שימוש באופטיקה פיזית כדי לשפר את החלטת טלסקופים מבוססי חלל

הדיוק של גלימות גלנט חייב להגיע לרמות תת-מונים עבור טלסקופים חלל גלוי לעין. סימולציות אופטיות פיזיות עוזרות אופטימיזציה עיצוב חיישן כדי למזער רעש מסטטיסטיקות פוטוניות, אלקטרוניקה לקריאה ואור משוטט.

אופטיקה הסתגלות בחלל: תיקון בזמן אמת

מערכות אופטיות הסתגלותיות (AO) על טלסקופים מבוססי קרקע משתמשים מראות מעוותים כדי לבטל את הזעזוע האטמוספרי. בחלל, מקורות ההפרעה הם שונים: ⁇ תרמיים, רטטים מכניים, וסחף איטיים מהזדקנות חומרית.עם זאת, אותם עקרונות אופטיים פיסיים חלים. a deformable Mirror with מאות או אלפי פועלים יכול לעצב את פני השטח כדי לחדד את השגיאה המעודנת, לשחזר את השגיאה המפרקת, ההונאה, השברת, השלילית, השלילית, קרוב להתפרצות.

AO חייב לפעול עם צריכת חשמל נמוכה מאוד, אמינות גבוהה, ללא תחזוקה.ה-FLT:0)Nancy Grace טלסקופ החלל הרומי טלסקופ החלל רומי 10LT:1 תישא כלי כלה המשתמש מראה מופרע כדי לתקן שגיאות גלfront בקנה מידה ננומטר, המאפשר הדמיה ישירה של כוכבי לכת.

תגית: Mirror Phasing

טלסקופי חלל גדולים כמו טלסקופ החלל ג'יימס ווב (JWST) משתמשים במראות ראשוניים מפורטים שיש להתאים אותם לשבריר של אורך גל.תהליך הphasing מעסיק מטרולוגיה פיזית: מקור אור (לעיתים קרובות כוכב או לייזר פנימי) מאיר את הקטעים, ואת דפוס ההתערבות במטוס המיקוד חושף פיסטון ו / עד שגיאות של ג'רי שימוש בדרגה בלתי אפשרית של פתורים, תוך כדי קבלת תמונות פתורים של נזלת של נזלת זה, תוך כדי פתורים ממרחקים בלתי אפשרי.

אינטרפרומטריה: שילוב טלסקופים מרובים

במקום לבנות מראה ענקי אחד, כמה טלסקופים קטנים יותר ניתן לקשר בין-פרנומטרי כדי להשיג את ההחלטה של מבנה וירטואלי גדול בהרבה.אופטיקה פיזית מתארת כיצד אור מאספן נפרד חייב להיות מובא להתמקד משותף עם הבדלים באורך נתיב נשמר לשבריר קטנה של אורכי גל.השילוב של beam מכיל שיבושים אשר הנראות שלהם תלויה במבנה המקור ובכיוון הבסיס.

[ה]המשימה הבין-פרומטריה של החלל (SIM)BuildFLT:1 (כיום בוטלה) הייתה משתמשת בהפרעה אסטרונומטרית לגילוי כוכבי לכת דמויי כדור הארץ על ידי מדידת נביחות סטרלייר (SIM) , לאחרונה, החללית FLT:2Laser Interferometer Space Antenna (LISA)FLT 3 משתמשת בין היתר בזיהוי גלאומטריה לגל, אך עם אור לאנדרום-Feric, לעומת 100 מטר של גלאי, לעומת איורים אופטיים, לעומת זאת, בין כוכבים:

המונחים: aperture Synthesis

על ידי חתירה של קו הבסיס בין טלסקופים במהלך התבוננות, נתונים בין-פרומטריים יכולים למלא את הצמצם הסינתטי בחלל פורייה - טכניקה הנקראת סינתזה של צמצם (ניקוי ופירוק המפה המלוכלכת המתקבלת דורש ידע של הפונקציה ה-Sub-spread-spread-line, אשר עצמה נגזרת מ-אופטימיים פיזיים (CLEAN) ומשיטות אנטרופיות מקסימליות בחשיפה לצורה לצורה לצורה לצורה של טלסקופית (DF-F-F-F-F) עם מסגרת זמןית-DERFDERFDERFDERFDIRD) הכוללת גם כן, אפילו מקודמת יותר, אפילו יותר, אפילו מקודמתנית (DVal-F) יכולה להגדרה).

המונחים: Segmented Optics

טלסקופי חלל עתידיים כגון FLT:0 [Large UV / Optical / Infrared סקרor (LUVOIR) veFLT:1 וFLT:2Habitable Exoplanet Observatory (HabEx) לנטרל חיישנים נתונים פיזיים (FLT) 3 מציע מראות 8 עד 15 מטרים בקוטר גדול מדי עבור כלי רכב שיגור נוכחיים.

