適応光学

適応光学（AO）は、光の歪みを補正するためにミラーを正確に変形する技術です。天体 望遠鏡^{[1]やレーザー通信システムでは}大気の歪みの影響を除去するために、顕微鏡^[2]や 光学加工^[3]、網膜画像システム^[4]では光学収差を減らすために使用されています。適応光学は、波面の歪みを測定し、変形可能なミラーや液晶アレイなどのエラーを修正するデバイスで歪みを補正することによって機能します。

適応光学は、主鏡の形状を修正するためにより長い時間スケールで動作する 能動光学と混同しないでください。

スペックルイメージング、開口合成、ラッキーイメージングなどの他の方法では、大気の歪みによって課せられる限界を超える分解能を達成したり、ハッブル宇宙望遠鏡などの宇宙望遠鏡を大気圏外に出すことによっても達成できます。

適応光学は1953年にホレス・W・バブコックによって初めて構想され、^{[6] [7]}ポール・アンダーソンの小説「タウ・ゼロ」 （1970年）などのSFでも検討されましたが、1990年代のコンピュータ技術の進歩によってこの技術が実用化されるまでは一般には普及しませんでした。

適応光学に関する初期の開発作業の一部は冷戦中に米軍によって行われ、ソ連の衛星を追跡するために使用することを目的としていた。^[8]

微小電気機械システム(MEMS)変形可能ミラーと磁気コンセプト変形可能ミラーは、その汎用性、ストローク、技術の成熟度、および高解像度の波面補正が可能であることを考慮すると、現在、適応光学の波面形成アプリケーションで最も広く使用されている技術です。

適応光学の最も単純な形態はチップチルト補正であり、^[9]これは2次元での波面の傾きの補正（画像の位置オフセットの補正に相当）に相当する。これは、2つの軸を中心に小さな回転を行う高速移動チップチルトミラーを使用して実行される。大気によってもたらされる収差の大部分は、この方法で除去することができる。^[10]

チップ・ティルトミラーは、複数のセグメントを独立して傾けたり傾けたりできるのではなく、1つのセグメントのみを傾けたり傾けたりできるセグメント化されたミラーです。このようなミラーは比較的単純で、ストロークが大きいため、補正力も大きいため、ほとんどのAOシステムでは、まず低次の収差を補正するためにこれを使用します。高次の収差は、その後、変形ミラーで補正することができます。^[10]

星や他の天体からの光が地球の大気圏に入ると、大気の乱流（例えば、異なる温度層や異なる風速の相互作用によって生じる）によって画像がさまざまな形で歪んだり動いたりすることがあります。^[11]約20センチメートル（0.20メートル、7.9インチ）を超える望遠鏡で撮影された可視画像は、これらの歪みによってぼやけます。

適応光学システムは、天体光の一部を取り込む波面センサー、光路上に配置された可変形状ミラー、および検出器からの入力を受け取るコンピュータを使用して、これらの歪みを補正しようとします。 ^[12]波面センサーは、大気がもたらした歪みを数ミリ秒のタイムスケールで測定します。コンピュータは歪みを補正するための最適なミラー形状を計算し、それに応じて可変形状ミラーの表面が再形成されます。たとえば、8〜10メートル（800〜1,000 cm、310〜390インチ）の望遠鏡（VLTやケックなど）は、赤外線波長で30〜60ミリ秒角（ mas）の角度分解能でAO補正された画像を生成できますが、補正なしの分解能は1秒角のオーダーです。}

適応光学補正を行うには、入射波面の形状を望遠鏡の開口面の位置の関数として測定する必要があります。通常、円形の望遠鏡の開口は、波面センサーのピクセルの配列に分割されます。これには、小さなレンズレットの配列(シャック・ハルトマン波面センサー) を使用するか、望遠鏡の開口の画像を処理する曲率センサーまたはピラミッドセンサーを使用します。各ピクセルの平均波面摂動が計算されます。この波面のピクセル化されたマップは、変形可能ミラーに送られ、大気によってもたらされる波面エラーを補正するために使用されます。天体の形状やサイズを知る必要はありません。点状ではない太陽系の物体でもシャック・ハルトマン波面センサーで使用できます。また、太陽表面の時間的に変化する構造は、太陽望遠鏡の適応光学によく使用されます。変形可能ミラーは、画像が鮮明に見えるように入射光を補正します。

科学ターゲットは、光波面の形状を測定するための基準星として使用するには暗すぎる場合が多いため、代わりに近くのより明るいガイド星を使用することができます。科学ターゲットからの光は、基準星の光とほぼ同じ大気の乱流を通過しているため、その画像も補正されますが、一般的に精度は低くなります。

