. مجموعة lenslet عنصر الانكسار الضوئي، شقة على جانب واحد، مع شبكة من مربعة الشكل المحدب العدسات على الجانب الآخر. وهو موجود على موقع المتقارن بصريا إلى تلميذ مدخل للتلسكوب. عندما 'ضوء العودة "من اله الليزر يمر عبر مجموعة lenslest، يتم إنشاء الصور من الليزر على السماء في تركيز كل من العدسات في مجموعة (الشكل 4). ثم يتم هذا النمط من الصور ليزر ترحيل بصريا إلى UV-الأمثل التكاليف إلى جانب كاميرا (CCD) الجهاز. موقف س ص الوحشي من كل صورة يعطي قدرا من التدرج المحلية أو 'المنحدر' موجة الضوء من خلال العدسة كل من الصفيف. نسبة الإشارة إلى الضوضاء من كل قياس الموقف مع روبو-AO تتراوح من 6 إلى ظروف اعتمادا على زاوية رؤية وزينيث 10 (6.5 الإلكترونات من الضوضاء كاشف في كل أربعة بكسل مع إشارة تتراوح 100 حتي 200 الالكترونات الضوءيه لكل صورة في القياس).

ثم يتم حساب الشكل العام للموجة الضوء عن طريق ضرب المنحدرات تقاس مصفوفة واجهة الموجة reconstructor قبل محسوب. يتم إنشاء مصفوفة reconstructor بجعل أول نموذج للهندسة التلميذ الذي هو شبه مقسوما على مجموعة lenslet. فرد العادي اورثو أساسوأدرك أكثر من النموذج و2-D المربعات الصغرى حل للطائرة أنسب عبر كل عدسة؛ ظائف (المرجع ³⁴ وظائف القرص في هذه الحالة التوافقية إلى النظام شعاعي ^ال 11، أي ما مجموعه من 75 وظائف). ويحسب في الصفيف. في حين أن هذا لترسم التدرج المتوسط، والفرق لا يكاد يذكر من الناحية العملية، مع الاستفادة من التعامل مع بسهولة هندسة العدسات مضيئة جزئيا على حواف التلميذ المتوقعة. الناتج هكذا مصفوفة التأثير الذي يحول سعة وحدة لكل وظيفة مع المنحدر أساس تعويض عن كل عدسة. ثم يتم إنشاء مصفوفة reconstructor من خلال اتخاذ الزائفة معكوس المصفوفة التأثير باستخدام تجزئ القيمة المنفردة. مرة واحدة ومن المعروف أن شكل موجة الضوء من حيث معاملات مجموعة الأساس، يمكن قيادتها على شكل معكوس تعويضية على واجهة الموجة مصحح ذات الترتيب العالي. عملية اتخاذ القياس، ثم تطبيق التصحيح، وتكرار هذه الدورةمرارا وتكرارا، هو مثال على حلقة ضبط يتجزأ. روبو-AO تنفيذ الرقابة حلقة بمعدل قدره 1.2 كيلوهرتز، اللازمة لمواكبة ديناميات الغلاف الجوي. يتم تطبيق عامل المقياس (المعروف أيضا باسم الربح من الحلقة لمراقبة يتجزأ) من أقل من 1، وعلى مقربة عادة إلى 0.6، للإشارة تصحيح للحفاظ على الاستقرار في حلقة التحكم وتقليل الخطأ لا تزال متبقية من تصحيح ضوء.

مصحح واجهة الموجة عالية النظام داخل روبو-AO هو الصغيرة الكهربائية والميكانيكية نظم (MEMS) مرآة تشوه ^35. روبو-AO يستخدم 120 المحركات لضبط سطح مضيئة من المرآة، كافية في القرار المكانية بدقة لتناسب شكل محسوبة تصحيح. والمحركات على أقصى انحراف سطح السعة من 3.5 ميكرون والتي تتطابق مع التعويض المرحلة الضوئية تصل إلى 7 ميكرومتر. في الظروف الجوية المعتادة في المراصد الفلكية، وهذا التعويض هو طول أكبر من 5 سيجما للبفعل اتساع الاضطرابات البصرية والخطأ في النتائج وبالتالي الإرتفاع تصحيح كبيرة. وعلاوة على ذلك، يمكن للمرآة تشوه تعويض عن الأخطاء البصرية الثابتة الناشئة عن الصك والتلسكوب على حساب النطاق الديناميكي مخفضة.

