Активная, Адаптивная Оптика и автогидирование

[Денис Никитин]

Ребята! Не подскажет ли кто, чем отличаются активная и адаптивная оптика. Нашел в интернете несколько противоречивых объяснений и вконец запутался. Спасибо заранее!

[Ernest]

чем отличаются активная и адаптивная оптика.

Ничем.
Это одно и то-же.

[Павел Бахтинов]

Не знаю, как в научных публикациях (я не оптик), но в научно-популярных некоторое различие в применении этих терминов все же прослеживается. Под адаптивной оптикой чаще всего понимают средства компенсации искажений волнового фронта, вносимых атмосферой, в то время как под активной - вообще любые средства оперативного управления формой оптических поверхностей. То есть, любая адаптивная оптика является одновременно и активной, но не всегда наоборот (система активной оптики может компенсировать влияние не атмосферы, а, например, прогибов конструкции).

[Алексей Юдин]

По-моему, одна из них улучшает изображение, максимизируя функционал резкости естественного объекта, а другая-искусственного, например лазерной звезды. Вроде с последней-активнее  

[Ernest]

Активная и адаптивная оптика почти полностью взаимозаменимы.

Активная оптика чуть более широкое понятие, включает в себя в том числе отдельные оптико-электронные элементы и компоненты адаптивной оптики. В то время как адаптивная оптика это всегда комплекс направленный на компенсацию эксплуатационных (например, гнутия монтировки), атмосферных (к примеру, турбуленция) и артефактных (к примеру, прогрев канала лазерного пучка) временных искажений волнового фронта.

Однако Павел верно заметил тенденцию - чаще термин "активная оптика" относят к более ранним (1980-е) попыткам компенсации квази-статических искажений оптического фронта (частота введения корректирующих подвижек менее 0.1 Hz), а "адаптивная" к относительно свежим (конец 90-х) попыткам компенсировать высокочастотные (под 100 Hz).

[lorka]

Насколько я знаю термин "активная оптика" использовался в ранних работах. Но оказалось, что этот термин применяется совсем в другой области физики (активные оптические среды), что могло привести к терминологической путанице. Тогда и был предложен термин "адаптивная оптика" (некоторые специалисты и его считают не очень удачным).

Сейчас "активная оптика" (часто "активное зеркало") иногда встречается, когда речь идет только об активной компенсации "гравитационных" деформаций "тонкого" главного зеркала больших телескопов.

[Денис Никитин]

Спасибо, я понял, неразбериха из-за неустоявшейся терминологии в разных по дате работах. Меня собственно вот что интересует. У меня есть две, пока безхозные ПЗС матрицы TC211 и TC237. Одну из них я планирую превратить в будущем в автогид. Так вот, меня заинтересовал такой момент - гидирование не двигателями основного привода телескопа, а за счет изменения положения вторичного плоского зеркала (телескоп Ньютона). Уж не знаю активная это оптика или адаптивная. Матрица считывается с частотой несколько герц, при этом анализируются перемещения центроида ведущей звезды, затем на привод зеркала подается сигнал пропорциональный измеренному перемещению звезды. Главная проблема для меня в механической части, а именно – каким образом приводить в движение вторичное зеркало. Вроде есть два варианта – 1. Привод на основе пьезокерамики. 2. Привод на основе соленоидов. Не могу решить какой из приводов лучше. В принципе теоретически больших проблем не видно, однако если кто нибудь знает, о каких либо “подводных камнях”, благодаря которым эта затея обречена на неудачу, пожалуйста, дайте знать. Очень не хотелось бы зря тратить время и деньги.  

[Павел Бахтинов]

Затея не обречена на неудачу, более того, она уже реализована фирмой SBIG: "AO-7 ADAPTIVE OPTICS SYSTEM" (см. здесь: http://www.sbig.com/sbwhtmls/ccdacc.htm ). Правда, на мой взгляд, ее только с очень большой натяжкой можно отнести к адаптивной оптике, скорее, это устройство можно назвать быстродействующим автогидом.

[Павел Бахтинов]

Кстати, обсуждение адаптивной оптики вообще, и SBIG AO-7, в частности, здесь уже было: https://astronomy.ru/forum/index.php?board=7;action=display;threadid=739 .

[lorka]

Цитата Teleglassmaker

...меня заинтересовал такой момент - гидирование не двигателями основного привода телескопа, а за счет изменения положения вторичного плоского зеркала (телескоп Ньютона).