基準星が必要なため、適応光学システムは天空のどこでも機能するわけではなく、十分な明るさ​​のガイド星（現在のシステムでは、約12 ～ 15等級）が観測対象に非常に近い場所でのみ機能します。これにより、天体観測へのこの技術の適用が著しく制限されます。もう 1 つの大きな制限は、適応光学補正が有効な視野が狭いことです。ガイド星からの角度距離が大きくなると、画像の品質が低下します。「マルチ共役適応光学」と呼ばれる技術では、複数の変形可能なミラーを使用して視野を広げます。^[13]

代替案としては、レーザー ビームを使用して大気中に基準光源 (レーザー ガイド スター、LGS) を生成する方法があります。LGS には、レイリーガイド スターとナトリウムガイド スターの 2 種類があります。レイリー ガイド スターは、通常紫外線に近い波長のレーザーを伝播し、高度 15～25 km (49,000～82,000 フィート) の空気からの後方散乱を検出することによって機能します。ナトリウム ガイド スターは、589 nmのレーザー光を使用して、中間圏と熱圏のより高い場所にあるナトリウム原子を共鳴励起し、その原子が「光って」見えるようにします。その後、LGS は、自然のガイド スターと同じように波面基準として使用できます。ただし、画像の位置 (チップ/チルト) 情報には、(はるかに暗い) 自然の参照星が依然として必要です。レーザーはパルス化されることが多く、大気の測定は、パルスが発射されてから数マイクロ秒後に発生するウィンドウに限定されます。これにより、システムは地上レベルでの散乱光のほとんどを無視できます。実際に検出されるのは、大気圏上空を数マイクロ秒間移動して戻ってきた光だけです。

眼の収差は、目の瞳孔を通過する波面の歪みです。これらの光学的収差は、網膜上に形成される画像の品質を低下させ、時には眼鏡やコンタクトレンズの着用を必要とします。網膜画像の場合、目から出る光は同様の波面歪みを伴うため、網膜の微細構造（細胞や毛細血管）を解像できなくなります。眼鏡やコンタクトレンズは、焦点ぼけや乱視などの「低次収差」を補正しますが、これらは人間の場合、長期間（数か月または数年）安定する傾向があります。これらの補正は、通常の視覚機能には十分ですが、一般に、微視的解像度を達成するには不十分です。さらに、微視的解像度を達成するには、コマ収差、球面収差、トレフォイルなどの「高次収差」も補正する必要があります。高次収差は低次収差とは異なり、時間の経過とともに安定せず、0.1 秒から 0.01 秒の時間スケールで変化する可能性があります。これらの収差を補正するには、継続的な高頻度の測定と補正が必要です。

眼球の収差は一般に波面センサーを使用して測定され、最も一般的に使用されるタイプの波面センサーはシャック・ハルトマンです。眼球の収差は、眼球から出る波面の空間的な位相不均一性によって引き起こされます。シャック・ハルトマン波面センサーでは、眼球の瞳孔と共役な瞳孔面に小さなレンズ (レンズレット) の 2 次元アレイを配置し、レンズレットの後焦点面に CCD チップを配置することで、眼球の収差が測定されます。レンズレットによってスポットが CCD チップ上に焦点を合わせ、これらのスポットの位置は重心アルゴリズムを使用して計算されます。これらのスポットの位置は参照スポットの位置と比較され、2 つの間の変位を使用して波面の局所的な曲率が決定され、波面情報 (収差の原因となる位相不均一性の推定値) を数値的に再構築できます。

波面の局所位相誤差がわかれば、可変形ミラーなどの位相変調器を、目の瞳孔と共役なシステム内の別の平面に配置することで、補正できます。位相誤差を使用して波面を再構成し、可変形ミラーを制御することができます。または、局所位相誤差を直接使用して、可変形ミラーの指示を計算することもできます。

波面誤差が波面補正器によって補正される前に測定される場合、その動作は「オープン ループ」であると言われます。

波面誤差が波面補正器によって補正された後に測定される場合、その動作は「閉ループ」であると言われます。後者の場合、測定される波面誤差は小さくなり、測定および補正における誤差が除去される可能性が高くなります。閉ループ補正が標準です。

適応光学は、最初に投光照明網膜画像化に応用され、生きた人間の目の単一錐体細胞の画像を生成するために使用されました。また、走査型レーザー眼底検査と組み合わせて使用​​され、単一錐体細胞に加えて、網膜の微小血管とそれに関連する血流、網膜色素上皮細胞の最初の画像が生成されました（これも生きた人間の目において）。光干渉断層撮影と組み合わせることで、適応光学は生きた錐体光受容体の最初の3次元画像を収集することを可能にした。^[14]

顕微鏡では、適応光学はサンプル誘起収差を補正するために使用されます。^[15]必要な波面補正は、波面センサーを使用して直接測定するか、センサーレスAO技術を使用して推定します。

