HARMONI at ELT: LPOU calibrations for a micron-level pointing accuracy

रात के आकाश की कल्पना एक विशाल, ब्रह्मांडीय नृत्य मंच (dance floor) के रूप में करें जहाँ तारे घूम रहे हैं और आकाशगंगाएँ घूम रही हैं। सदियों से, खगोलविदों ने इस नृत्य की स्पष्ट, साफ़ तस्वीरें लेने की कोशिश की है, लेकिन पृथ्वी का वायुमंडल एक डगमगाती, गर्मी से धुंधली खिड़की की तरह काम करता है, जिससे तारे धुंधले और थरथराहट भरे दिखाई देते हैं। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिक 'एक्सट्रीमली लार्ज टेलिस्कोप' (ELT) बना रहे हैं, जो एक फुटबॉल के मैदान के आकार का एक विशाल दर्पण है, जिसे इस धुंध के पार देखने के लिए डिज़ाइन किया गया है। लेकिन एक विशाल दर्पण को भी एक स्थिर हाथ की आवश्यकता होती है। यदि टेलिस्कोप थोड़ा सा भी हिलता है, तो छवि धुंधली हो जाती है। इसे हल करने के लिए, टेलिस्कोप एक "गाइड प्रोब" सिस्टम का उपयोग करता है—इसे एक रोबोटिक हाथ की तरह समझें जिसमें एक कैमरा आँख है जो पास के एक तारे को लगातार देखती रहती है ताकि टेलिस्कोप को बता सके, "हे, तुम बाईं ओर खिसक रहे हो, दाईं ओर चलो!" यह सिस्टम एक सुपर-सेंसिटिव उपकरण का हिस्सा है जिसे HARMONI कहा जाता है, जो एक हाई-टेक कैमरे की तरह काम करता है जो तारों के प्रकाश को रंगों के इंद्रधनुष में विभाजित कर सकता है ताकि यह अध्ययन किया जा सके कि तारे किस चीज़ से बने हैं। चुनौती यह है कि वे रोबोटिक हाथ स्वयं थोड़े "अकुशल" (sloppy) हो सकते हैं, और यदि हमें यह नहीं पता कि वे कितने अकुशल हैं, तो हम यह नहीं बता सकते कि टेलिस्कोप हिल रहा है या रोबोट का दिन खराब है।

यह शोध पत्र विशेष रूप से इस "रोबोटिक अकुशलता" की समस्या को संबोधित करता है जो HARMONI उपकरण के लिए है। लेखक, जो इंजीनियरों और वैज्ञानिकों की एक टीम है, इस बात को लेकर चिंतित हैं कि गाइड कैमरों को दिशा दिखाने के लिए उपयोग किए जाने वाले रोबोटिक हाथों के मोटरों में सूक्ष्म, छिपी हुई त्रुटियां हो सकती हैं। यदि इन त्रुटियों को मापा और ठीक नहीं किया गया, तो टेलिस्कोप को लग सकता है कि वह एक तारे की ओर इशारा कर रहा है जबकि वास्तव में वह लक्ष्य से थोड़ा हटकर देख रहा है। इसे ठीक करने के लिए, उन्हें एक ऐसे तरीके की आवश्यकता थी जिससे वे रोबोट को सीधे उपकरण के अंदर, ठीक वहीं कैलिब्रेट कर सकें जहाँ प्रकाश प्रवेश करता है, बजाय इसके कि वे टेलिस्कोप के अन्य हिस्सों द्वारा विकृत होने वाले बाहरी संदर्भों पर निर्भर रहें। उन्होंने एक चतुर समाधान प्रस्तावित किया: एक विशेष "कैलिब्रेशन मास्क" (छोटे प्रकाश बिंदुओं का एक पैटर्न) जो प्रकाश पथ में डाला जा सके, साथ ही एक विशेष लेंस जो उन बिंदुओं को फोकस में ला सके। हालाँकि, चूंकि यह मास्क एक ऐसी जगह रखा जाएगा जहाँ प्रकाश पूरी तरह से केंद्रित नहीं होता है, इसलिए उन्हें इसे संभालने के लिए एक नया लेंस डिज़ाइन करना पड़ा। टीम ने इस परीक्षण के लिए कोई भौतिक प्रोटोटाइप नहीं बनाया; इसके बजाय, उन्होंने एक कंप्यूटर सिमुलेशन सॉफ्टवेयर का उपयोग किया जिसे RayZaler कहा जाता है (जिसे उन्होंने खुद बनाने में मदद की थी) ताकि प्रकाश पथों का मॉडल तैयार किया जा सके। उन्होंने अपने नए मॉडल की तुलना एक भरोसेमंद, मौजूदा सॉफ्टवेयर Zemax से की ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि उनकी गणित सही है। उनके सिमुलेशन दिखाते हैं कि उनका नया डिज़ाइन काम करता है: लेंस सफलतापूर्वक कैलिब्रेशन डॉट्स को फोकस में लाता है, और सिस्टम पूर्ण रैखिकता (linearity) से केवल 150 नैनोमीटर (nm) के विचलन के साथ एक अत्यधिक रैखिक प्रतिक्रिया प्रदर्शित करता है—एक ऐसा मान जो डिज़ाइन की खामी के बजाय कंप्यूटर द्वारा प्रकाश बीमों के नमूने (sampling) लेने के तरीके के कारण है। हालांकि उन्होंने अभी तक यह साबित नहीं किया है कि यह वास्तविक दुनिया में काम करता है, लेकिन उनके कंप्यूटर मॉडल सुझाव देते हैं कि यह दृष्टिकोण टेलिस्कोप की "रोबोटिक आँखों" को पूरी तरह से सटीक रखने का एक ठोस, व्यवहार्य तरीका है।

