적응광학

Adaptive optics
변형 가능한 거울은 천체 망원경의 파면 오류를 수정하는 데 사용될 수 있다.
(간소화된) 적응형 광학 시스템의 그림입니다.빛은 먼저 팁 틸트(TT) 미러에 닿은 다음 파형 전면을 보정하는 변형 가능한 미러(DM)에 닿습니다.광선의 일부는 빔플리터(BS)에 의해 파면 센서 및 제어 하드웨어에 탭되어 DM 및 TT 미러에 업데이트된 신호를 보냅니다.
적응 광학에 대한 아티스트의 인상.
이상 영상의 파면(왼쪽)은 파면 센서(가운데)를 사용하여 측정한 다음 변형 가능한 미러(오른쪽)를 사용하여 보정할 수 있습니다.

적응광학(AO)은 왜곡을 보완하기 위해 거울을 변형시켜 들어오는 파면 왜곡의 영향을 줄여 광학계의 성능을 향상시키는 기술이다.이것은 천체 망원경[1] 레이저 통신 시스템에서 대기 왜곡의 영향을 제거하고 현미경,[2] 광학 제작[3] 및 망막 영상 시스템에서[4] 광학 수차를 줄이기 위해 사용됩니다.적응형 광학은 파면의 왜곡을 측정하고 변형 가능거울이나 액정 배열과 같은 오류를 수정하는 장치로 이를 보정함으로써 작동합니다.

적응광학(adaptive optics)을 액티브광학(active optics)과 혼동해서는 안 됩니다.액티브광학(active optics)은 프라이머리 미러 형상을

다른 방법으로는 반점 이미징, 조리개 합성, 행운의 이미징과 같은 대기 왜곡이나 허블 우주 망원경같은 우주 망원경으로 대기권 밖으로 이동함으로써 주어진 한계를 넘는 분해력을 얻을 수 있다.

역사

어댑티브 씬 셸 [5]미러

적응광학은 1953년 [6][7]호레이스 밥콕에 의해 처음 구상되었고, 앤더슨의 소설 타우 제로(1970년)에서처럼 공상과학 소설에서도 고려되었지만, 1990년대 컴퓨터 기술의 진보가 실용화되기 전까지는 널리 쓰이지 않았다.

적응광학에 대한 초기 개발 작업 중 일부는 냉전 기간 동안 미군이 수행했으며 소련의 [8]인공위성을 추적하기 위한 것이었다.

마이크로 일렉트로메트릭 시스템(MEMS) 변형 가능 미러 및 자기 개념 변형 가능 미러는 범용성, 스트로크, 기술 성숙도 및 고해상도 파면 보정을 제공하는 현재 적응형 광학용 파면 성형 애플리케이션에서 가장 널리 사용되는 기술입니다.

팁-틸트 보정

적응광학에서 가장 간단한 형태는 팁-틸트 [9]보정으로, 2차원(이미지의 위치 오프셋 보정과 동일)에서 파면의 기울기 보정에 해당합니다.이 작업은 빠르게 움직이는 팁 틸트 미러를 사용하여 수행되며, 두 축을 중심으로 작은 회전이 이루어집니다.이러한 방법으로 대기에 의해 도입된 수차의 상당 부분을 제거할 수 있다.

팁 틸트 미러는 독립적으로 기울어지거나 기울어질 수 있는 여러 세그먼트가 있는 것이 아니라 기울어지거나 기울어질 수 있는 세그먼트가 하나만 있는 효과적인 세그먼트 미러입니다.이러한 미러는 비교적 단순하고 스트로크가 크기 때문에 보정력이 크기 때문에 대부분의 AO 시스템은 우선 이러한 미러를 사용하여 낮은 차수의 수차를 보정합니다.그런 다음 변형 가능한 미러를 사용하여 고차 수차를 보정할 수 있습니다.

천문학에서

칠레초대형 망원경 현장의 천문학자들은 적응형 광학을 사용한다.
레이저가 VLT 적응 광학 시설에서 밤하늘로 발사됩니다.

