optica adaptativa

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OPTICA
ADAPTATIVA
Diego Polo
uando miramo s po r un
te lescopio e l c ie lo nocturno , ya sea po r e l mejor de los o bse rva torios o por un refra c tor
de 10000 pta s, no vemos exac ta me nt e lo que nos ofrece e l espacio, no aprec ia mos las
ca rac te rísti cas exactas de cada
un o de los as tros a es tudi o , s in o
un a im age n deform a d a po r las
turbul e ncias de la atm ósfe ra terre stre.
Lo s ca mbi os de te mpe ra tu ra, la hum edad , e l flujo de va po r
de ag ua, la co nta min ac ió n, las
re flexione s y refracc io nes prod uc id as por las di stint as ca pas atmos fé ri cas a dife re ntes lo ng itudes de o nd a, és tos y mucho s más
so n los facto res qu e ha n traído de
cabeza a los as tró no mo s des de
hace mu c ho ti e mp o, factores qu e
has ta no hace mu c ho no po dían
so l ve nta rse de o tra forma más qu e
la nza nd o un tel esco pi o a l es pac io
ex te ri o r, so lu c ió n ex tre m ada me nte cara, ta nt o e n s u proyec to como
e n s u mantenimiento .
Hace un os 50 a ños qu e se
co me nzó a ca libra r la po s ibil idad
de proporc io na r a lg ún s iste ma a
los te lesco pi os ter res tre s que sea
capaz de an ul ar la res pue s t a
frecuencial no de sea d a de la atmós fera. Algún mé todo que se
DIEGO POLO es eSludial1le de quinlO en/a
E. T.S.E.T.B. y proyeclisrade/ Deparrame/JIo
de Física Aplicada de la UPC
•
R AMAS DE E STUDIANTES DEL I EEE
ada pte a la circ un sta nc ias y corrij a la di sto rsió n produ c id a ... y
fue así como co men zó a de sarroll a rse la ó pti ca ad a pt ati va.
es fé rico producido po r un o bj e to
rad iante, de form a que di stors ion a
la fo rma lin ea l de la se ñal qu e
ll ega a la T ie rr a. A l ll ega r a l
es pejo ca da un o de los rayos ll ega
co n un a fa se diferente , de fo rm a
No cabe duda qu e la ópt ica
es un a cie n c i a
co n mu c hos a ño s
de ex p erie ncia,
ha se rvido par a
Frente de onda.
correg ir pro bl eesrenco
ma s de v is ió n de l
ojo hum a no, a mpliar im áge nes a
g rand es y peq ueFnnte de
o..da
ña s di s t a n c i as,
distonionado
ge ne rar ju egos de
le nt es ca paces de
c rear mil un a poImagen perfecta
s ibilid ade s e n e l
mundo del es pect ác ul o, p e r o e l
pro bl e m a es ta ba
e n qu e los fe nómen os atmosfériFigura 1
cos ca mbi a n muy
qu e produ ce un a ima ge n múltiple
rá pidam e nt e , y qu e es tos ca mbio s
q ue, a ojo hum a no , se carac te ri za
te nía n qu e se r detec tado y correpor un a pe qu eña ma nc ha bo rrosa
g ido s a un a ve loc id ad mu y a lt a.
c ua nd o de be ría ha ber un a fue nte
T e nía que ge ne rarse un a ó pti ca
punt ua l.
qu e se adap te a un pr o bl e m a
mut a nte , a un os ca mbi os
E l es qu e ma de la figura I
a lea to ri os , te nía qu e in ve tigarse
mue s tra c larame nte e l efecto exc uá l e ra exac tame nte e l efecto proplic ado y e l problema a trata r.
ducido por la atmósfera ye ncontrar un s i s t ema d e ó ptica
Si se co nseg uía qu e cada
adapt a tiv a capaz de so lu ciona rparte del es pejo to ma ra un a in c lilo .