ब्रह्मांडीय थरथराहट और रोबोटिक हाथ

यह समझने के लिए कि यह शोध पत्र क्यों महत्वपूर्ण है, हमें पहले ELT, या एक्सट्रीमली लार्ज टेलिस्कोप को देखना होगा। कल्पना करें कि आप एक नाव पर खड़े होकर, जो आगे-पीछे डोल रही है, एक तूफानी रात में जुगनू की फोटो लेने की कोशिश कर रहे हैं। पृथ्वी से सितारों को देखना ऐसा ही है। हमारे वायुमंडल की हवा हमेशा चलती रहती है, जो सितारों को टिमटिमाता और धुंधला बनाती है। ELT एक विशाल टेलिस्कोप है जिसे इसे ठीक करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, लेकिन इसे एक लक्ष्य पर नज़र बनाए रखने के लिए एक "स्थिर हाथ" की आवश्यकता होती है।

अब आता है HARMONI। HARMONI को टेलिस्कोप के सुपर-पावर्ड कैमरे के रूप में समझें। यह केवल चित्र नहीं लेता; यह सितारों के प्रकाश को एक इंद्रधनुष (स्पेक्ट्रम) में विभाजित करता है ताकि हमें पता चल सके कि वे तारे किस चीज़ से बने हैं, वे कितने गर्म हैं, और वे कितनी तेज़ी से चल रहे हैं। लेकिन HARMONм के पूर्ण रूप से कार्य करने के लिए, टेलिस्कोप को अविश्वसनीय रूप से स्थिर होना चाहिए। यदि टेलिस्कोप थोड़ा सा भी हिलता है, तो छवि धुंधली हो जाती है।

टेलिस्कोप को स्थिर रखने के लिए, यह "एडेप्टिव ऑप्टिक्स" नामक प्रणाली का उपयोग करता है। यह एक जादुई दर्पण की तरह है जो हवा के कारण होने वाले धुंधलेपन को रद्द करने के लिए एक सेकंड में सैकड़ों बार अपना आकार बदलता है। लेकिन ऐसा करने के लिए, दर्पण को यह जानने की आवश्यकता है कि टेलिस्कोप वास्तव में किस ओर इशारा कर रहा है। यहीं पर "गाइड प्रोब्स" आते हैं।