대기 관측

별에서 온 빛이 지구의 대기를 통과할 때, 파장은 교란된다.
Shack-Hartmann 센서는 적응형 광학에 사용되는 파면 센서 중 하나입니다.
망원경을 통한 별의 부정적인 이미지.왼쪽 패널은 어댑티브 광학 시스템이 꺼졌을 때 별의 느린 움직임 동영상을 보여줍니다.오른쪽 패널에는 AO 시스템이 켜져 있을 때 같은 별의 슬로우 모션 동영상이 표시됩니다.

별이나 다른 천체에서 나오는 빛이 지구 대기로 들어올 때, 대기 난기류(예를 들어, 서로 다른 온도층과 서로 작용하는 다른 풍속에 의해 유입됨)는 다양한 방식으로 [10]이미지를 왜곡하고 이동할 수 있습니다.약 20센티미터보다 큰 망원경에 의해 생성된 시각적 이미지는 이러한 왜곡에 의해 흐릿해진다.

파면 감지 및 보정

적응형 광학 시스템은 천문광의 일부를 받아들이는 파면 센서, 광로 내에 있는 변형 가능한 거울, [11]검출기로부터 입력을 받는 컴퓨터를 사용하여 이러한 왜곡을 교정하려고 한다.파면 센서는 몇 밀리초의 시간 척도로 대기의 왜곡을 측정합니다. 컴퓨터가 최적의 미러 형태를 계산하여 왜곡을 보정하고 그에 따라 변형 가능한 미러의 표면이 다시 형성됩니다.예를 들어 8~10m 망원경(VLT 또는 Keck와 같은)은 적외선 파장에서 30~60밀리초(mas)의 각도 분해능으로 AO 보정 이미지를 생성할 수 있으며, 보정되지 않은 분해능은 약 1초입니다.

적응광학보정을 수행하기 위해서는 들어오는 파형의 형태를 망원경 개구면에서의 위치 함수로 측정해야 합니다.일반적으로 원형 망원경 조리개는 파면 센서에서 작은 렌즈(Shack-Hartmann 파면 센서)의 배열 또는 망원경 조리개 이미지에 작동하는 곡률 또는 피라미드 센서를 사용하여 픽셀 배열로 분할됩니다.각 픽셀의 평균 파면 섭동이 계산됩니다.이 화소화된 웨이브프론트 맵은 변형 가능한 미러에 공급되어 대기에 의해 발생한 웨이브프론트 오류를 수정하는 데 사용됩니다.점처럼 생기지 않은 태양계 물체도 샤크-하르트만 파장 센서에 사용할 수 있으며, 태양 표면의 시간 가변 구조는 태양 망원경의 적응 광학에 일반적으로 사용된다.변형 가능한 미러는 들어오는 빛을 보정하여 이미지가 선명하게 보이도록 합니다.

가이드 스타 사용

천연 안내성

과학 표적이 너무 희미해서 광파장의 형태를 측정하는 기준별이 될 수 없기 때문에 가까운 밝은 안내별을 대신 사용할 수 있다.과학 대상의 빛은 기준 별의 빛과 거의 같은 대기 난류를 통과했기 때문에 일반적으로 더 낮은 정확도로 이미지 또한 보정됩니다.

은하수의 중심을 향하는 레이저 광선.이 레이저 빔은 AO의 가이드 스타로 사용할 수 있습니다.

기준별의 필요성은 적응형 광학 시스템이 하늘의 모든 곳에서 작동할 수 없다는 것을 의미하며, 충분한 광도를 가진 가이드별(현재 시스템의 경우 약 12~15등급)이 관측 대상과 매우 가까운 곳에서만 발견될 수 있습니다.이것은 천문학 관측을 위한 기술의 적용을 심각하게 제한한다.또 다른 주요 제한사항은 적응광학 보정이 양호한 시야가 작다는 것입니다.가이드 스타로부터의 각도가 멀어질수록, 화질은 저하합니다."다공역 적응 광학"으로 알려진 기술은 더 큰 시야를 얻기 위해 여러 변형 가능한 거울을 사용합니다.