Если нужно только это, то "адаптивная ..." и "активная оптики" не имеют к этому никакого отношения. Речь идет только о гидировании, а не коррекции искажений волнового фронта.

Идея (гидирование), в общем, жизнеспособная и осуществимая. Но, как водится, "подводные камни" есть:

1. Скорее всего все механизмы "часового" привода зеркала придется разместить на узле крепления вторичного зеркала. Во первых, там большой дефицит места (экранирование). Во вторых, двигатели привода, наверняка, будут греться и сильно "струить". В третьих, возрастут требования к растяжкам крепления вторичного зеркала из за вибрации от привода (возможно придется сделать растяжки толще).

Здесь можно попробовать гидировать не вторичным зеркалом, а третьим плоским диагональным зеркалом, которое вместе с приводами установить вместо фокусировочного узла. Так мы все это хозяйство вынесем из трубы. Правда, тогда придется несколько увеличить вынос фокуса за стенки трубы.

2. Если наводить на объект весь телескоп целиком, то неизбежно гидировать придется как минимум по двум осям как в азимутальной монтировке. Но алгоритм управления будет еще более сложным, т.к. в азимутальной монтировке оси фиксированы, а у нас при переходе от объекта к объекту направление осей будет меняться.

Здесь можно сделать весь телескоп неподвижным, а для наведения использовать целостат как в солнечном телескопе.
Можно сделать телескоп полярным (пример полярного телескопа О. Кнэба см.
http://www.astronomer.ru/data/library/books/sikoruk/addendum/addendum.htm).
Тогда гидировать можно по одной оси обычным часовым приводом (как в экваториальной монтировке).

Лучше если можно управлять компьютером, но я в этом плохо разбираюсь.

Цитата Teleglassmaker

Главная проблема для меня в механической части, а именно – каким образом приводить в движение вторичное зеркало.

Это, как раз, и не проблема. Обычные двигатели, только значительно менее мощные чем для привода всего телескопа. Пьезокерамика и селеноиды не нужны (вся эта "зараза" из "адаптивной оптики", а вас, если я правильно понял, интересует только гидирование).

[Денис Никитин]

Здесь можно попробовать гидировать не вторичным зеркалом, а третьим плоским диагональным зеркалом, которое вместе с приводами установить вместо фокусировочного узла. Так мы все это хозяйство вынесем из трубы.

Большое спасибо, именно так я и собираюсь поступить.

Правда, тогда придется несколько увеличить вынос фокуса за стенки трубы.

Да, да, именно - увеличить вынос и соответственно увеличить размеры вторичного зеркала (экранирование), но для фотографического телескопа это не так страшно.

Это, как раз, и не проблема. Обычные двигатели, только значительно менее мощные чем для привода всего телескопа. Пьезокерамика и селеноиды не нужны (вся эта "зараза" из "адаптивной оптики", а вас, если я правильно понял, интересует только гидирование).

Если честно я думал о введении поправок с частотой несколько герц, возможно даже несколько десятков герц, пока не знаю. При этом амплитуда коррекции должна составлять не более нескольких минут дуги, это позволит исправить периодическую ошибку главного привода телескопа, случайные ошибки привода, и возможно даже вибрации всей конструкции. Очевидно, что механический привод с использованием обычных двигателей не сможет обеспечить желаемого быстродействия системы. Поэтому я думаю все таки пьезакерамика или соленоиды - малая амплитуда перемещений+высокое быстродействие.

Но алгоритм управления будет еще более сложным

Я на это надеюсь, а то будет не интересно.  

[Igor Nesterenko]

Если честно я думал о введении поправок с частотой несколько герц, возможно даже несколько десятков герц, пока не знаю. При этом амплитуда коррекции должна составлять не более нескольких минут дуги, это позволит исправить периодическую ошибку главного привода телескопа, случайные ошибки привода, и возможно даже вибрации всей конструкции. Очевидно, что механический привод с использованием обычных двигателей не сможет обеспечить желаемого быстродействия системы. Поэтому я думаю все таки пьезакерамика или соленоиды - малая амплитуда перемещений+высокое быстродействие.

Пьезокерамика "подводные камни":
1) Высокое напряжение - сотни вольт, а мы на улице где может выпасть роса...
2) Гистерезис - зависимость смещения от напряжения многозначная функция, одному напряжению будут соответствовать разные смещения (зависит от предистории подачи напряжения).

Если под соленоидом подразумевается использование какого либо магнитострикционного материала, помещенного в соленоид,  то "подводный камень" номер 1 отсутствует, уже хорошо, но гистерезис останется. Более инерционный, но на тех частотах что Вы пишите все едино. Менее распространеные подвижки труднее найти будет...

