مرآة قابلة للتشكيل

المرايا القابلة للتشكيل هي مرايا يمكن تشكيل سطحها لتحقيق التحكم في جبهة الموجة وتصحيح الانحرافات البصرية . تُستخدم هذه المرايا مع مستشعرات جبهة الموجة وأنظمة التحكم في الوقت الحقيقي في البصريات التكيفية . وفي عام 2006، وُجد لها استخدام جديد في تشكيل نبضات الفيمتو ثانية . ^{[ 1 ]}

يمكن التحكم في شكل المرآة المشوهة بسرعة مناسبة لتعويض الانحرافات الديناميكية الموجودة في النظام البصري. عمليًا، يجب تغيير شكل المرآة المشوهة بسرعة أكبر بكثير من سرعة عملية التصحيح، لأن عملية التصحيح، حتى للانحرافات الثابتة، قد تستغرق عدة دورات.

عادةً ما يمتلك جهاز التوجيه المتحرك العديد من درجات الحرية. وعادةً ما ترتبط درجات الحرية هذه بالمشغلات الميكانيكية، ويمكن اعتبار أن كل مشغل يتوافق مع درجة حرية واحدة .

يُحدد عدد المحركات عدد درجات الحرية ( انعطافات جبهة الموجة ) التي يمكن للمرآة تصحيحها. من الشائع مقارنة أي مرآة مشوهة بجهاز مثالي قادر على إعادة إنتاج أنماط جبهة الموجة بدقة تامة في صورة متعددات حدود زيرنيك . بالنسبة لإحصائيات محددة مسبقًا للانحرافات، يمكن أن تكون المرآة المشوهة ذات M محركًا مكافئة لمصحح زيرنيك مثالي ذي N درجة حرية (عادةً N < M). لتصحيح اضطراب الغلاف الجوي، يؤدي حذف حدود زيرنيك منخفضة الرتبة عادةً إلى تحسين كبير في جودة الصورة، بينما يُحدث تصحيح الحدود عالية الرتبة تحسينات أقل أهمية. بالنسبة لتقلبات خطأ جبهة الموجة القوية والسريعة، مثل الصدمات واضطراب الدوامات الذي يُصادف عادةً في حقول التدفق الديناميكي الهوائي عالية السرعة، يُحدد عدد المحركات وخطوة المحرك وشوطه أقصى تدرجات جبهة الموجة التي يمكن تعويضها.

المسافة بين مراكز المحركات هي المسافة بين مراكز المحركات. المرايا القابلة للتشكيل ذات المسافة الكبيرة بين مراكز المحركات وعدد كبير من المحركات تكون ضخمة ومكلفة.

شوط المحرك هو أقصى إزاحة ممكنة للمحرك، وعادةً ما تكون انحرافات موجبة أو سالبة من وضع مركزي صفري. يتراوح الشوط عادةً من ±1 إلى ±30 ميكرومتر. يحد شوط المحرك الحر من السعة القصوى للجبهة الموجية المصححة، بينما يحد شوط المحرك بين المحركات من السعة القصوى وتدرجات الانحرافات العليا القابلة للتصحيح.

دالة التأثير هي الشكل المميز الذي يُمثل استجابة المرآة لتأثير مُحرك واحد. وتختلف دوال التأثير باختلاف أنواع المرايا القابلة للتشكيل، بل وقد تختلف هذه الدوال باختلاف المُحركات المستخدمة في المرآة نفسها. تُسمى دالة التأثير التي تُغطي سطح المرآة بالكامل "دالة نمطية"، بينما تُسمى الاستجابة الموضعية "دالة مناطقية".

يُظهر اقتران المُشغِّلات مقدار إزاحة حركة مُشغِّل واحد للمُشغِّلات المجاورة له. تتميز جميع المرايا "النمطية" باقتران مُتبادل كبير، وهو أمر جيد في الواقع لأنه يضمن جودة عالية في تصحيح الانحرافات البصرية السلسة منخفضة الرتبة التي عادةً ما يكون لها أعلى وزن إحصائي.

