적응광학
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1. 개요
적응광학은 대기나 눈과 같은 매질의 왜곡을 보정하여 선명한 이미지를 얻는 기술이다. 1953년 호레이스 W. 밥콕에 의해 처음 제안되었으며, 1990년대 컴퓨터 기술의 발달로 실용화되었다. 천문학에서는 대기 난류로 인한 별의 상 왜곡을 보정하여 망원경의 성능을 향상시키고, 안과학에서는 눈의 수차를 측정하고 보정하여 망막 영상의 질을 개선하는 데 사용된다. 적응광학은 파면 센서를 사용하여 왜곡을 측정하고, 가변 거울을 통해 이를 보정하며, 레이저 가이드 별을 활용하여 관측 범위를 넓힐 수 있다. 능동 광학은 적응 광학과 유사하게 광학 시스템의 정렬 및 형상을 유지하는 기술로, 대구경 망원경의 성능을 유지하는 데 기여한다.
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- 망원경 - 능동 광학
능동 광학은 대형 반사 망원경에서 바람, 중력, 온도 변화로 인한 거울의 변형을 보정하기 위해 거울 형태를 실시간으로 조정하는 기술로, 액추에이터, 영상 품질 검출기, 제어 컴퓨터로 구성되어 다양한 분야에 활용된다. - 망원경 - 굴절 망원경
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| 적응광학 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 설명 | 광학 시스템의 성능을 향상시키기 위해 파면을 제어하는 기술 |
| 작동 원리 | |
| 기본 원리 | 대기 난류나 광학적 결함으로 인해 발생하는 파면 수차를 실시간으로 보정하여 광학 시스템의 분해능과 감도를 향상시키는 기술임. 파면 센서를 사용하여 수차를 측정하고, 보정 광학 장치(예: 변형 거울)를 사용하여 이를 보정함. |
| 주요 구성 요소 | |
| 파면 센서 | 입사광의 파면을 측정하여 수차를 분석하는 장치 |
| 보정 광학 장치 | 측정된 수차를 보정하기 위해 빛의 경로를 조절하는 장치 (예: 변형 거울) |
| 제어 시스템 | 파면 센서의 데이터를 기반으로 보정 광학 장치를 제어하여 실시간으로 수차를 보정하는 시스템 |
| 응용 분야 | |
| 천문학 | 대기 난류로 인한 별빛의 번짐을 보정하여 망원경의 분해능을 향상시킴. 희미한 천체를 관측하거나 외계 행성을 직접 이미징하는 데 사용됨. |
| 현미경 | 생물학적 샘플 내부의 수차를 보정하여 고해상도 이미지를 얻을 수 있도록 함. 세포 구조를 더 자세히 관찰하거나 살아있는 세포의 활동을 실시간으로 모니터링하는 데 사용됨. |
| 레이저 통신 | 대기를 통과하는 레이저 빔의 왜곡을 보정하여 통신 품질을 향상시킴. |
| 안과 | 눈의 광학적 결함을 보정하여 시력 교정 수술의 정확도를 높이거나 망막 이미징의 품질을 향상시킴. |
| 기타 | 레이저 무기 자유 공간 광학 망막 이미징 광학 데이터 저장 |
| 종류 | |
| MOEMS 적응 광학 | MOEMS(Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems) 기술을 사용하여 소형화된 적응 광학 시스템 |
| 다중 접합 적응 광학 | 여러 개의 변형 거울을 사용하여 더 복잡한 수차를 보정하는 시스템 |
| 레이저 유도 별 | 대기 중에 레이저를 발사하여 인공적인 별을 만들어 적응 광학 시스템의 성능을 향상시키는 기술 |
| 코로노그래프 | 별빛을 차단하고 주변의 희미한 천체를 관측하는 데 사용되는 장치 |
| 예측적 수차 보정 | 다층 광학 데이터 저장과 같이 수차가 미리 알려진 시스템에 사용되는 기술 |
| 관련 기술 | |
| 파면 제어 | 광학 시스템에서 발생하는 파면 수차를 보정하여 이미지 품질을 개선하는 기술 |
| 능동 광학 | 광학 부품의 모양이나 위치를 능동적으로 제어하여 광학 시스템의 성능을 최적화하는 기술 |
2. 역사
1953년 호레이스 W. 밥콕이 적응광학을 처음 구상했으며,[6][7] 1970년 폴 앤더슨의 소설 ''타우 제로''에서도 언급되었지만, 1990년대 컴퓨터 기술의 발달로 실용화되기 시작했다.