واحد لدقة باستخدام الليزر وتحقيقا للغلاف الجوي هو عدم قدرتها على قياس الحركة الفلكية الصورة ^36. وينظر ضوء الليزر عودته من موقف تقريبا نفس التي من المتوقع أن تظهر، وبالتالي يجب دائما في نفس الموقع على السماء. ويهيمن أية الخيمة الشاملة قياس في موجة ضوء الليزر العودة من أجهزة الاستشعار واجهة الموجة من الأخطاء الميكانيكية لافتا. يتم استخدام إشارة الخيمة لدفع نظام ليزر في الإرسال بلاغ الخيمة مرآة، وبالتالي الحفاظ على نمط الكوخ-هارتمان تركزت على استشعار واجهة الموجة. تصحيح الصورة الفلكية الحركة تتم معالجة بشكل منفصل مع العلم الكاميرات كما هو موضح أدناه.

روبو-AO يستخدم4 خارج المحور مكافئ (OAP) المرايا لضوء التتابع من التلسكوب إلى الكاميرات العلوم achromatically (الشكل 3). مسار تتابع سريع يتضمن معلومات سرية الخيمة مرآة تصحيح فضلا عن مصحح التشتت الجوي (ADC) ³⁷ يتألف من زوج من الدورية رشة عمل. وADC يحل مسألة معينة تتعلق مراقبة الكائنات عبر الغلاف الجوي التي ليست مباشرة فوق: الغلاف الجوي بمثابة المنشور وينكسر الضوء بوصفها وظيفة من الطول الموجي، مع التأثير الكلي تزداد قوة كما يشير التلسكوب أقل في الارتفاع، مما تسبب في صور - وخاصة تلك التي تم شحذ بواسطة تصحيح البصريات التكيفية - لتظهر ممدود في الاتجاه الطبيعي إلى الأفق. يمكن للADC إضافة مبلغ العكس من تشتت الضوء إلى واردة، على نحو فعال يلغي تأثير التشتت في الغلاف الجوي المنشورية (الشكل 5). في نهاية التتابع OAP هو مزدوج اللون واضحة على أن يعكس ضوء λ <950 نانومتر إلى الإلكترون تتضاعف التكاليف إلى جانب الكاميرا (EMCCD) الجهاز أثناء يحيل ضوء الأشعة تحت الحمراء نحو كاميرا الأشعة تحت الحمراء. الكاميرا EMCCD لديه القدرة على التقاط الصور مع إلكترونية منخفضة جدا (كاشف) ^38،39 الضوضاء، بمعدل الإطار مما يقلل من الحركة داخل الصورة أدناه التعرض لهذا القرار حيود محدودة الزاوي. بواسطة تتمحور إعادة التراص وسلسلة من هذه الصور، يمكن توليفها صورة التعرض الطويل مع عقوبة الحد الأدنى من الضوضاء. يمكن أيضا أن تستخدم كاميرا EMCCD لتحقيق الاستقرار في حركة الصورة على كاميرا الأشعة تحت الحمراء، ويمكن استخدام وحدات القياس لموقف لمصدر الفلكية المصورة لقيادة باستمرار بسرعة بلاغ الخيمة لإعادة نقطة الصورة إلى الموقع المطلوب. قبل كل كاميرا هي عبارة عن مجموعة من العجلات تصفية مع مجموعة مناسبة من المرشحات الفلكية.