인공 안내 별

대안은 레이저 빔을 사용하여 대기 중에 기준 광원(레이저 가이드 스타, LGS)을 생성하는 것입니다.LGS에는 레일리 가이드 별과 나트륨 가이드 별 두 종류가 있다.레일리 가이드 스타는 레이저를 보통 거의 자외선 파장으로 전파하고 15-25 km(49,000-82,000 피트)의 고도에서 공기 중의 후방 산란을 감지함으로써 작동합니다.나트륨 가이드 별들은 589 nm의 레이저 빛을 사용하여 중간권과 열권의 높은 곳에 있는 나트륨 원자들을 공명적으로 자극하고, 그 후에 "빛나는" 것처럼 보입니다.그런 다음 LGS를 자연 가이드 별과 동일한 방식으로 파면 참조로 사용할 수 있습니다. 단, 이미지 위치(팁/틸트) 정보에 (더 희미한) 자연 참조별이 여전히 필요합니다.레이저의 펄스는 종종 발생하며, 대기 측정은 펄스가 시작된 후 몇 마이크로초 후에 발생하는 창으로 제한됩니다.이를 통해 시스템은 지상 레벨에서 대부분의 산란된 빛을 무시할 수 있습니다. 대기 중 높이와 후방 높이에서 수 마이크로초 동안 이동한 빛만 실제로 감지됩니다.

망막 이미징에서

적응광학용[12] 레이저를 배치한 유럽 초대형 망원경에 대한 아티스트의 인상

안구 이상은 눈동자를 통과하는 파면의 왜곡이다.이러한 광학적 이상은 망막에 형성되는 이미지의 품질을 떨어뜨리고, 때로는 안경이나 콘택트 렌즈를 착용해야 합니다.망막 이미징의 경우, 눈에서 나오는 빛은 유사한 파면 왜곡을 수반하여 망막의 미세한 구조(세포와 모세혈관)를 분해할 수 없게 된다.안경과 콘택트 렌즈는 디포커스나 난시와 같은 "저차수 이상"을 교정하며, 이는 장기(수개월 또는 수년) 동안 사람에게 안정되는 경향이 있다.이러한 보정은 정상적인 시각 기능에는 충분하지만, 일반적으로 현미경 해상도를 달성하기에는 불충분합니다.또한, 현미경 분해능을 얻기 위해 혼수, 구면 수차, 삼포일 등의 "고차 수차"도 보정해야 합니다.고차 수차는 저차 수차와 달리 시간이 지남에 따라 안정적이지 않으며 0.1초에서 0.01초의 시간 척도로 변할 수 있습니다.이러한 수차를 보정하려면 지속적인 고주파 측정 및 보정이 필요합니다.

안구 이상 측정

안구 이상은 일반적으로 파면 센서를 사용하여 측정되며, 가장 일반적으로 사용되는 파면 센서의 유형은 Shack-Hartmann이다.안구 이상은 눈을 빠져나가는 파면의 공간적 위상 불균형에 의해 발생합니다.샤크하르트만 파면 센서에서 이들은 눈의 동공에 공역하는 동공면에 작은 렌즈(렌즈)의 2차원 배열을 배치하고 렌즈의 배면 초점면에 CCD칩을 배치함으로써 측정된다.렌즈 렛에 의해서, 스팟이 CCD칩에 포커스가 맞춰져, 이러한 스팟의 위치는 중심화 알고리즘을 사용해 계산됩니다.이 지점들의 위치는 기준 지점의 위치와 비교되며, 두 지점 사이의 변위는 파면의 국소 곡률을 결정하는데 사용되어 파면 정보를 수치적으로 재구성할 수 있다. 즉, 수차를 일으키는 위상 불균일성의 추정치이다.

