補償光学：光学的ゆがみをリアルタイムで補正する技術

補償光学の仕組み

基本的な制御ループでは、入射波面を測定し、補正指令を算出したうえで、その指令を可変形素子に加える。これにより、合成された波面をより平坦にする。典型的なシステムは、波面センサー（たとえばシャック・ハルトマンセンサー）、演算とフィルタリングを実行するリアルタイム制御装置、ならびに可変形鏡などの補正素子から構成される。補正は変化する乱流を追従できる十分に高い速度で算出・適用しなければならない。そのため、現代のAOは高速検出器、低遅延の電子回路、最適化されたアルゴリズムに依存している。計算要件に関する説明も参照。補正素子には、連続面板型の鏡、分割鏡、あるいは微小電気機械システム（MEMS）に基づくデバイスを使用できる。鏡の選択肢については可変形鏡の技術に詳しい。

主要な構成要素

• 波面センサー：局所的な波面の傾きまたは位相を測定する。代表的な方式には、シャック・ハルトマン型、曲率型、干渉計型のセンサーがある。
• 補正素子：可変形鏡と高速ティップ・チルト鏡は、低次および高次の補正を担う。一部の限られた用途では、可変焦点レンズや液晶デバイスも用いられる。
• リアルタイム制御装置：センサーのデータをアクチュエータの指令へ変換する。遅延の影響を抑えるため、積分器、モード制御、予測フィルターがしばしば利用される。
• 基準光源：自然ガイド星またはレーザーガイド星が大気乱流を調べるためのプローブとなる。明るい星を利用できない場合、レーザーによって人工的なビーコンを生成する。

波面センシングと大気に関する考慮事項

大気乱流は、望遠鏡の開口全体にわたってランダムな位相ゆがみを生じさせる。フリードのコヒーレンス長（r0）、グリーンウッド周波数、アイソプラナティック角などの特性パラメータは、AOが対処すべき空間的・時間的なスケールを定める。良好な観測条件では、可視光波長におけるr0は数十センチメートル程度となり得るが、観測地点や天候によって変動する。レーザーガイド星技術は、適切な自然ガイド星が少ない領域で空のカバー範囲を広げる助けとなる。ただし、コーン効果や、自然星からティップ・チルトを検出する必要性といった追加の問題を伴う。

性能指標と限界

性能は、しばしばストレール比（画像のピーク強度を理論上の回折限界ピークで割った比）または残差二乗平均平方根波面誤差によって定量化される。制約となる要因には、ガイド星の有限の明るさ、センサー雑音と検出器速度、制御ループの遅延、アクチュエータのストロークと密度、ならびに単一の補正が有効であり続ける角度領域であるアイソプラナティック・パッチがある。実用システムでは、センサー設計、アクチュエータ数、予測制御戦略を通じて、これらのトレードオフの均衡を図る。

変種と高度なアーキテクチャ

複数のAOアーキテクチャが、異なる要求に対応している。単一共役補償光学（SCAO）は、単一の共役面における平均化された乱流を補正し、光軸上で良好に機能する。多重共役補償光学（MCAO）は、異なる高度に共役した複数の可変形鏡を使用して、補正される視野を広げる。地表層補償光学（GLAO）は、最下層の乱流に重点を置き、控えめな補正レベルで広い視野を改善する。多天体補償光学（MOAO）とトモグラフィー的手法は、複数のガイド星を用いて三次元的な乱流を再構成し、複数の目標を同時に補正する。極限補償光学（XAO）システムは、たとえば系外惑星探索における高コントラスト撮像のため、アクチュエータ密度と速度を高める。

応用

天文学では、AOによってより鮮明な画像、より高い空間分解能の分光、明るい星の近傍にある暗い伴星に対するコントラストの向上が得られる。太陽望遠鏡は、太陽の微細構造を分解し、昼間の観測時のシーイングを低減するためにAOを利用する。太陽観測機器については太陽分野での応用を参照。視覚科学と眼科学では、AOは眼の収差を補正して網膜の詳細を明らかにする。顕微鏡では、生体試料内の屈折率の変動を補償する。自由空間光通信および指向性エネルギーシステムでは、伝送ビームを安定化し集光するためにAOが使われる。地上設置AOシステムにとって大気の影響は依然として主たる外乱であり、乱流とそのモデル化については大気乱流に関する解説でさらに論じられている。

歴史と展望

波面のゆがみをリアルタイムで補正するという概念は20世紀半ばに提案され、検出器、アクチュエータ、コンピュータの性能向上に伴って、後に実用的な実装が登場した。20世紀後半、特に1990年代の取り組みにより広範な導入が可能となった。その歴史と発展は、分野の発展に関するレビューに要約されている。MEMS鏡、より高速なセンサー、機械学習支援型の制御アルゴリズム、拡張可能なリアルタイムコンピュータにおける継続的な進歩は、超大型望遠鏡と多様な科学・産業用途におけるAOの利用を拡大している。

入門資料および技術と実装の概説については、補償光学の入門資料、可変形鏡の概要にある鏡技術の技術的要約、ならびに計算リソースにあるリアルタイム制御要件の解説を参照。天文台やベンダーによる実践例は、光学機器の応用ノートおよびシステム説明に掲載されている。