nación determinada q ue co mp e nsara e l efecto de desfa se, la im aPasa ron los años y los proge n se ría pe rfecta. Pero para e ll o
gresos fuero n a más , se s upo que
se tenía qu e dividir la le nte e n
la a tm ósfe ra desfasa los dife re npequ e ños pa ne les, y cada un o de
tes puntos de l fre nt e de o nd as
o
o
2]
Figura 2.-La óptica adaptativa
puede compensar la distorsión
de la luz emitida por las estrellas. Primero concentra la luz en
un telescopio en un haz estrecho. Este haz de rayos llega a un
espejo deformable y un segundo espejo se encarga de corregir
el desfase producido por la atmósfera. El haz de rayos llega a
un sensor de onda que puede
medir el grado de desfase de
cada componente, esta información dirige el movimiento del
espejo deformable.
Finalmente, la imagen
se guarda en una cámara para
poder ser visualizada.
ellos tenía que moverse bajo las
ordenes de un sistema de control
de alta velocidad y precisión que
fuese capaz de reaccionar a tiempo bajo los cambios atmosféricos.
El tamaño de los paneles, la
velocidad del sistema de control,
el proceso de adaptación basado
en una realimentación de datos
que autoconfigurara el próximo
movimiento, la cantidad mínima
de luz que debe llegar del espacio
para que todo funcione con la
normalidad ... son muchos los aspectos a tratar cuando se trabaja
en un diseño tan complejo como
éste.
En la figura 2 se muestra un
sistema completo de óptica
adaptativa basado en espejos
deformables capaces de corregir
el desfase no deseado.
Los telescopios tienen definido un parámetro ro como aquel
diámetro máximo del espejo antes de que la turbulencia aumente
el desfase de la onda progresiva
en un radián. Este parámetro puede llegar a los 20 cm en luz visible, y será el que imponga el ta-
22
\
. SisteJa¡ de ápw
"Wptatin
maño de cada uno de los paneles paneles y, proporcionalmente, el
con los que trabajaremos indivi- número de actuadores sobre cada
panel, disminuye considerabledualmente.
El valor de ro depende de la mente si lo comparamos con un
raíz cuadrada de la longitud de sistema en luz visible.
En el espectro visible neceonda, en este caso suponemos luz
visible, dado que es ahí donde sitamos una estrella de magnitud
10 para poder enestriba la mayor
focar, y aunque
parte del problema
... tenía que
hay muchas esde distorsión de
imagen.
En
trellas
de esta
investigarse cuál
infrarrojos el promagnitud en el
era exactamente el
cielo, no deja de
blema es más senser una limitacillo de resolver,
efecto producido
ción en el estudado que ro aumenpor la atmósfera y
ta con y el brillo
dio de determiencontrar un
requerido por una
nados objetos. Es
estrella guía decreasí como se basistema de óptica
ce rápidamente con
rajó la posibiliadaptativa capaz
. Se entiende por
dad de crear esestrella guía al obtrellas guía desde solucionarlo.
jeto luminoso que
de la tierra graenfocaremos con el
cias a efectos
espejo para tener
producidos por
una referencia de
un rayo láser en
luminosidad, nuestro objeto de las partículas de la atmósfera.
estudio debe estar a muy poca
La discusión llegó a un buen
distancia de esta estrella para que término, y se comprobó que, utipodamos analizarlo. En infrarro- lizando un haz de rayos láser, se
jo, ro llega a valores de medio podía iluminar la parte del cielo
metro, con lo que el número de que nos interesara y utilizarlo
BURAN N°8 DICIEMBRE 1996
como referencia en nuestro telealgunos de los grandes observa- tada a la simulación o la investiscopio.
torios. Es el caso del observatorio gación en busca de mejoras del
De esta forma, pasando por Keck, en Hawai, en cuyo diseño sistema.