تم دمج جهاز محاكاة المنظار ومصدر داخلي في النظام روبو-AO كأداة المعايرة. يمكن أن الأشعة فوق البنفسجية في وقت واحد محاكاةالليزر في التركيز على بعد 10 كم ومصدر الأسود في اللانهاية، ومطابقة نسبة التلسكوب المضيف التنسيق والخروج موقف التلميذ. المرآة 1 أضعاف في غضون روبو-AO يوجه الضوء من جميع مرآة التلسكوب في الثانوية لنظام التكيف والبصريات. هي التي شنت أيضا مرآة أضعاف على خشبة المسرح الآلية التي يمكن ترجمتها للخروج من الطريق لكشف التلسكوب الداخلية وجهاز محاكاة المصدر.

بينما يهدف النظام روبو-AO للعمل بطريقة مستقلة تماما، ويمكن تنفيذ كل خطوة من الخطوات العديد من المراقبة البصريات التكيفية يدويا. هذا الإجراء خطوة بخطوة، مع شرح موجز، هو مفصل في القسم التالي.

Protocol

1. قبل رصد الإجراءات

1. تقديم قائمة من الأهداف التي يتعين مراعاتها الفلكية.
2. حساب أوقات التعرض الكلي اللازم لكل هدف للوصول إلى المطلوب الإشارة إلى الضوضاء في نسبة كل عامل تصفية العلمية والجمع بين الكاميرا المطلوب.
3. إحالة لائحة الاهداف التي يتعين مراعاتها الفلكية إلى القيادة الاستراتيجية الأمريكية أكبر من 3 أيام مقدما من الملاحظات. سوف يرسلون إليه رسالة تجنب التنبؤي (PAM) تشير إلى "النوافذ المفتوحة" - العصر آمنة لاستخدام نظام الليزر على طلب كل هدف دون الإضرار المحتمل الأقمار الصناعية.
4. تثبيت نظام AO-روبو على التلسكوب أثناء النهار إذا لم تفعل (مثل روبو-AO على تلسكوب 1.5-P60 م في مرصد بالومار، CA، الشكل 2).
5. ترجمة المرآة 1 أضعاف لكشف التلسكوب الداخلية وجهاز محاكاة المصدر إلى واجهة الموجة الليزر الاستشعار، وبدوره على مصدر الليزر المحاكاة.
6. تسجيل المواقف من الصور ليزر محاكاة على واجهة الموجة كاميرا استشعار. وتستخدم هذه المواقف للقياسات المنحدر مرجعية للاستشعار واجهة الموجة شاك هارتمان، وسيتم طرح من السماء التالية على القياسات. هذا الإجراء معايرة التغيرات الضوئية الصغيرة في محاذاة أداة بسبب تغير درجات الحرارة.
7. العودة المرآة 1 مرات ليصل إلى موضعه الأصلي وإيقاف مصدر الليزر المحاكاة.
8. الاتصال القيادة الاستراتيجية الأمريكية قبل ساعة واحدة مراقبة لاطلاعهم على النشاط المزمع الليل وتلقي أية تحديثات أو تغييرات على PAM.
9. تحويل الليزر فوق البنفسجية 10-W على حين ترك الغالق زائدة مغلقة. نظام التبريد السائل ينظم درجة حرارة مضخات الصمام الثنائي ليزر داخل ويتطلب حوالي ساعة واحدة للاستقرار.
10. تأكد من أن ظروف آمنة لفتح قبة التلسكوب مرة واحدة كان الظلام ما يكفي لمراقبة. وهذا يشمل مجموعة وآمنةلالرطوبة، الندى الاكتئاب نقطة والأمطار وسرعة الرياح، والجسيمات المحمولة جوا.
11. فتح قبة التلسكوب وأشر إلى نجم ساطع نسبيا (م _V ≤ 5) في سماء المنطقة.
12. إعادة تركيز التلسكوب من المواقع المرآة الثانوية التلسكوب حتى نجوم في التركيز التقريبي أفضل (أصغر عرض الصورة). دليل تقدير من صورة حية من واحدة من كاميرات العلم كافية.