يُشير زمن الاستجابة إلى مدى سرعة استجابة المرآة لإشارة التحكم. ويتراوح هذا الزمن من أجزاء من الثانية (في المرايا الكهروميكانيكية الدقيقة والمغناطيسية) إلى عشرات الثواني في المرايا المشوهة حرارياً.

يُعدّ كلٌّ من التخلف المغناطيسي والزحف من التأثيرات غير الخطية للتشغيل التي تُقلّل من دقة استجابة المرآة القابلة للتشكيل. وتتراوح قيمة التخلف المغناطيسي، باختلاف التصميم، من الصفر (في المرايا المُشغّلة كهربائيًا) إلى عشرات النسب المئوية في المرايا المُشغّلة بمحركات كهرضغطية. ويُمثّل التخلف المغناطيسي خطأً موضعيًا متبقيًا من أوامر موضع المحرك السابقة، ويُحدّ من قدرة المرآة على العمل في وضع التغذية الأمامية، خارج حلقة التغذية الراجعة.

تتكون المرايا المجزأة من أجزاء مرآة مسطحة مستقلة. يتحرك كل جزء مسافة قصيرة ذهابًا وإيابًا لتقريب متوسط ​​قيمة جبهة الموجة على مساحة الرقعة. ومن مزايا هذه المرايا انخفاض التداخل بين المحركات أو انعدامه. لا يُجدي التقريب التدريجي نفعًا مع جبهات الموجة المتصلة السلسة. تُسهم الحواف الحادة للأجزاء والفجوات بينها في تشتيت الضوء، مما يحد من تطبيقاتها لتقتصر على تلك غير الحساسة للضوء المتشتت. يمكن تحقيق تحسين كبير في أداء المرآة المجزأة بإضافة ثلاث درجات حرية لكل جزء: الحركة الدورانية، والميل، والارتفاع. تتطلب هذه المرايا ثلاثة أضعاف عدد المحركات مقارنةً بالمرايا المجزأة ذات الحركة الدورانية. استُخدم هذا المفهوم في تصنيع مرايا أولية مجزأة كبيرة لتلسكوبات كيك ، وتلسكوب جيمس ويب الفضائي ، وتلسكوب E-ELT المستقبلي . توجد طرق عديدة لضبط طور الأجزاء بدقة وتقليل أنماط الحيود الناتجة عن أشكال الأجزاء والفجوات. ستحتوي التلسكوبات الفضائية الكبيرة المستقبلية، مثل تلسكوب ناسا الكبير للأشعة فوق البنفسجية والبصرية والأشعة تحت الحمراء، على مرآة رئيسية مجزأة . ويُعدّ تطوير أساليب فعّالة لزيادة التباين أمرًا أساسيًا للتصوير المباشر للكواكب الخارجية ودراسة خصائصها .

تُصنع المرايا ذات اللوحة الأمامية المتصلة والمزودة بمحركات منفصلة من السطح الأمامي لغشاء رقيق قابل للتشكيل. ويتم التحكم في شكل اللوحة بواسطة عدد من المحركات المنفصلة المثبتة على جانبها الخلفي. ويعتمد شكل المرآة على مزيج القوى المؤثرة على اللوحة الأمامية، وشروط التثبيت (طريقة تثبيت اللوحة على المرآة)، وهندسة اللوحة ومادتها. وتتيح هذه المرايا تحكمًا سلسًا في جبهة الموجة مع عدد كبير جدًا من درجات الحرية، يصل إلى عدة آلاف.