समस्या: जब रोबोट अनाड़ी हो जाता है

गाइड प्रोब्स रोबोटिक हाथों की तरह हैं जिनमें आँखें होती हैं। वे आकाश में पहुँचते हैं और एक "गाइड स्टार" (उस वस्तु के पास का एक चमकीला तारा जिसका अध्ययन टेलिस्कोप करना चाहता है) को पकड़ते हैं। इस गाइड स्टार को देखकर, सिस्टम बता सकता है कि क्या टेलिस्कोप खिसक रहा है। यदि तारा कैमरे में हिलता है, तो सिस्टम टेलिस्कोप को वापस जाने के लिए कहता है।

हालाँकि, रोबोटिक हाथ स्वयं मोटरों और गियरों से बने होते हैं। जैसे आपका अपना हाथ थक जाने पर थोड़ा हिल सकता है, वैसे ही इन मोटरों में सूक्ष्म, व्यवस्थित त्रुटियां हो सकती हैं। वे 1 मिलीमीटर चलते हैं जबकि उन्हें लगता है कि वे 1.001 मिलीमीटर चले हैं। यदि टेलिस्कोप को इस सूक्ष्म त्रुटि के बारे में पता नहीं चलता है, तो उसे लग सकता है कि टेलिस्कोप हिल रहा है जबकि वास्तव में यह केवल रोबोट की थोड़ी सी अनाड़ीपन है। इससे गलत माप होता है।

टीम को यह जानने की आवश्यकता थी कि उपकरणों के अंदर रोबोटों की सटीकता की जाँच कैसे की जाए। अतीत में, उन्होंने एक "कैलिब्रेशन मास्क" (बिंदुओं के पैटर्न वाली एक शीट) का उपयोग करने की कोशिश की थी जिसे टेलिस्कोप के मुख्य दृश्य में डाला जा सके। लेकिन इसमें एक समस्या थी: प्रकाश को गाइड प्रोब्स तक पहुँचने से पहले टेलिस्कोप के अन्य हिस्सों (जैसे MORFEO सिस्टम) से गुजरना पड़ता था। वे अन्य हिस्से छवि को विकृत कर सकते थे, जिससे यह बताना असंभव हो जाता कि त्रुटि रोबोट से आई है या टेलिस्कोप के अन्य हिस्सों से।

समाधान: एक नया लेंस और एक नई जगह

लेखकों ने एक नया विचार प्रस्तावित किया: कैलिब्रेशन मास्क और एक विशेष लेंस को सीधे गाइड प्रोब्स के बगल में, उपकरण के भीतर गहराई में रखें। इस तरह, गाइड प्रोब्स केवल मास्क और लेंस को देखेंगे, बाकी सब कुछ अनदेखा कर देंगे।

लेकिन इसमें एक पेच था। जिस स्थान पर वे मास्क रखना चाहते थे, वह "फोकल प्लेन" (वह स्थान जहाँ प्रकाश स्वाभाविक रूप से एक तीव्र छवि बनाने के लिए एक साथ आता है) नहीं था। यदि वे बस वहां मास्क रख देते, तो बिंदु धुंधले धब्बों जैसे दिखते। इसे ठीक करने के लिए, उन्हें एक "डिप्लोयेबल लेंस" (एक लेंस जिसे प्रकाश पथ में डाला और निकाला जा सकता है) जोड़ना पड़ा ताकि उन धुंधले बिंदुओं को फोकस में लाया जा सके।

उन्हें सावधान रहना था। उपकरण के अंदर की जगह बहुत भीड़भाड़ वाली है। वे लेंस को कहीं भी नहीं रख सकते थे; इसे मौजूदा दर्पणों के बीच फिट होना चाहिए था। इसका मतलब था कि लेंस शायद छवि को उतना बड़ा नहीं बना पाएगा जितना वे चाहते थे (एक "मैग्निफिकेशन रेशियो" एक से कम), लेकिन इसे उपयोगी होने के लिए पर्याप्त बड़ा होना चाहिए था। उन्होंने एक नियम निर्धारित किया: छवि को 10 गुना से अधिक छोटा नहीं किया जाना चाहिए, अन्यथा इसे सटीक रूप से मापना बहुत कठिन होगा।