냉전 시대에 미국 군부는 소련 위성을 추적하기 위해 적응광학 기술을 개발했다.[8] 미세 전자기계 시스템(MEMS) 가변 거울과 자기식 가변 거울은 현재 적응광학의 파면 성형 응용 분야에서 가장 널리 사용되는 기술이다.
1989년 2월, 미국은 타국의 군사용 정찰 위성 관측을 위해 보상 광학 기술을 완성했다. 1991년 5월 미국 천문학회에서 윌리엄 해퍼 등이 이 기술을 공개하면서 널리 연구, 응용되기 시작했다.
2012년에는 일본 국립 천문대 등의 연구팀이 스바루 망원경의 고성능 보상 광학 장치로 가시광선에서 관측에 성공하여,[29] 관측 정밀도 향상이 기대되고 있다.
2. 1. 팁-틸트 보정
적응 광학의 가장 간단한 형태는 ''팁-틸트 보정''[9]인데, 이는 2차원 파면의 틸트 보정(이미지 위치 오프셋 보정과 동일)에 해당한다. 이는 두 축을 중심으로 작은 회전을 하는 빠르게 움직이는 팁-틸트 미러를 사용하여 수행된다. 대기가 유발하는 광학적 수차의 상당 부분을 이러한 방식으로 제거할 수 있다.[10]팁-틸트 미러는 독립적으로 팁과 틸트를 할 수 있는 여러 세그먼트의 배열을 갖는 대신 팁과 틸트만 할 수 있는 하나의 세그먼트를 갖는 사실상 분할 미러이다. 이러한 미러의 상대적인 단순성과 큰 스트로크(즉, 큰 보정력)로 인해 대부분의 적응광학(AO) 시스템은 이러한 미러를 사용하여 먼저 낮은 차수의 수차를 보정한다. 그 후, 변형 거울을 사용하여 고차 수차를 보정할 수 있다.[10]
3. 천문학에서의 응용
보상 광학은 대기의 요동으로 생기는 별의 상 굴절[27]을 파면 센서로 포착하여 전자 제어 회로를 거쳐 가변형 거울[28]을 변형시켜 천체나 물체의 상을 정확하게 포착하는 기술이다. 공학적으로는 전자공학의 위상 고정 루프와 유사한 원리에 기반한다.
현재는 파장의 문제로 주로 적외선 관측에 사용되지만, 2012년 일본 국립 천문대 연구팀이 스바루 망원경의 고성능 보상 광학 장치로 가시광선에서 성공하여[29] 관측 정밀도 향상이 기대된다.
이 기술은 당초 미국이 타국의 군사용 정찰 위성 관측을 위해 개발하였고, 1989년 2월에 완성되었다. 1991년 5월 미국 천문학회에서 처음 공개되어 널리 연구, 응용되고 있다.
3. 1. 대기 시상 (Atmospheric Seeing)
별 또는 다른 천문학적 물체에서 나오는 빛이 지구 대기로 들어갈 때, 대기 중의 난류(예를 들어, 서로 다른 온도층과 서로 다른 풍속의 상호 작용에 의해 발생)는 이미지를 다양한 방식으로 왜곡하고 움직일 수 있다.[11] 약 20cm보다 큰 모든 망원경이 생성하는 시각적 이미지는 이러한 왜곡으로 인해 흐려진다.
3. 2. 파면 감지 및 보정 (Wavefront Sensing and Correction)
파면 센서를 사용하여 몇 밀리초의 시간 척도로 대기가 유발한 왜곡을 실시간으로 측정한다.[12] 변형 거울을 사용하여 광학 수차를 보정한다. 일반적으로 원형 망원경 조리개는 작은 렌즈 배열(섀크-하트만 파면 센서)을 사용하거나, 망원경 조리개 이미지를 기반으로 작동하는 곡률 또는 피라미드 센서를 사용하여 파면 센서의 픽셀 배열로 분할된다. 각 픽셀의 평균 파면 섭동이 계산된다. 이러한 파면의 픽셀화된 맵은 변형 거울에 공급되어 대기가 도입한 파면 오류를 수정하는 데 사용된다. 천문학적 대상의 모양이나 크기를 알 필요는 없으며, 점과 같지 않은 태양계의 대상도 섀크-하트만 파면 센서에서 사용할 수 있다. 태양 표면의 시간에 따라 변화하는 구조는 태양 망원경에서 적응광학에 일반적으로 사용된다.[12] 변형 거울은 입사광을 수정하여 이미지가 선명하게 보이도록 한다.보상 광학은 대기의 요동 등으로 생기는 별의 상의 굴절[27]을 파면 센서로 포착하여 전자 제어 회로를 거쳐 가변형 거울[28]을 변형시킴으로써 대상이 되는 천체나 물체의 상을 정확하게 포착하기 위한 기술이다.