夜間天体画像や網膜画像の改善に使用されるほか、補償光学技術は他の場面でも使用されています。補償光学は、スウェーデンの 1 メートル太陽望遠鏡、ダン太陽望遠鏡、ビッグベア太陽観測所などの観測所で太陽天文学に使用されています。また、地上および空中のレーザー兵器が軌道上の衛星を含む遠距離のターゲットに到達して破壊できるようにすることで、軍事的役割を果たすことも期待されています。ミサイル防衛局の 空中レーザープログラムがその主な例です。

^{適応光学は、古典的[17] [18]} および量子^{[19] [20]} 自由空間光通信システムの性能を向上させ、光ファイバーの空間出力を制御するために使用されてきた。^[21]

医療用途には網膜の画像化があり、光干渉断層撮影法と組み合わせて使用​​されています。^[22]また、適応光学走査型レーザー検眼鏡（AOSLO）の開発により、人間の網膜から反射される波面の収差を補正し、人間の桿体と錐体の回折限界画像を撮影できるようになりました。^[23]適応光学と能動光学は、20/20以上の視力を実現する眼鏡に使用するためにも開発されており、当初は軍事用途に使用されていました。^[24]

波面の伝播後、波面の一部が重なり合って干渉を引き起こし、適応光学による補正が妨げられることがあります。湾曲した波面の伝播は常に振幅の変化をもたらします。レーザーアプリケーションで良好なビームプロファイルを実現するには、この点を考慮する必要があります。レーザーを使用した材料加工では、作業面全体の焦点距離の変化に応じて、ピアシング中に焦点深度を変化させられるように、オンザフライで調整を行うことができます。ビーム幅を調整して、ピアシングモードと切断モードを切り替えることもできます。^[25]これにより、レーザーヘッドの光学系を切り替える必要がなくなり、より動的な変更のための全体的な処理時間が短縮されます。

適応光学、特に波面符号化空間光変調器は、生物学的標本の微細操作に使用されるレーザー焦点を多重化し、動的に再構成するための 光トラッピングアプリケーションで頻繁に使用されます。

かなり単純な例としては、大規模な自由空間光通信システムにおけるモジュール間のレーザービームの位置と方向の安定化が挙げられます。方向と位置の両方を制御するために、フーリエ光学が使用されます。実際のビームはフォトダイオードによって測定されます。この信号は、アナログ/デジタル コンバーターに送られ、次にPID コントローラーアルゴリズムを実行するマイクロコントローラーに送られます。次に、コントローラーは、ミラー マウントに取り付けられたステッピング モーターを駆動するデジタル/アナログ コンバーターを駆動します。

ビームを 4 象限ダイオード上に中心に合わせる場合、アナログ - デジタル コンバータは必要ありません。オペアンプで十分です。

• アクティブ光学
• 焦点調節可能な眼鏡
• 角直径
• 角度サイズ
• 大気補正（地球の衛星画像用）
• クレア・マックス、適応光学の先駆者
• 変形ミラー
• グリーンウッド周波数
• ホログラフィー: リアルタイム ホログラフィー
• 画像安定化
• 望遠鏡の部品と構造のリスト
• 非線形光学：光位相共役
• ヴァン・チッタート・ゼルニケの定理#補償光学
• 波面
• 波面センサー
• ウィリアム・ハッパー、適応光学の先駆者

• ダフナー、ロバート W.; フゲイト、ロバート Q. (2009)。適応光学革命: 歴史。ニューメキシコ大学出版局。ISBN 978-0-8263-4691-9。
• Thomas H. Rimmele、Jose Marino (2011)。「太陽光適応光学」。Living Rev. Sol. Phys . 8 (2): 2. Bibcode : 2011LRSP....8....2R. doi : 10.12942/lrsp-2011-2 . PMC  4841189. PMID  27194964.
• タイソン、ロバート (2010)。適応光学の原理(第 3 版)。テイラー & フランシス。書誌コード:1991pao..book.....T. ISBN 978-1-4398-0858-0。
• ロディエ、フランソワ (2004 年 11 月)。フランソワ ロディエ (編)。天文学における適応光学。ケンブリッジ、英国: ケンブリッジ大学出版局。p. 419。Bibcode : 2004aoa..book..... R。ISBN 978-0-521-61214-2。

ウィキメディア・コモンズには、適応光学に関連するメディアがあります。

• 第10回産業と医療のための適応光学に関する国際ワークショップ、パドヴァ（イタリア）、2015年6月15～19日
• CTIO での補償光学チュートリアル A. Tokovinin
• 適応光学に関心を持つ研究グループおよび企業
• 適応光学を備えた宇宙望遠鏡と地上望遠鏡
• VLT アダプティブ オプティクスの 10 年 (ESO : ann11078 : 2011 年 11 月 25 日)
• 適応光学センター