Actualmente,
Enrique
los intentos de usar un cristal de ha participado el profesor Josep
óxido de silicio y bismuto capaz Maria Fuertes i Armengol, de la García Berro, profesor de astrode ajustar la fase de la luz que facultad de informánomía del departapasa a través de él mediante un tica de la UPC, enmento de física apliEl avance en los cada en la UPC, divoltaje aplicado, propuesta fallicargado del sistema
rige mi proyecto,
da debido a la insuficiente canti- de control.
inte~erór,netros
trabajando sobre indad de luz emitida por el cristal,
Actualmente
perr,nitió
formación acumulao utilizar un espejo flexible hese tiene en proyecto
disponer de
da y en espera de
cho de una plancha aluminizada la construcción de
que reflectara la luz, pero que no
obtener
más datos
un
gran
10.000 r,nedidas
sobre la construcse llevo a cabo debido a la inesta- radiotelescopio en
de frentes de
bilidad del sistema, se optó por las Islas Canarias
ción de sistemas ya
montar un cristal muy fino sobre capaz de utilizar los
realizados.
onda por
una pieza de material piezoeléc- avances más moderPara aquellos
segundo.
que quieran más intrico ajustado con electro-dos.
nos
en
óptica
Este último método era capaz de
formación sobre ópadaptativa, así como
tica adaptativa, pueproveer al sistema una tolerancia s i s t e m a s
den dirigirse a las
de 1/50 de micra, tolerancia necomputerizados cacesaria para el proyecto llevado a paces de dotar gran velocidad de referencias que añado al final del
proceso y precisión a los paneles.
artículo así como a la dirección de
cabo.
También el problema de meinternet:
dir la distorsión del frente de
La información sobre éstos
ondas fue solucionado con el disistemas es realmente amplia, http:// www2.keck.hawaii.edu :36361
seño de una técnica que dismidado que se trata de un tema con
nuía el tiempo de respuesta dis, donde hay una serie de páginas,
medio siglo de continua atención.
ponible en los sistemas de esa Si a ésto añadimos el obvio inte- aún en preparación, con informaépoca (sobre 1970 se disponía de rés militar del tema, resulta un ción acerca del observatorio Keck
circuitos cuya respuesta circula- campo de rápida evolución, dado ya mencionado.
ba sobre la centésima de segun- que se ha dispuesto de presupuesdo).
El
avance
en
los
to para la investigación.
interferómetros permitió dispoBibliografía
ner de 10.000 medidas de frentes
El recopilar esta informade onda por segundo.
ción
y
ordenarla
LAIRDS
A. THOMPSON.
Por último se trataba de en- cronológicamente, así como pro- Adaptiva
Optics
in
contrar un método rápido para fundizar en los aspectos más físi- Astronomy. Physics
Today.
sintetizar las medicos y matemátiDecember 1994.
das individuales de
cos,
requiere
los frentes de onda
tiempo y pacienJOHN W. HARDLY. Adaptive
de cada zona en un
cia.
Y
es
esa
la
Optics.Scientific
American. June
Si se conseguía que
único mapa donde se
primera parte del
1994.
cada parte del
pudiera estudiar un
proyecto que esonda continua sobre
realizando.
toy
Para más información se
espejo tor,nara una
la apertura óptica
pueden consultar los siguientes
inclinación
total. La tecnología
Circulando e-mails:
deterr,ninada que
analógica se impuentre las páginas
so sobre la digital, y
de internet, así
sacton@keck.hawaii.edu
cor,npensara el
se implantaron unos
como estudiando
actuadores bajo cada efecto de desfase, la
los artículos pujohng@keck.hawaii.edu
espejo deformable,
blicados
desde
ir,nagen sería
generando una red
1950 hasta ahora
tgregory@keck.hawaii.edu
pe~ecta
de corrientes prorelacionados con
porcional a -la onda.
el tema, es mi
jmaute@keck.hawaii.edu
medida.
principal ocupaTodo este estudio fue avanpstomski@keck.hawaii.edu
ClOn, tarea que será suplantada
zando a gran velocidad en los
por otra de matiz más matemátiúltimos 25 años, y se instaló en co. Ya sea la programación orienpeterw@keck.hawaii.edu
RAMAS DE ESTUDIANTES DEL IEEE
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