تتكون المرايا المغناطيسية من غشاء رقيق ومرن متصل، يتم تحريكه بواسطة ملفات صوتية ومغناطيسات. تتيح هذه التقنية مرونة تصميمية فائقة لتحقيق أداءات متنوعة للغاية. فبحسب خيارات التصميم المُختارة، يمكنها تحقيق مدى حركة لا مثيل له - يصل إلى مئة ميكرون من التشوه - أو سرعة فائقة - أقل من مللي ثانية. ولأن الغشاء عبارة عن طبقة واحدة من المادة، فإنه يُمكن تحقيق جودة بصرية عالية جدًا. تتميز هذه التقنية بثباتها الجيد، حيث تحافظ على شكلها دون تغيير تقريبًا لأسابيع. ويتراوح عدد المحركات من بضع عشرات إلى بضعة آلاف.

تُصنع مرايا MEMS باستخدام تقنيات التصنيع الدقيق الحجمي والسطحي . وهي تتكون من غشاء عاكس رقيق يتم التحكم فيه بواسطة عدد كبير من المحركات . ^{[ 4 ]} يمكن لمرايا MEMS أن تتجاوز التكلفة الباهظة للبصريات التكيفية التقليدية . فهي تتيح استخدام عدد أكبر من المحركات بتكلفة أقل، مما يسمح بتصحيح دقيق لجبهة الموجة. ^{[ 4 ]} توفر مرايا MEMS أوقات استجابة سريعة من المحركات ^{[ 5 ]} مع تخلف محدود. ومن المزايا الإضافية أن تقنيات التصنيع الدقيق تسمح بالاستفادة من وفورات الحجم لإنتاج مرايا قابلة للتشكيل أرخص وأخف وزنًا مع عدد أكبر من المحركات. ^{[ 6 ]}

تُصنع المرايا الغشائية من غشاء رقيق موصل وعاكس مشدود على إطار مسطح صلب. يمكن تشكيل الغشاء كهربائيًا بتطبيق جهد تحكم على مشغلات أقطاب كهربائية ساكنة، يمكن وضعها أسفل الغشاء أو فوقه. إذا وُضعت أي أقطاب كهربائية فوق الغشاء، فإنها تكون شفافة. من الممكن تشغيل المرآة بمجموعة واحدة فقط من الأقطاب الكهربائية أسفلها. في هذه الحالة، يُطبق جهد انحياز على جميع الأقطاب لجعل الغشاء كرويًا في البداية. يمكن للغشاء أن يتحرك ذهابًا وإيابًا بالنسبة للكرة المرجعية.

تتكون المرايا ثنائية الشكل من طبقتين أو أكثر من مواد مختلفة. تُصنع طبقة واحدة أو أكثر (الفعّالة) من مادة كهرضغطية أو كهرضغطية انضغاطية. يُصمم هيكل الأقطاب الكهربائية على الطبقة الفعّالة لتسهيل الاستجابة الموضعية. تتشوه المرآة عند تطبيق جهد كهربائي على واحد أو أكثر من أقطابها، مما يؤدي إلى تمددها جانبيًا، وبالتالي انحناء موضعي للمرآة. نادرًا ما تُصنع المرايا ثنائية الشكل بأكثر من 100 قطب كهربائي.

مرايا مفهوم المائع المغناطيسي هي مرايا سائلة قابلة للتشكيل مصنوعة من معلق جسيمات نانوية مغناطيسية حديدية  صغيرة ( قطرها حوالي 10 نانومتر)موزعة في سائل حامل. في وجود مجال مغناطيسي خارجي، تصطف الجسيمات المغناطيسية الحديدية مع المجال، ويصبح السائل ممغنطًا، ويكتسب سطحه شكلًا يخضع لتوازن القوى المغناطيسية والجاذبية والتوتر السطحي . باستخدام هندسة المجال المغناطيسي المناسبة، يمكن إنتاج أي شكل مطلوب على سطح المائع المغناطيسي. يقدم هذا المفهوم الجديد بديلاً محتملاً للمرايا القابلة للتشكيل منخفضة التكلفة وذات مدى حركة كبير وعدد كبير من المحركات. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

• شرح تقنية AO: مصححات WF ( مؤرشف بتاريخ 14 يوليو 2006 في أرشيف الإنترنت)