눈의 이상 보정

일단 파면의 국소 위상 오차가 알려지면, 변형 가능한 거울과 같은 위상 변조기를 시스템의 동공에 공역하는 다른 평면에 배치하여 보정할 수 있습니다.위상 오류를 사용하여 파형 전면을 재구성할 수 있으며, 파형 전면은 변형 가능한 미러를 제어하는 데 사용할 수 있습니다.또는 국소 위상 오차를 직접 사용하여 변형 가능한 미러 명령을 계산할 수 있습니다.

오픈 루프와 클로즈드 루프 동작

파면오차가 파면보정기에 의해 보정되기 전에 측정되면 동작은 "개방 루프"라고 합니다.파면오차가 파면보정기에 의해 보정된 후 측정되면 동작은 "폐쇄 루프"라고 한다.후자의 경우 측정된 파면 오차가 작아지고 측정 및 보정 오류가 제거될 가능성이 높아집니다.폐쇄 루프 보정이 표준입니다.

적용들

적응광학 기술은 인간의 눈에 있는 단일 원추체 이미지를 생성하기 위해 투광망막 영상에 처음 적용되었다.이것은 또한 단일 원추체 외에 망막 미세 혈관 구조 및 관련 혈류 및 망막 색소 상피 세포의 첫 이미지를 생성하기 위해 스캔 레이저 안시경 검사와 함께 사용되어 왔다.광학 코히렌스 단층 촬영과 결합된 적응형 광학은 살아있는 원뿔형 광수용체의 첫 3차원 이미지를 수집할 [13]수 있게 했다.

현미경 검사 중

현미경 검사에서 적응광학(adaptive optics)은 샘플에 의해 유발되는 [14]이상 현상을 보정하기 위해 사용됩니다.필요한 파면 보정은 파면 센서를 사용하여 직접 측정하거나 센서리스 AO 기술을 사용하여 추정합니다.

기타 용도

GRAL은 레이저에 [15]의해 보조되는 지상층 적응 광학 기기입니다.

야간 천체 이미징과 망막 이미징을 개선하기 위해 사용되는 것 외에도 적응 광학 기술은 다른 환경에서도 사용되어 왔다.적응광학은 스웨덴의 1m 태양 망원경이나 빅 베어 태양 관측소와 같은 관측소에서 태양 천문학에 사용된다.지상 및 공중 레이저 무기가 궤도에 있는 인공위성을 포함한 먼 거리에 있는 목표물에 도달하고 파괴할 수 있도록 하는 군사적 역할도 할 것으로 기대된다.미사일방어청 공중레이저 프로그램이 그 대표적인 예다.

적응광학은 고전 및 양자[18][19] 자유공간 광통신 시스템의 성능을[16] 향상시키고 광섬유의 [20]공간 출력을 제어하기 위해 사용되어 왔다.

의료 애플리케이션에는 망막의 이미징이 포함되며, 망막은 광학 코히렌스 단층 [21]촬영과 결합되어 있습니다.또한 AOSL(Adaptive Optics Scaning Laser Optomoscope)의 개발로 인간의 망막에서 반사되는 파면의 수차를 보정하고 인간 막대 및 원추체의 [22]회절 제한 이미지를 촬영할 수 있게 되었습니다.2007년 4월에 Thorlabs가 Adaptive Scanning Optical Microscope(ASOM) 개발을 발표했습니다.적응형 및 능동형 광학 장치도 처음에는 [23]군사용으로 20/20 이상의 시야를 달성하기 위해 안경에 사용할 수 있도록 개발되고 있습니다.

파면의 전파 후에는 파면의 일부가 겹쳐서 간섭이 발생하여 적응광학이 이를 보정할 수 없게 될 수 있습니다.곡선 파면의 전파는 항상 진폭 변동으로 이어집니다.레이저 애플리케이션에서 양호한 빔 프로파일을 달성하려면 이 점을 고려해야 합니다.레이저를 이용한 재료 가공에서는 작업면상의 초점거리 변화에 대해 천공 중 초점깊이가 변화하도록 즉시 조정할 수 있다.빔 폭은 천공 모드와 절단 [24]모드 간에 전환되도록 조정할 수도 있습니다.이것에 의해, 레이저 헤드의 광섬유를 전환할 필요가 없어져, 보다 동적인 변경을 위해서 전체적인 처리 시간이 단축됩니다.