2. ذات الترتيب العالي تصحيح التكيفية للبصريات

1. اختيار هدف الفلكية التي لديها طويلة بما فيه الكفاية "نافذة مفتوحة" وفقا لحزب الأصالة والمعاصرة.
2. ضبط منبه للنهاية "نافذة مفتوحة" مع مخزن مؤقت على الأقل 1 دقيقة. إذا كان التنبيه تنفجر خلال المراقبة، وعلى الفور مصراع الليزر.
3. تشير التلسكوب الفلكي لبلوغ هذا الهدف المحدد. تأطير وجوه (ق) في الميدان، نظرا لمن الكاميرات العلم عن طريق ضبط تلسكوب مشيرا حسب الضرورة.
4. تأكد من أن يتم توسيط الإرسال الليزر بلاغ الخيمة مرآة في مجموعتها قبل فتح مصاريع ليزر الداخلية وزائدة عن الحاجة - ليزر على نشر السماء (الشكل 2).
5. تسجيل الثاني من البيانات من واجهة الموجة كاميرا الاستشعار، ما يقرب من 1200 الإطارات، في حين يتم تشغيل الغالق الخلية الضوئية قبالة Pockels.
6. حساب متوسط ​​صورة من هذه البيانات. وسوف تستخدم هذه الخلفية كإطار لطرح أي تحيز الكهربائية أو الضوئية من الصور التي تم التقاطها من قبل واجهة الموجة كاميرا استشعار.
7. تحويل نظام خلية Pockels اثار على مثل هذه التي تنتقل النبضات الليزرية من 10 كم إلى واجهة الموجة الاستشعار.
8. البحث دوامة طرف إمالة المرآة الإرسال حتى نمط الكوخ-هارتمان من الصور ليزر تظهر في واجهة الموجة الكاميرا مستشعر (الشكل 4B). ترك بلاغ الخيمة الإرسال مرآة في الموقف.
9. تسجيل الاستشعار واجهة الموجة الجديدة صورة الخلفية أثناء تشغيل حظات الخلية Pockels سوما يليها. وهذا أمر ضروري كما هو أشار التغييرات الضوئية الخلفية قليلا عن الليزر في اتجاهات مختلفة من المرآة بلاغ الخيمة الإرسال.
10. بدء ذات الترتيب العالي والبصريات التكيفية النظام. في هذه المرحلة بدأ اثنان وضبط الحلقات في وقت واحد، وتستخدم مواقف كل صورة الليزر التي أنشأتها مجموعة lenslet واجهة الموجة الاستشعار لدفع المحركات مرآة تشوه لشد موجات الضوء غير مستو دخول تلسكوب قبل أن تنتشر إلى الكاميرات العلم . كما يستخدم متوسط ​​مرجح للقياسات موقف لقيادة بلاغ الخيمة الإرسال مرآة للحفاظ على وحدانية من نمط الصور بالليزر على واجهة الموجة الاستشعار.

3. مراقبة في الظاهر (مع تصحيح التسجيل بعد الواقع)

1. تعيين موضع من العجلات فلتر لتصفية المطلوب رصد (ق).
2. تعيين زاوية رشة عمل ADC بحيث يتم تصغير المتبقية التشتت في الغلاف الجوي على المنشوريةعلم الصكوك.
3. ضبط الوقت والتعرض حجم الإطار على الكاميرا EMCCD مثل أن هناك ما لا يقل معدل الإطار الإطار نقل هرتز 10 ~، مع 30 هرتز المفضل. والبيانات التي تم التقاطها في هذا المعدل الحد من عادة الحركة داخل الصورة أدناه التعرض لهذا القرار حيود محدودة الزاوي.
4. تعيين مكسب الإلكترون الضرب على الكاميرا EMCCD بحيث الكثافة القصوى من الأهداف ما يقرب من نصف جيدا عمق كاشف أو في الحد الأقصى لقيمة 300 لأهداف خفوتا.
5. للأهداف خافت، وتلك أكبر من حجم ما يقرب من 15 ممتاز، وبطء معدل الإطار من الكاميرا لأسفل حتى EMCCD هناك على الأقل ~ يتم الكشف عن الفوتونات 5-10 في قلب انتشار وظيفة الصورة نقطة. في حين أن هذا يؤدي إلى عدم وضوح الحركة إضافية ضمن أطر الصورة والحد من قرار الزاوي (على سبيل المثال المرجع ^40؛. تقريبا ضعف القرار حيود محدودة على _البحث ~ م 16،5 تاrgets)، يطلب من الفوتونات الأساسية المناسبة لمعالجة العديد من تسجيل ما بعد الواقع.
6. تسجيل مجموعة مستمرة من الصور من الكاميرا حتى EMCCD إجمالي زمن التعرض المتكاملة يساوي الوقت محسوب في 1.2.