מעבר למראות המסורתיים, (FLT:0)mbrane אופטימיים (אופטימיים) 1:1 ו- (FLT:2gossamer StructuresFLT 3:0) מציעים חלופות משקל, אך הדיוק שלהם על פני השטח מוגבל על ידי wrinkling, הרפיה מתח, ומיקרומטראואידיות מנבאות כיצד אי סדירות אלה מתפזרות אור וניגודיות, כדי לקבוע אם תיקון פעיל יכול לפצות על ידי דמויות כגון: 5 מקודמות על פני השטח.

Flat Optics ו- Metasurfaces

טכנולוגיה מתפתחת באופטיקה פיזית היא ה-FLT:0metasurfaceFLT:1: שכבת גלי אולטרה-תנין של nanostructures אורכי משנה שיכול לשלוט בשלב, amplitude, וקוטב.עבור טלסקופים חלל, אופטיים שטוחים יכולים להחליף עדשות מסיביות ומראות, צמצום מסה ונפח (Polensalectal) יכול להיות מתוכנן בשלב פיזי קבוע על ידי ניתוח קיסרי (שלבים), כלומר, כלומר, כלומר, דרך חישובי, כלומר, דרך תבנית כללית).

אתגרים כוללים אסטרולוגיה chromatic, רגישות לקיטוב וייצור סובלנות.עם זאת, עבור יישומים צר פס (למשל, פיזור כוכבי לכת בקווי ספיגה מולקולריים ספציפיים), metasurfaces יכול לאפשר ספקטרום קומפקטי או כלומוגרפיה.FLT:0NanoSatelliteical טלסקופ 1FLT:1PLT 1 , לחקור 10 ס"מ מתכת עבור רזולוציה סבירה של ויזואלית עם רזולוציה משולבת עם רזולוציה של הסתברות של רזולוציה של מספר רזולוציה של הסתברות של ויזואלית.

מינוף ופוסט-Processing

אופטיקה פיזית גם מדגישה שיטות חישוביות שמגבירות את ההחלטה לאחר הנתונים נלקחות.טכניקות אלה מונעות את המודל קדימה של התגרות קלה לשחזר תמונה חדה יותר מאשר ה-PSF הגולמי מאפשר:

• (FLT:0)DeconvolutionveFLT:1: שימוש ב-PSF נמדד או מודל, אלגוריתמים deconvolution (פילטר Wiener, ריצ'רדסון-Lucy) באופן חלקי מטושטשת לאחור.עבור טלסקופים בחלל עם PSFs יציב, deconvolution יכול לשפר את ההחלטה על ידי גורם של 1.5-2.
• (FLT:0)Phase retrievalFLT:1: כאמור, שלב חוזר מתמונות מרובות פותרים שגיאות גלפי ולאחר מכן חל תיקון רטרואקטיבי.זה משמש כדי לזרז את כלי המדע של JWST לייצר את התמונות הרזולוציה הגבוהה ביותר של שדה האבל עמוק.
• (FLT:0) טכניקות מיקרו-סדרה סופר-resolution (Foloph:1): שיטות כמו מיקרוסקופיה לשחזור אופטית סטוצ'יסטיק (STORM) מסתמכות על תוויות פלואורסנט, אך עקרונות דומים (הההחלל של קבוצה של מקורות נקודה) ניתן ליישם על שחזור תמונה אסטרונומית, כגון הקטנת עמדות הכוכבים בשדה צפוף עם דיוק תת-פיקסל.
• (FLT:0) למידה מרחוק (Deep Learningof) 1: רשתות נילי שהוכשרו על קבוצות גדולות של סימולציות אופטיות פיזיות יכולות ללמוד למפות תמונות מטושטשות לגרסאות של פתרון גבוה, למרות שלא תחליף לאופטופטיות טובות, הן יכולות לשפר את ההחלטה הקרקעית כאשר ה-PSF ידוע או כאשר הן רואות תנאים מתוקנים באופן חלקי.

כל אחת מהגישות החישוביות הללו תלויה במודל פיזי מדויק של המערכת האופטית של הטלסקופ, ללא אופטיקה פיזית קפדנית, התיקונים יהיו שלמים או יציגו חפצים.

משימות עתידיות דוחפות את פתרון הגבול

כמה משימות מתוכננות ותפיסתיות יתבססו רבות על אופטיקה פיזית כדי להשיג את מטרות ההחלטה שלהם:

James Webb Space טלסקופ ג'יימס ווב (JWST)

כבר תפעולי, המראה המופרך של JWST הוא הטלסקופ החלל הגדול ביותר שנבנה אי פעם.ההחלטה חסרת התקדים שלו באדום (0.03 & Prime; ב 2 μm) הושג באמצעות חישה גלישת גלים והיערכות במהלך הגשת.מודלים אופטיים פיזיים שימשו כדי לדמות סובלנות מכוונות, ביצועים כלולים, אור מפוזר מן אבק.