적응광학, 특히 파면 부호화 공간광변조기는 생물학적 시료를 미세 조작하는 데 사용되는 레이저 포시를 다중화 및 동적으로 재구성하기 위해 광학 트래핑 애플리케이션에서 자주 사용됩니다.

빔 안정화

비교적 간단한 예는 큰 자유공간 광통신 시스템에서 모듈 간의 레이저 빔 위치 및 방향 안정화입니다.푸리에 광학은 방향과 위치를 모두 제어하는 데 사용됩니다.실제 빔은 광다이오드로 측정됩니다.이 신호는 아날로그-디지털 변환기에 공급된 후 PID 컨트롤러 알고리즘을 실행하는 마이크로 컨트롤러에 공급됩니다.그런 다음 컨트롤러는 미러 마운트에 부착스테퍼 모터를 구동하는 디지털-아날로그 컨버터를 구동합니다.

빔이 4 사분원 다이오드의 중심에 놓일 경우 아날로그-디지털 변환기가 필요하지 않습니다.연산 증폭기로 충분합니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Beckers, J.M. (1993). "Adaptive Optics for Astronomy: Principles, Performance, and Applications". Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 31 (1): 13–62. Bibcode:1993ARA&A..31...13B. doi:10.1146/annurev.aa.31.090193.000305.
  2. ^ Booth, Martin J (15 December 2007). "Adaptive optics in microscopy" (PDF). Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 365 (1861): 2829–2843. Bibcode:2007RSPTA.365.2829B. doi:10.1098/rsta.2007.0013. PMID 17855218. S2CID 123094060. Retrieved 30 November 2012.
  3. ^ Booth, Martin J.; Schwertner, Michael; Wilson, Tony; Nakano, Masaharu; Kawata, Yoshimasa; Nakabayashi, Masahito; Miyata, Sou (1 January 2006). "Predictive aberration correction for multilayer optical data storage" (PDF). Applied Physics Letters. 88 (3): 031109. Bibcode:2006ApPhL..88c1109B. doi:10.1063/1.2166684. Retrieved 30 November 2012.
  4. ^ Roorda, A; Williams, DR (2001). "Retinal imaging using adaptive optics". In MacRae, S; Krueger, R; Applegate, RA (eds.). Customized Corneal Ablation: The Quest for SuperVision. SLACK, Inc. pp. 11–32. ISBN 978-1-55642-625-4.
  5. ^ "Improved Adaptive Optics Mirror Delivered". ESO Announcement. Retrieved 6 February 2014.
  6. ^ Babcock, H. W. (1953). "The Possibility of Compensating Astronomical Seeing". Publications of the Astronomical Society of the Pacific. 65 (386): 229. Bibcode:1953PASP...65..229B. doi:10.1086/126606.
  7. ^ "'Adaptive optics' come into focus". BBC. 18 February 2011. Retrieved 24 June 2013.
  8. ^ Joe Palca (24 June 2013). "For Sharpest Views, Scope The Sky With Quick-Change Mirrors". NPR. Retrieved 24 June 2013.
  9. ^ Watson, Jim (17 April 1997). Tip-Tilt Correction for Astronomical Telescopes using Adaptive Control (PDF). Wescon – Integrated Circuit Expo 1997.
  10. ^ Max, Claire. Introduction to Adaptive Optics and its History (PDF). American Astronomical Society 197th Meeting.
  11. ^ Hippler, Stefan (2019). "Adaptive Optics for Extremely Large Telescopes". Journal of Astronomical Instrumentation. 8 (2): 1950001–322. arXiv:1808.02693. Bibcode:2019JAI.....850001H. doi:10.1142/S2251171719500016. S2CID 119505402.
  12. ^ "Austrian Superfast Adaptive Optics Algorithms for the E-ELT". ESO. Retrieved 12 March 2014.