4. مراقبة في الأشعة تحت الحمراء (مع تلميح تصحيح إمالة مرئي)

1. تعيين عجلة تصفية أمام الكاميرا EMCCD لمرشح النطاق العريض، أي مسح أو λ> 600nm طويلة تمرير التصفية.
2. لاحظ موقف بكسل للكائن ليتم استخدامها كمصدر دليل بلاغ الخيمة على الكاميرا EMCCD في حين تبحث في صورة حية.
3. تعيين إعدادات الكاميرا لقراءات القيم التالية: بكسل بن بمعامل 4، وتعيين الإطار نقل المنطقة قراءات فرعية الإطار أن يكون ما مجموعه 2 × 2 بكسل اهمال تركزت على موقف لوحظ سابقا.
4. تعيين الإطار الكاميرا EMCCD معدل الربح والإلكترون الضرب لتتناسب مع سطوع الخيمة معلومات سريةتوجيه المصدر. ويفضل A معدل الإطار من 300 هرتز (للحصول على عرض النطاق الترددي تصحيح ضبط حلقة من هرتز 30 ~)، ولكن يمكن تخفيضها حسب الضرورة لكائنات خفوتا على حساب انخفاض تصحيح بلاغ الخيمة الجودة.
5. بدء بلاغ الخيمة ضبط حلقة. وهذا دليل حساب مصدر الوظيفة الحالية وقيادة بسرعة بلاغ الخيمة مرآة تصحيح لدفع موقفها من وسط المنطقة بكسل اهمال.
6. تسجيل الصور من كاميرا الأشعة تحت الحمراء حتى مجموع زمن التعرض المتكاملة يساوي الوقت محسوب في 1.2. وستقتصر أقصى مرات التعرض مرة واحدة فقط من قبل الإطار تشبع من الانبعاثات الأشعة تحت الحمراء، من الصك، السماء أو كائن، أو عن طريق الظلام الحالي من مجموعة الأشعة تحت الحمراء. قد تتراوح بين التعرض أجزاء من الثانية إلى عدة دقائق.

5. نهاية الإجراءات يلة

1. إغلاق قبة التلسكوب والمنظار الإشارة إلى الشاشة المسطحة عند مراقبة كاملة.
2. تحويل قبالة الليزروالاتصال مع القيادة الاستراتيجية الأمريكية موجزا للأنشطة ليلا في غضون 15 دقيقة.
3. تحويل مصباح قبة مسطحة على.
4. تسجيل سلسلة من كامل الإطار الصور على كل من كاميرات الأشعة تحت الحمراء وEMCCD من الإضاءة مسطحة مجال تنتجها مصباح القبة شقة على الشاشة المسطحة لكل مرشح الفلكية المستخدمة أثناء الليل السابق. شدة المجال مسطحة في كل بكسل يمثل مجموع نسبة الكم الكفاءة للتلسكوب، ونظام التكيف والبصريات والفلاتر والكاميرا.
5. تحويل مصباح القبة شقة قبالة والتبديل إلى منع المرشحات أمام كل كاميرا.
6. تسجيل سلسلة من الصور المظلمة على كل من الكاميرات المقابلة لمجموعة من التعرض مرة وصيغ الصور سجلت خلال الليل السابق. يتم استخدام الإطارات لإزالة التحيز الظلام بسبب الظلام الضجيج الحالية والإلكترونية من البيانات المسجلة.
7. ركن التلسكوب.