Материаловединие не стоит на месте и следует поискать свежую информацию об пьезоэлиментах и магитострикционных материалах в Инете, например
http://www.google.com/

[lorka]

В общем то я догадался, что вы, всетаки, замахнулись на Адаптивную оптику (АО), а не только на гидирование. И не надо бояться в этом признаваться. Люди Творческого Поиска вызывают только уважение (по крайней мере на нашем форуме). АО уже стучится в двери любителей, и кто то должен первым их открыть (я имею в виду не покупку готового оборудования, например, у SBIG, а самостоятельную постройку хотябы элементов АО).

Teleglassmaker, то что вы собираетесь построить, называется "tip-tilp зеркало". Его задача - исправить периодическую ошибку гидирования телескопа, случайные ошибки гидирования, вибрации всей конструкции, "турбулентное дрожание" объекта наблюдения и т.д.

Несколько замечаний:
1. Собственно гидирование и АО надо разделить, однозначно. Совмещать их неразумно. От этого отказались все, кто этим занимается.

Я надеюсь, что будет сложно, а то будет не интересно.

Похвально! Но АО сама по себе очень сложная штука. Не стоит усложнять дело еще больше объединением с гидированием - это заведет в дремучий лес.
Я бы сделал так: телескоп на экваториальной монтировке с "обычным" часовым приводом + блок АО.
2. tip-tilp зеркало должно быть очень легким, от этого зависит его быстродействие. По этому вторичное зеркало Ньютона для этого дела совершенно не подходит.
3.Конечно же обычные двигатели не смогут обеспечить желаемого быстродействия АО. Я бы наверное остановился на пьезакерамике.

[Павел Бахтинов]

... АО сама по себе очень сложная штука. Не стоит усложнять дело еще больше объединением с гидированием...

Не соглашусь с предыдущим оратором.
По-моему, самое правильное здесь - ориентироваться прежде всего на компенсацию недостатков механики, а не на подавление турбуленции. Такой скоростной автогид действительно позволил бы снимать с длительными выдержками на мало приспособленных для этого монтировках, включая компьютеризованные "добсоны" (с деротатором, конечно). Вопрос только в том, не слишком ли дорогим и сложным получится такое устройство.

Что касается борьбы с турбуленцией, то будет здорово, если хотя бы в какой-то мере удастся и это, но на большой успех в этом деле я бы не особо рассчитывал, и вот почему.
1) Такая система вряд ли будет эффективна для больших апертур (>200-300мм), к тому же, для существенного эффекта нужна ночь с определенным характером турбуленции, когда смещения изображения звезды как целого преобладают над размытием (причем эти смещения не слишком быстрые).
2) Предположим, такие ночи - не редкость, но есть еще проблема поля зрения, в котором турбулентные смещения изображения происходят синхронно. Количественных данных у меня нет, но думаю, что ведущая звезда должна быть расположена довольно близко от снимаемого объекта, а сам этот объект должен быть невелик. Вообще, есть сомнения, что устройство, реализованное по схеме с двумя отдельно стоящими матрицами, будет достаточно эффективным.
3) Чем лучшее быстродействие мы хотим обеспечить, тем более яркой должна быть ведущая звезда, иначе, в результате падения отношения сигнал/шум, упадет точность гидирования, и результат может оказаться обратным ожидаемому. Эта же закономерность действует и при использования автогида для компенсации ошибок механики, но в случае с подавлением турбуленции ситуация усугубляется требованием близости звезды к объекту и более высоким необходимым быстродействием.
В итоге может оказаться, что система, если и будет эффективно работать по подавлению турбуленции, то только для некоторых, специально подобранных объектов.

Пьезокерамика "подводные камни":
1) Высокое напряжение - сотни вольт, а мы на улице где может выпасть роса...

ИМХО, хорошая изоляция здесь - наименьшая из проблем, по крайней мере, пути ее решения очевидны (у меня 1,7кВ питания ФЭУ ни разу никуда не пробивались, хотя зачастую под утро аппаратура бывает покрыта сплошным слоем воды). Гораздо серьезнее то, что если нет опыта работы с пьезо- или магнитострикционными приводами (у меня, например, такого опыта нет), то изучение всех нюансов (часто на собственных ошибках) может увести слишком далеко в сторону...
Из возможных "подводных камней" могу добавить необходимость тщательного расчета петли авторегулирования системы с целью достижения ее оптимальных динамических характеристик. Небрежность в этом деле может привести к тому, что, вместо компенсации быстроменяющихся помех со стороны механики и атмосферы, устройство будет дополнительно вносить свои динамические ошибки, ухудшая итоговую картину.