파면 센서는 샤크-하트만 센서와 곡률 센서가 대표적이다. 샤크-하트만 센서는 미세한 렌즈 배열을 통해 상의 어긋남을 측정하며, 가장 일반적인 방식이다. 곡률 센서는 센서 본체의 이동을 통해 광도 변화를 감지하여 파동 간섭에 의한 파면의 상태를 파악한다.
3. 3. 가이드 별 (Guide Stars)
보상 광학에서 파면 측정을 위한 기준 광원으로 가이드 별이 사용된다. 가이드 별은 파면 센서를 통해 별의 상의 굴절을 포착하고, 가변형 거울을 조정하여 천체나 물체의 상을 정확하게 포착하는데 사용된다.[27][28]3. 3. 1. 자연 가이드 별 (Natural Guide Stars)
과학 관측 대상은 종종 너무 희미하여 광학 파면의 모양을 측정하기 위한 기준별로 사용하기 어렵기 때문에, 근처의 더 밝은 가이드 별을 대신 사용할 수 있다. 과학 관측 대상에서 오는 빛은 기준 별의 빛과 거의 동일한 대기 난류를 통과했으므로, 그 이미지도 보정되지만 일반적으로는 정확도가 낮다.[13]기준 별의 필요성은 적응 광학 시스템이 하늘의 모든 곳에서 작동할 수 있는 것이 아니라, 관측 대상 근처에서 충분한 광도를 가진 가이드 별(현재 시스템의 경우 약 12~15등급)을 찾을 수 있는 곳에서만 작동한다는 것을 의미한다. 이는 천문 관측에 이 기술을 적용하는 것을 심각하게 제한한다. 또 다른 주요 제한 사항은 적응 광학 보정이 유효한 시야가 좁다는 것이다. 가이드 별로부터의 각 거리가 증가함에 따라 이미지 품질이 저하된다. "다중 공액 적응 광학"이라고 알려진 기술은 더 넓은 시야를 얻기 위해 여러 개의 변형 거울을 사용한다.[13]
3. 3. 2. 인공 가이드 별 (Artificial Guide Stars)
레이저를 사용하여 대기 중에 기준 광원(레이저 가이드 별, LGS)을 생성하는 방법이 있다. LGS에는 레일리 산란 가이드 별과 나트륨 가이드 별의 두 가지 종류가 있다. 레일리 가이드 별은 일반적으로 거의 자외선 파장의 레이저를 전파하고 15km에서 25km 고도에서 공기로부터의 후방 산란을 감지한다. 나트륨 가이드 별은 589 nm의 레이저 빛을 사용하여 중간권 및 열권의 더 높은 곳에 있는 나트륨 원자를 공명적으로 여기시켜 "빛나게"한다. LGS는 자연 가이드 별과 동일한 방식으로 파면 참조로 사용될 수 있지만, (훨씬 더 희미한) 자연 기준 별은 여전히 이미지 위치(팁/틸트) 정보를 위해 필요하다. 레이저는 종종 펄스화되며, 대기 측정은 펄스가 발사된 후 몇 마이크로초 동안 발생하는 창으로 제한된다. 이를 통해 시스템은 지상 수준에서 산란된 대부분의 빛을 무시하고, 실제로 감지되는 것은 대기 상층부로 몇 마이크로초 동안 이동했다가 다시 돌아온 빛뿐이다.4. 안과학에서의 응용
안구 수차는 눈의 동공을 통과하는 빛의 파면이 왜곡되는 현상이다. 이러한 광학 수차는 망막에 맺히는 상의 질을 떨어뜨린다. 망막을 촬영할 때, 눈에서 나오는 빛에도 파면 왜곡이 있어 세포나 모세혈관 같은 미세 구조를 선명하게 보기 어렵다. 안경이나 콘택트 렌즈는 초점 이탈, 난시와 같이 비교적 오랫동안 변하지 않는 저차 수차는 교정할 수 있지만, 미세한 부분까지 선명하게 보기에는 부족하다. 코마, 구면 수차, 트레포일 같은 고차 수차는 시간에 따라 빠르게 변하므로(0.1~0.01초), 이를 교정하려면 지속적이고 빠른 측정과 보정이 필요하다.