6. معالجة الصور

1. ج إنشاء واحدة الظلامالصورة alibration من وسيطة من كل سلسلة الصور المسجلة في الظلام 5.6).
2. خلق صورة المعايرة ذي حقل لكل مرشح على كل كاميرا عن طريق حساب متوسط ​​كل سلسلة صورة مسطحة المسجلة في مجال 5.4)، بطرح الصورة المقابلة المعايرة الظلام ومن ثم تقسيم الصورة بأكملها من قيمة بكسل متوسط ​​في الإطار.
3. طرح المناسبة صورة مظلمة والمعايرة القسمة على الصورة المعايرة مسطحة مجال لكل صورة العلم على السماء المسجلة من كاميرات الأشعة تحت الحمراء وEMCCD.
4. إعادة المركز. معايرة الصور العلم من كل المراقبة عن طريق مواءمة ألمع بكسل وإضافة الصور معا لخلق صورة مكدسة ويمكن أيضا إجراءات أكثر تطورا لتحسين الصورة تسجيل استخدامها ^39،41.

النتائج

يتم استخدام الليزر روبو-AO-البصريات التكيفية نظام للتعويض عن الاضطراب في الغلاف الجوي وإنتاج حيود محدودة الدقة في الصور واضحة و . موجات الأشعة تحت الحمراء القريبة الشكل 1A يظهر صورة لنجم لينظر في الضوء الأحمر من خلال الاضطراب في الغلاف الجوي بدون تعويض مع عرض صورة من 1.0 قوس 2 1B الشكل يظهر النجم نفسه بعد التصحيح البصريات التكيفية: عرض صورة تنخفض إلى 0،12 ثانية قوسية ، أكبر قليلا من عرض صورة مثالية من 0،10 ثانية قوسية في هذا الطول الموجي على تلسكوب 1.5 متر. ويمكن رؤية الحلقة الأولى متجدد الهواء، نتيجة لحيود، وحلقة باهتة مثل هيكل في جميع أنحاء الأساسية للصورة. هذا القرار أفضل بكثير، الزاوي تمكن من اكتشاف أنظمة نجمية ثنائية ومتعددة (على سبيل المثال الشكل 1C و ملاحظات المرجع. ⁴⁰⁾ وللكشف عن الكثير من نجوم خفوتا في مجالات مثل كثيفةالكتلة كروي من ميسييه 3 (ينظر في الأشعة تحت الحمراء القريبة؛ الشكل 6) التي من شأنها أن يكون الأمر خلاف ذلك مستحيل لعرض مباشرة من خلال الاضطراب في الغلاف الجوي. ويمكن أيضا ملامح الشمسية نظام الكائنات، مثل سطح كوكب المشتري سحابة وكذلك إلى عبور القمر جانيميد (الشكل 7)، مع أن ينظر إلى قدر أكبر من الوضوح عند عرضها مع البصريات التكيفية الليزر.

الشكل 1. البصريات التكيفية التصحيح في الأطوال الموجية المرئية. كل الرقم يمثل 1.5 × 1.5 قوس 2 حقل للرؤية على السماء. (A) صورة واحدة طويلة التعرض لنجم واحد، m _V = 3.5، ينظر من خلال الاضطراب في الغلاف الجوي في الاول بدون تعويض الفرقة (λ = 700 حتي 810 نانومتر) في تلسكوب 1.5-P60 م في مرصد بالومار. وذات العرض الكامل في نصف كحد أقصى (FWHM) ثانية قوسية هو 1.0. (B) </ STRONG> النجم نفسه كما في (A) مع تصحيح الليزر البصريات التكيفية باستخدام نظام AO-روبو. جوهر الصورة ممتاز له 15 مرة سطوع الذروة من الصورة بدون تعويض، ولها FWHM ثانية قوسية 0.12. (C) هو كشف نجم ثنائي، m _V = 8.4، مع الفصل بين 0،14 ثانية قوسية من خلال استخدام و-AO روبو والبصريات التكيفية النظام. في كل حالة، تم إجراء بلاغ الخيمة التوجيهي الهدف نفسه.