[Денис Никитин]

Коллеги, признаюсь честно, об исправлении таким способом атмосферных помех я не думал. Идея у меня появилась, как всегда – кому-то яблоки на голову сыплются, а я вот сидел утром на кухне, пил как водится кофий, и наблюдал, как солнечный зайчик, отражаясь от поверхности жидкости в моей чашке, прыгает по стене. Этот дрожащий зайчик очень напомнил мне дрожание звезды в окуляре при порывах ветра. Потом я подумал – а кофе ведь плоское зеркало, ну и т.д. и т.п. весь ход мыслей описывать не буду. В общем, я пришел к выводу, что если заставить плоское зеркало колебаться синхронно со звездой, можно скомпенсировать вибрации телескопа и ошибки привода. Кстати, спасибо Павлу за ссылку на АО-7, теперь я чувствую, что изобрел велосипед.

По поводу привода. Во-первых, пьезокерамика – я еще не совсем разобрался с ее свойствами, но меня несколько озадачила необходимость напряжения питания в сотни вольт. Есть же миниатюрные звукоизлучатели, работающие при напряжении всего в единицы вольт?! Правда, я не знаю, какова там величина перемещений, наверно надо взять микрометр и измерить. Гистерезис – несколько источников дают ориентировочную цифру - точность позиционирования пьезопривода порядка 5%, для большей точности необходима обратная связь. Но в спецификации к АО-7 (где привод на соленоидах) дается цифра 20%. В общем, сейчас я не могу делать выводы, надо считать и экспериментировать.
Во-вторых, соленоиды – я имел в виду не магнитострикционные материалы, а то, что называется voice coil, катушка с током в поле постоянного магнита – принцип, применяемый в динамических головках. Судя по описанию АО-7, там использован именно такой принцип, вернее обратный принцип – у динамика магнит неподвижен, а катушка, прикрепленная к мембране, колеблется в магнитном поле. У АО-7 наоборот, катушка неподвижна, а магнит, закрепленный на зеркале, колеблется относительно нее.

Теперь еще раз о цели, которой я хочу добиться. Задача исправления атмосферной турбуленции передо мной не стоит. Ну, во-первых, создатели АО-7 пишут, что эта система способна исправить не только погрешности привода телескопа, но и атмосферные помехи. Но там же в тексте сказано, что “атмосфера” исправляется эффективно только при хороших атмосферных условиях. А значит, в подавляющем большинстве случаев система в этом плане будет неэффективна.

Я не хочу использовать для этой цели компьютер, меня более интересует микроконтроллер, то есть автономная система. И простой алгоритм сортировки – охота за самым ярким пикселем. Считывается первый пиксель, его величина и координата сохраняется, считывается второй, сравнивается с первым, если больше – замещается, если меньше – отбрасывается. Таким образом, находится самый яркий пиксель. Естественно на матрицу должен попадать свет только одной ведущей звезды. Правда, могут быть ситуации, когда несколько далеко расположенных друг от друга пикселей имеют одинаковую яркость, например случайный космический луч ярче или такой же, как звезда. Тогда нужно усреднять данные нескольких изображений.

[lorka]

Цитата Павел Бахтинов:

Не соглашусь с предыдущим оратором.
По-моему, самое правильное здесь - ориентироваться прежде всего на компенсацию недостатков механики, а не на подавление турбуленции.

Да, именно на компенсацию недостатков гидирования, а не само гидирование, как предлагает Teleglassmaker. Собственно, tip-tilp-зеркало для того и придумано, чтобы компенсировать недостатки механики (в том числе и часового привода). Но оно не может полностью выполнять функции часового привода. Разве не так?

Что касается подавления турбуленции:

tip-tilp-зеркало автоматически компенсирует "турбулентные" смещения изображения звезды как целого. Хотите вы этого или нет. Я имел в виду только это. Понятно, что "турбулентное размытие" звезды так скомпенсировать не удастся.

...для существенного эффекта нужна ночь, когда смещения изображения звезды как целого преобладают над размытием (причем эти смещения не слишком быстрые)

Смещения изображения звезды как целого в разной степени имеет место в любую ночь и при любом диаметре объектива. Его компенсация хотя бы до частоты 10-15 Гц уже ощутимо улучшит качество полученных снимков. Уже только ради этого можно городить весь этот огород.