4. 1. 안구 수차 측정
눈의 수차는 일반적으로 파면 센서를 사용하여 측정하며, 가장 많이 사용되는 파면 센서는 섀크-하트만 방식이다. 눈의 수차는 눈에서 나오는 파면의 공간 위상 불균일성 때문에 발생한다. 섀크-하트만 파면 센서에서 이러한 수차는 눈의 동공과 켤레인 동공면에 작은 렌즈(렌즈렛)의 2차원 배열을 놓고, 렌즈렛의 후면 초점면에 CCD 칩을 배치하여 측정한다. 렌즈렛은 CCD 칩에 스폿을 초점화하고, 이러한 스폿의 위치는 중심 계산 알고리즘을 사용하여 계산된다. 이러한 스폿의 위치는 기준 스폿의 위치와 비교되며, 두 스폿 간의 변위를 사용하여 파면의 국부적인 곡률을 결정하여 파면 정보를 수치적으로 재구성할 수 있다. 이는 수차를 유발하는 위상 불균일성의 추정치이다.4. 2. 안구 수차 보정
파면의 국소 위상 오차가 알려지면, 눈의 동공에 공액인 시스템의 또 다른 평면에 변형 거울과 같은 위상 변조기를 배치하여 이를 보정할 수 있다.[1] 위상 오차를 사용하여 파면을 재구성할 수 있으며, 이를 사용하여 변형 거울을 제어할 수 있다.[1] 또는 국소 위상 오차를 직접 사용하여 변형 거울 지침을 계산할 수 있다.[1]4. 3. 개방 루프 및 폐쇄 루프 작동
파면 오차가 파면 보정기에 의해 보정되기 전에 측정되면, 작동은 "개방 루프"라고 한다. 파면 오차가 파면 보정기에 의해 보정된 후에 측정되면, 작동은 "폐쇄 루프"라고 한다. 후자의 경우, 측정된 파면 오차는 작을 것이며, 측정 및 보정에서의 오류가 제거될 가능성이 더 높다. 폐쇄 루프 보정이 일반적이다.[14]이 시스템은 파면 센서와 가변형 거울, 그리고 이를 제어하는 위상 제어 계산기를 통해 위상 보정이 이루어진다. 파면 센서는 샤크-하트만 센서와 곡률 센서가 대표적이다. 샤크-하트만 센서는 미세한 렌즈 배열을 통해 상의 어긋남을 측정하며, 가장 일반적인 방식이다. 곡률 센서는 센서 본체의 이동을 통해 광도 변화를 감지하여 파동 간섭에 의한 파면의 상태를 파악한다.
이러한 센서들이 감지한 정보를 바탕으로 위상 제어 계산기는 가변형 거울을 제어하기 위한 제어 신호 벡터(전압)를 생성한다. 기본적으로 인접한 센서 그룹의 매트릭스(행렬) 연산에 의한 것으로, 그다지 고도의 기술은 필요하지 않다.
이 신호에 의해 제어되는 액추에이터의 미세한 움직임으로 가변형 거울이 변형되어, 광로로 유도된 별의 상에 대한 위상 보정이 이루어진다.
5. 현미경학에서의 응용
현미경에서 적응 광학은 시료로 인한 수차를 보정하는 데 사용된다.[15] 필요한 파면 보정은 파면 센서를 사용하여 직접 측정하거나 센서리스(sensorless) AO 기술을 사용하여 추정한다.
6. 기타 응용 분야
적응 광학 기술은 야간 천문 영상 및 망막 영상 개선 외에도 다른 분야에서도 사용된다.