  13. ^ Zhang, Yan; Cense, Barry; Rha, Jungtae; Jonnal, Ravi S.; Gao, Weihua; Zawadzki, Robert J.; Werner, John S.; Jones, Steve; Olivier, Scot; Miller, Donald T. (2006). "High-speed volumetric imaging of cone photoreceptors with adaptive optics spectral-domain optical coherence tomography". Optics Express. 14 (10): 4380–94. Bibcode:2006OExpr..14.4380Z. doi:10.1364/OE.14.004380. PMC 2605071. PMID 19096730.
  14. ^ Marx, Vivien (1 December 2017). "Microscopy: hello, adaptive optics". Nature Methods. 14 (12): 1133–1136. doi:10.1038/nmeth.4508. PMID 29190270.
  15. ^ "GRAAL on a Quest to Improve HAWK-I's Vision". ESO Picture of the Week. 7 November 2011. Retrieved 18 November 2011.
  16. ^ "AOptix Technologies Introduces AO-Based FSO Communications Product". adaptiveoptics.org. June 2005. Retrieved 28 June 2010.
  17. ^ White, Henry J.; Gough, David W.; Merry, Richard; Patrick, Stephen (2004). Ross, Monte; Scott, Andrew M. (eds.). "Demonstration of free-space optical communication link incorporating a closed-loop tracking system for mobile platforms". SPIE Proceedings. Advanced Free-Space Optical Communications Techniques and Technologies. Advanced Free-Space Optical Communications Techniques and Technologies, 119: 119. Bibcode:2004SPIE.5614..119W. doi:10.1117/12.578257. S2CID 109084571.
  18. ^ Defienne, Hugo; Reichert, Matthew; Fleischer, Jason W. (4 December 2018). "Adaptive Quantum Optics with Spatially Entangled Photon Pairs". Physical Review Letters. 121 (23): 233601. arXiv:1804.00135. Bibcode:2018PhRvL.121w3601D. doi:10.1103/PhysRevLett.121.233601. PMID 30576164. S2CID 4693237.
  19. ^ Lib, Ohad; Hasson, Giora; Bromberg, Yaron (September 2020). "Real-time shaping of entangled photons by classical control and feedback". Science Advances. 6 (37): eabb6298. arXiv:1902.06653. Bibcode:2020SciA....6.6298L. doi:10.1126/sciadv.abb6298. ISSN 2375-2548. PMID 32917683. S2CID 211572445.
  20. ^ Kreysing, M.; Ott, D.; Schmidberger, M. J.; Otto, O.; Schürmann, M.; Martín-Badosa, E.; Whyte, G.; Guck, J. (2014). "Dynamic operation of optical fibres beyond the single-mode regime facilitates the orientation of biological cells". Nature Communications. 5: 5481. Bibcode:2014NatCo...5.5481K. doi:10.1038/ncomms6481. PMC 4263128. PMID 25410595.
  21. ^ "Retinal OCT Imaging System to Incorporate Adaptive Optics". adaptiveoptics.org. 10 April 2006. Retrieved 28 June 2010.
  22. ^ Roorda, Austin; Romero-Borja, Fernando; Iii, William J. Donnelly; Queener, Hope; Hebert, Thomas J.; Campbell, Melanie C. W. (6 May 2002). "Adaptive optics scanning laser ophthalmoscopy". Optics Express. 10 (9): 405–412. Bibcode:2002OExpr..10..405R. doi:10.1364/OE.10.000405. ISSN 1094-4087. PMID 19436374.
  23. ^ "PixelOptics to Develop SuperVision for U.S. Military; $3.5 Million in Funding Provided". ASDNews. 11 January 2006. Archived from the original on 7 July 2011. Retrieved 28 June 2010.
  24. ^ "Laser optics: Special delivery". www.thefabricator.com. Retrieved 14 February 2019.

추가 정보

외부 링크