[Денис Никитин]

Да, именно на компенсацию недостатков гидирования, а не само гидирование, как предлагает Teleglassmaker.

Зачем же так, я отнюдь не предлагаю заменить часовой механизм зеркалом tip&tilt. Похоже на недоразумение в терминологии. Следует различать часовое ведение - назначение часового механизма...и гидирование - введение поправок в работу часового механизма. Вот последнего мне и хочется.

[lorka]

Ну тогда я извиняюсь!

[Павел Бахтинов]

Смещения изображения звезды как целого в разной степени имеет место в любую ночь и при любом диаметре объектива. Его компенсация хотя бы до частоты 10-15 Гц уже ощутимо улучшит качество полученных снимков.

Да, конечно. Вопрос только в том, достижима ли на практике такая компенсация, и какой ценой.

Почитал тут немного "AO-7 Adaptive Optics Accessory Operating Manual" с сайта SBIG (http://www.sbig.com/pdffiles/ao7manual.pdf). В принципе, там рассмотрены те же ограничения на использование этой системы, которые я упоминал ранее, но зато приведены некоторые цифры.
Утверждается, что область небесной сферы, где атмосферные искажения высших порядков (не только наклоны) хорошо коррелированы, не превышает нескольких угловых секунд, и поле зрения системы, подавляющей такие искажения, где изображение может быть заметно улучшено, меньше минуты дуги. При этом такая система должна обладать "очень большим" быстродействием.
Что касается AO-7, то за счет того, она подавляет только наклоны волнового фронта, причем только медленную их составляющую, поле зрения системы удалось расширить до 10' (расстояние между центрами "снимающей" и гидирующей матриц также принято за 10'). Частоты подавляемых турбулентных смещений составляют при этом до 5Гц (с эффективностью подавления 50%), причем утверждается, что более высокие частоты давить нет смысла, т.к. соответствующие искажения все равно не коррелированы между матрицами. Такая скорость работы достигается при частоте кадров гидирующей матрицы около 50Гц, т.е. при коротких экспозициях.
В то же время утверждается, что устройство может гидировать по звезде 10m при частоте кадров 10Гц на 10-дюймовом телескопе. Из этого можно заключить, что при увеличении частоты кадров до 50Гц, блеск ведущей звезды должен быть хотя бы 8m или еще ярче. Найти такую звезду не далее 10' от объекта возможно далеко не всегда. Следовательно, во многих практических случаях, пользователям AO-7 приходится вынужденно уменьшать частоту кадров, тем самым ограничивая быстродействие системы. При этом полоса частот эффективно подавляемых турбулентных смещений может упасть до 1Гц, и даже меньше.

...И простой алгоритм сортировки – охота за самым ярким пикселем. (...) Естественно на матрицу должен попадать свет только одной ведущей звезды.

Думаю, этот алгоритм очень уж простой , помехоустойчивость его будет слишком низка. Может быть, нечто подобное имеет смысл использовать на предварительном этапе, только для поиска наиболее подходящей звезды в кадре. Во время гидирования, когда ведущая звезда найдена, достаточно анализировать небольшой фрагмент картинки в ее ближайших окрестностях (остальную часть кадра можно даже не оцифровывать, экономя на этом время). В этом фрагменте нужно найти не просто самый яркий пиксел, а "центр тяжести" звездного изображения, определив, таким образом, величины рассогласования по осям. Эти рассогласования желательно подавать на приводы не напрямую, а пропустить через специальный фильтр, формирующий динамическую характеристику системы (часто в подобных случаях используют так называемый ПИД-регулятор). Все звенья должны быть просчитаны для обеспечения устойчивости системы при заданном быстродействии.

[lorka]

Мне кажется было бы разумнее, прежде всего, отказаться от ПЗС-матрицы в качестве чувствительного элемента и заменить ее фотоэлектронными умножителями (ФЭУ).

Схема представляется следующей: изображение гидируемой звезды строится на вершине четырехгранной зеркальной пирамиды. Пирамида "делит" звезду на 4 части и посылает их на две пары ФЭУ, расположенных взаимно перпендикулярно... Что происходит дальше - понятно, думаю, всем.

Преимущества:
1. Схема полностью аналоговая, следовательно, проще.
2. Быстродействие значительно возрастает.
3. Повышается чувствительность (по крайней мере в сравнении с ПЗСками, доступными любителю).
4. Скорее всего (?) будет дешевле.
5. Схема аналогична фотоэлектронным гидам Бахтинова и Пустыгина, следовательно, можно сказать, что опыт имеем.