الشكل 2. و-AO روبو الليزر والبصريات التكيفية النظام. (A) يتم تثبيت البصريات التكيفية وأدوات العلوم في التركيز Cassegrain للتلسكوب الروبوتية P60 1.5 متر في مرصد بالومار. وترد نظام الليزر والالكترونيات دعم طرفي نقيض في أنبوب التلسكوب لتحقيق التوازن. (B) والأشعة فوق البنفسجية روبو-AO شعاع الليزر عropagating من قبة التلسكوب. في هذه الصورة التعرض الطويل، وشعاع الليزر مرئيا بسبب رايليغ نثر الخروج من جزيئات الهواء، ونسبة ضئيلة من ضوء ينثر أيضا نحو العودة الى التلسكوب لاستخدامها تحقيقا للغلاف الجوي. شعاع الليزر يظهر البرتقالي بسبب الطريقة تبث أشعة فوق البنفسجية من خلال مرشحات لونية على الكاميرا الحساسة UV تستخدم لالتقاط الصورة. اضغط هنا لمشاهدتها بشكل اكبر شخصية .

الشكل 3. روبو-AO التكيف البصريات والأجهزة العلمية. (A) نموذج مبسط CAD. تركز الضوء من مرآة تلسكوب الثانوي (البرتقال) يدخل من خلال ثقب صغير في وسط الصكوكمنة قبل أن تعكسها المرآة 90 درجة من حظيرة الأولى نحو مرآة خارج المحور (OAP) مكافئ. هذه المرآة صور التلميذ تلسكوب على سطح مرآة تشوه. بعد تفكير من مرآة تشوه، وهو مزدوج اللون UV الانقسامات قبالة ضوء الليزر (البنفسجي)، وتوجهها إلى واجهة الموجة الليزر الاستشعار. مرآة إضافية OAP عكس استشعار داخل واجهة الموجة بتصحيح الأخطاء الشائعة مسار غير البصرية التي أدخلتها التركيز المتقارن 10 كم من الليزر المنعكس من المرآة OAP الأولى. ونقلت والمرئية والقريبة من الأشعة تحت الحمراء الضوء (الأخضر) من خلال إصدار مزدوج اللون الأشعة فوق البنفسجية بواسطة زوج من المرايا OAP إلى مصحح التشتت في الغلاف الجوي. وينعكس الضوء من ثم المرآة بلاغ الخيمة تصحيح لمرآة OAP النهائي الذي يركز الضوء نحو مزدوج اللون مرئية. ومزدوج اللون المرئي ويعكس الضوء المرئي (الأزرق) إلى CCD الإلكترون التكاثر وينقل ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة (الحمراء) إلى مرآة أضعافوفي نهاية المطاف إلى كاميرا الأشعة تحت الحمراء. يمكن أن توجه الأشعة فوق البنفسجية معا، والضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة من التلسكوب ومحاكاة المصدر (الصفراء) إلى البصريات التكيفية والصكوك عن طريق ترجمة العلوم المرآة 1 مرات للخروج من الطريق. (B) A الصورة المقابلة من حزمة أداة . اضغط هنا لمشاهدتها بشكل اكبر شخصية .