적응 광학은 스웨덴 태양 망원경, 던 태양 망원경, 빅 베어 태양 관측소와 같은 관측소에서 태양 천문학에 사용된다.[16] 군사 분야에서는 지상 및 공중 기반 레이저 무기가 궤도상의 위성을 포함한 원거리 목표물을 파괴할 수 있도록 하는 데 활용될 것으로 예상된다. 미사일 방어청의 공중 레이저 프로그램이 대표적인 예이다.
적응 광학은 기존의[17][18] 및 양자[19][20] 자유 공간 광 통신 시스템의 성능을 향상시키고, 광섬유의 공간 출력을 제어하는 데 사용되어 왔다.[21]
의학적 응용 분야로는 광 간섭 단층 촬영법과 결합된 망막 영상이 있다.[22] 또한, 적응 광학 주사 레이저 검안경(AOSLO)의 개발로 인간 망막에서 반사되는 파면의 수차를 보정하고 인간의 간상체와 원추체의 회절 제한 영상을 얻을 수 있게 되었다.[23] 적응 광학 및 능동 광학은 20/20 시력보다 더 나은 시력을 달성하기 위한 안경뿐만 아니라 군사적 응용 분야를 위해서도 개발되고 있다.[24]
파면의 전파 후, 일부는 겹쳐져 간섭을 일으키고 적응 광학이 이를 수정하지 못하게 할 수 있다. 곡면 파면의 전파는 항상 진폭 변화를 유발하므로, 레이저 응용 분야에서 양호한 빔 프로파일을 얻으려면 이를 고려해야 한다. 레이저를 사용한 재료 가공에서, 가공 표면 전체에서 초점 길이의 변화에 따라 관통 중 초점 심도의 변화를 허용하기 위해 즉석에서 조정을 할 수 있다. 빔 폭도 관통 모드와 절단 모드를 전환하도록 조정할 수 있어,[25] 레이저 헤드의 광학 장치를 교체할 필요 없이 보다 동적인 수정이 가능하다.
적응 광학, 특히 파면 코딩 공간 광 변조기는 광 트랩 응용 분야에서 생물학적 표본을 미세 조작하는 데 사용되는 레이저 초점을 다중화하고 동적으로 재구성하는 데 자주 사용된다.
비선형 광학 결정체를 사용한 "위상 공액 거울"을 이용한 보상 광학을 통한 천문 관측 성능 향상에 대한 연구도 이루어지고 있다.
7. 능동 광학 (Active Optics)
능동 광학(Active Optics영어)은 보상 광학과 유사하지만, 더 느린 시간 척도에서 광학 시스템의 정렬 및 형상을 유지하는 기술이다. 켁 천문대, 스바루 망원경, 노베야마 우주 전파 관측소 등에서 활용되고 있다.[27]
- 켁 천문대의 분할 거울을 한 점의 초점에 맞추기 위한 광학 기술[27]
- 스바루 망원경의 주경이 중력에 의해 변형되기 때문에, 이를 포물면으로 유지하기 위한 광학 기술[27]
- 노베야마 우주 전파 관측소의 45m 밀리미터파 망원경의 주경이 중력에 의해 변형되기 때문에, 이를 포물면으로 유지하기 위한 호몰로가스 변형법[27]
이러한 기술은 정적 서포트(Static Support)와 능동 서포트(Active Support)로 구분된다. 켁 천문대와 스바루 망원경은 능동 서포트에 의한 보상 광학 기술로 주경면의 정밀도를 유지하고 회절 한계를 목표로 설계되었다. 대구경 주경은 무게 때문에 위치에 따라 포물면이 유지되지 않고, 주경의 다른 위치에서 반사된 빛이 초점에서 한 점으로 수렴하지 않고 분산되는 것을 보정해야 하기 때문이다.[27]
노베야마 우주 전파 관측소의 45m 밀리미터파 망원경 및 반사식 망원경의 주경을 지지하기 위한 다점 지지 장치는 정적 서포트로 분류된다. 다만, 45m 밀리미터파 망원경은 중력에 의한 주경 변형을 활용하여 주경면과 부경면 사이에서 초점이 유지되는 장치가 마련되어 있다.[27]
능동 서포트는 파장이 짧아 주경의 작은 왜곡이 성능에 큰 영향을 미치는 경우에 활용된다. 정적 서포트는 어느 정도 허용 가능한 범위, 또는 중량물을 지지함으로써 경면 유지 보수 및 자연의 힘을 이용한 지지 장치라고 할 수 있다.[27]
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