परीक्षण: एक आभासी प्रयोग

चूंकि वास्तविक प्रोटोटाइप बनाना महंगा और समय लेने वाला है, इसलिए टीम ने कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। उन्होंने यह मॉडल करने के लिए कि प्रकाश नए सेटअप के माध्यम से कैसे यात्रा करेगा, RayZaler नामक सॉफ्टवेयर का उपयोग किया, जिसे उन्होंने स्वयं विकसित किया था। उन्होंने अपने काम को दोबारा जांचने के लिए एक भरोसेमंद सॉफ्टवेयर Zemax का भी उपयोग किया।

उन्होंने एक तारे को टेलिस्कोप में चमकते हुए सिम्युलेट किया और फिर पांच बिंदुओं वाले कैलिब्रेशन मास्क का अनुकरण किया: एक केंद्र में और चार उसके चारों ओर। उन्होंने केंद्र वाले बिंदु को बहुत छोटे चरणों (1 मिलीमीटर) में हिलाया और देखा कि उस बिंदु की छवि डिटेक्टर पर कहाँ पड़ती है।

निष्कर्ष: यह काम करता है!

परिणाम उत्साहजनक थे। सबसे पहले, उन्होंने जांचा कि क्या उनका RayZaler सॉफ्टवेयर Zemax सॉफ्टवेयर से मेल खाता है। तारे के धब्बों की छवियां लगभग समान थीं, जिनमें 1 माइक्रोमीटर (µm) से भी कम का अंतर था। इसने उन्हें विश्वास दिलाया कि उनका मॉडल सटीक है।

फिर, उन्होंने नए कैलिब्रेशन सेटअप का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि:

1. लेंस ने काम किया: इसने सफलतापूर्वक धुंधले कैलिब्रेशन डॉट्स को फोकस में लाया।
2. मैग्निफिकेशन अच्छा था: सिस्टम ने छवि को 3.69 के कारक से सिकोड़ दिया (इसका मतलब है कि छवि वास्तविक वस्तु के आकार का लगभग 1/3.69वां हिस्सा थी)। यह उनके सुरक्षा सीमा (उन्होंने किसी भी चीज़ को 1/10 से छोटा होने पर खारिज कर दिया था) के भीतर था।
3. यह अत्यधिक रैखिक था: जैसे-जैसे उन्होंने बिंदु को हिलाया, छवि लगभग एक पूर्ण सीधी रेखा में चली। सिमुलेशन ने पूर्ण रैखिकता से केवल 150 नैनोमीटर (nm) का विचलन दिखाया। यह अविश्वसनीय रूप से छोटा है—लगभग कुछ सौ परमाणुओं की चौड़ाई के बराबर। यह ध्यान देना महत्वपूर्ण है कि यह सूक्ष्म विचलन मुख्य रूप से इस कारण से था कि कंप्यूटर ने प्रकाश बीमों का अनुकरण कैसे किया (जिसे "रे सैंपलिंग" कहा जाता है), न कि भौतिक डिज़ाइन में कोई खामी।
4. परिणाम सुसंगत थे: सिमुलेशन ने पुष्टि की कि सिस्टम 1 माइक्रोमीटर से कम की स्थिति त्रुटियों को हल कर सकता है, जो इस उपकरण की एक प्रमुख आवश्यकता है।

निष्कर्ष

यह शोध पत्र यह दावा नहीं करता कि उन्होंने अभी तक अंतिम हार्डवेयर बना लिया है। इसके बजाय, यह दिखाता है कि विचार कंप्यूटर सिमुलेशन में काम करता है। लेखक सुझाव देते हैं कि गाइड प्रोब्स के ठीक बगल में कैलिब्रेशन मास्क और एक विशेष लेंस रखना, रोबोटिक भुजाओं की सूक्ष्म त्रुटियों को मापने और ठीक करने का एक व्यवहार्य तरीका है। ऐसा करके, HARMONI उपकरण यह सुनिश्चित कर सकता है कि उसकी "रोबोटिक आँखें" बिल्कुल वहीं देख रही हैं जहाँ वे सोच रही हैं, जिससे ब्रह्मांड के अधिक स्पष्ट और सटीक दृश्य प्राप्त होंगे। सिमुलेशन के परिणाम स्थापित सॉफ्टवेयर के साथ अच्छी तरह मेल खाते हैं, जिससे टीम को विश्वास होता है कि यह डिज़ाइन वास्तविक दुनिया में निर्माण और परीक्षण के लिए तैयार है।