الشكل 4. كوخ-هارتمان واجهة الموجة الاستشعار. (A) مخطط المفاهيمي. كموجة شقة يمر عبر مجموعة lenslet، يتم تشكيل نمط منتظم من الصور على كاشف (الأزرق). عندما موجة غير مستو يمر من خلال مجموعة lenslet، التدرج المحلية من موجة يؤثر رانه موقف من الصور التي شكلتها كل عدسة من الصفيف (الحمراء). (B) نمط من الصور الليزر في الاستشعار روبو-AO-اجهة الموجة شاك هارتمان. كل من البقع 88 غير صورة من الليزر مبعثر من 10 كم ويتكون من كل عدسة من الصفيف lenslet، مع الشكل النمط العام الذي تحدده هندسة التلميذ التلسكوب. تهجير النسبية لكل صورة فيما يتعلق الإشارة موقف صورة (إجراء 1.6) يعطي قياس التدرج المحلية من موجة الضوء واردة. اضغط هنا لمشاهدتها بشكل اكبر شخصية .

الشكل 5. تصحيح تصحيح التشتت في الغلاف الجوي المنشورية. البصريات التكيفية الصور ل11 × الحقل الفرعي الثانية 16 القوس من الكتلة الكروية ميسييه 15 طالب في. ارتفاع التلسكوب من 45 درجة (A) في حين التكيف البصريات بتصحيح آثار الاضطراب في الغلاف الجوي، والتشتت في الغلاف الجوي لا يزال يؤثر المنشورية الصور من النجوم الفردية: الصور هي موازية تماما من الأفق، في حين عمودي ممدود إلى الأفق من خلال ما يقرب من 1 قوس الثاني على عرض النطاق الترددي الطيفي للλ = 400 حتي 950 نانومتر (B) باستخدام مصحح بالإضافة إلى ذلك التشتت في الغلاف الجوي لمواجهة التشتت في الغلاف الجوي المنشورية، يتم استرداد حيود محدودة الدقة التصوير في كلا الاتجاهين.

الشكل 6. صور من الكتلة الكروية ميسييه 3 (A) A 44 × 44 2 قوس مجال للرؤية، 2 دقائق طويلة بدون تعويض من الصورة الأساسية من الكتلة الكروية ميسييه 3 في Z-الفرقة. (λ = 830 حتي 950 نانومتر) (B) ونفس طبركه تظهر مع التصحيح البصريات التكيفية باستخدام روبو-AO الكشف عن العديد من النجوم التي لا يمكن إلا أن ينظر إليها.

الشكل 7. صور لكوكب المشتري (A) لقطة 0.033 ثانية بدون تعويض من كوكب المشتري (قطر الظاهر ثانية قوسية 42) في ص النطاق (λ = 560 حتي 670 نانومتر). (B) ونفس الصورة مع روبو-AO الليزر تصحيح البصريات التكيفية إظهار ملامح سحابة السطحية والعابرة جانيميد (السهم) مع مزيد من الوضوح.

Discussion

الأسلوب المعروضة هنا يصف التشغيل اليدوي للنظام AO-روبو والبصريات التكيفية الليزر. في الممارسة العملية، AO-روبو تعمل بطريقة آلية، يتم التحكم في الغالبية العظمى من الإجراءات من قبل المنظم الروبوتية الذي يؤدي نفس الخطوات تلقائيا.

وقد تم تصميم نظام AO-روبو للنسخ المتماثل مباشرة بتكلفة متواضعة، مع المواد (~ USD600K) والعمل كونها جزء من تكلفة التلسكوب حتى 1.5 متر و. في حين أن هناك ما يقرب من 20 التلسكوبات البصرية في جميع أنحاء العالم أكثر من 5 أمتار في القطر، ومن المتوقع أن التلسكوبات في عدد من الدرجة 1-3 م كذلك أكثر من مائة واحد وبصفتها الدولة المضيفة المحتملة لروبو-AO استنساخ. بالإضافة إلى نشر النظام الحالي في تلسكوب 1.5-P60 متر، ويجري تطوير أول نأمل من الحيوانات المستنسخة العديد من التلسكوب IGO م ^2-42 في ولاية ماهاراشترا، الهند، والبديل باستخدام النجوم الساطعة بدلا من الليزر لاستشعار واجهة الموجة هو كونها جommissioned في تلسكوب 1-m عند جبل الطاولة، CA ^43. ويجوز للثورة في العلوم وحيود محدودة تكون في متناول اليد.