ננסי גרייס, טלסקופ החלל הרומי

כלי ההכתרה של רומאי ישתמש במראה מפורש ומצלמה בעלת ספירת תמונות כדי להשיג יחס ניגודיות של 10-9 בהפרדה של 0.2″ אלגוריתמי הבקרה מסתמכים על אופטיקה פיזית כדי לחזות ולבטל את דפוס הדיפרקציה של סטולר, המאפשר זיהוי ישיר של כוכבי לכת דמויי יופיטר.

LUVOIR ו- HabEx

מחקרים גדולים אלה חזו 8-15 מטר טלסקופים עם מראות מפוסקים וגרפים מתקדמים.העיצובים שלהם משלבים לולאות גלנט ובקרת שפועלות ברמת הקמעה - הרבה מעבר לפרקטיקה הנוכחית.FLT:0LUVOIRFLT:1 יצלם כוכבי לכת בגודל כדור הארץ באור משתקף, הדורשים ניגוד של 10-10 אופטיקה פיזית הם סימולציות קריטיות לכל המערכת.

Hypertelescope

מושג נועז: המשט של טלסקופים קטנים מסודרים בתצורה מפופרת, מפנה אור לשילוב מרכזי.המבנה הסינטטי המתקבל יכול להשיג רזולוציה של מילימטר השני, המאפשר הדמיה ישירה של תכונות על פני השטח על כוכבים ומורדות. אופטיים פיזיים מודל של שילוב של קרן, בקרת נתיב, ושקיפות על פני המערך הוא חיוני להוכיח תאימות.

השוואה עם שיפורים המבוססים על הקרקע

טלסקופים מבוססי קרקע משתמשים אופטיקה אדפטיבית כדי לפצות על זעזועים אטמוספיריים, אבל ההחלטה שלהם עדיין מוגבלת על ידי שגיאות שוכנות, anisoplatism, וכיסוי השמיים למנוע את הבעיות האלה לחלוטין ויכולה להשיג את הגבלת הניתוק אם שגיאות גל הקדמיות הן קטנות.אבל גודל המוטלות על ידי שיגור כלי רכב הם בדרך כלל קטנים יותר מאשר ענקיות המבוססות על אלקטרומטריה גבוהה יותר, אבל יש טלסקופ אוויר אחד גבוה יותר מאשר טלסקופ אווירי דם אדום.

אתגרים ב-Space-based Physical Optics

יישום אופטיקה מתקדמת אלה בחלל הוא מוטרד עם קשיים.תנאים של ואקום הרחם גורם חומרים להרחיב או חוזה ללא משפט. רטטים מכניים מגלגלי תגובה ודחפורים לאלמנטים אופטיים. קרינה מזיק חיישנים וציפויים לאורך זמן. כי שיגור עומסים יכולים לפענוח מראות מדויקים. וכל דבר שמשתבש הוא בלתי-מוכיח – שחרור אפשרי רק עבור טלסקופים בטמפרטורות נמוכות, כמו גם עלות גדולות על פני כדור הארץ.

לכן, אופטיקה פיזית צריכה לקחת בחשבון את כל הגורמים האלה בשלב העיצוב.המונט קרלו סימולציות להפיץ סובלנות מייצור, ייצור, והיערכות כדי לחזות את איכות התמונה הסופית.מהנדסים משתמשים ב-FLT:0Optical Transfer function (OTF)Build properances 1 ו-FLT:2Point Spread Function (PSF) 3LT 3, אשר מאפשר הקצאה גל לאורך כל מיפוי מכני ומערכת מטושטשת של המערכת.

אתגר נוסף הוא קליברציה.כל חיישני הגלים דורשים מקור ידוע: מקור של קיטור על הסיפון (laser Or White Light) או כוכב בהיר (אבל הפריטים שהוצגו על ידי מקור ההסגרה עצמו חייב להיות הוסר באמצעות מודלים אופטיים פיזיים.עבור הכרזות, מסכות קיטור פנימי חייב להיות מתואם עם דיוק תת-מטר, וכל רוחות רפאים או השתקפות מעוותת ושערות יש לדכא נתיבים.

מסקנה

אופטיקה פיזית אינה רק מסגרת תיאורטית; היא עמוד השדרה ההנדסי להשגת פתרון אי-פעם גבוה יותר בטלסקופים מבוססי חלל.מקטעי שטח של JWST ועד למערך הבין-מטר של מערך בין-גבוה יותר של העתיד, עקרונות אופטיים-גל רק על עיצוב החיישנים, ההתקנים והעיבוד של הנתונים.

(ב) [ה] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]]] [ה]]]] [ה]]]] [ה]]]]][ה]]]] ל[ה[[המאה ה-20], [ה[[המאה ה-20]]]]], ו[[ה[[ה[[המאה ה-20]],]], [[המאה ה-20]],]],]], [[המאה ה[[המאה ה[[המאה ה[[המאה ה-20]],]],]],]], [[המאה ה-20]], [[המאה ה[[1924]],]], [[1924]], [[1924]],]],]], [[1924]],]],]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]],]], [[1924]], [[1924]], [[ה[[1924]], [[1924]]]]]]]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[ה[[1924]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]