ロボ-AOを焦点に目に見える宇宙をもたらす

天文イメージングの大気乱流の影響が第一クリスチャン·ホイヘンス⁴とアイザック·ニュートン⁵で何世紀も前に認識された。乱流の影響を補償するための第1の概念補償光学設計は、1950年代にホレス·バブコック⁶とウラジミールLinnik ⁷によって独立して出版された。米国防総省はその後、冷戦⁸時のイメージングの外国衛星の目的のための1970の最初の適応光学システムの開発に資金を供給した。民間の天文コミュニティは、1980年代に進展システム開発を行っているが、1992（参考文献^9）における補償光学上の軍事研究の機密解除した後、天文¹⁰システムの数と複雑さの両方で爆発があった。

約20可視·赤外望遠鏡、今日の大部分は開口してよりより5メートルはequippeアール適応光学システムとD（ 例えば、参考文献 ^{。11-19）。}望遠鏡が光を集めるに大きくなり、その結果、よりできるように、補償光学を用いた分解能と感度に大きな利益がある。残念なことに、大望遠鏡適応光学システムは非常に複雑で、現在の技術に起因する近赤外の波長帯への操作が制限されている、彼らはしばしば大規模な観察オーバーヘッドと、サポートスタッフのチームを必要とし、これらの希少かつ貴重な資源へのアクセスでもある限られた。

サイズスペクトルのもう一方の端では、1〜3メートルのクラスで一から百までの望遠鏡の上によくありますが、これらの非常に少数のは、補償光学が付いています。さらに短い可視波長で、大気の乱れを補正し、彼らは大気乱流（ 図1）の非常に小さいボリュームに目を通すので、これらの小さい望遠鏡で現在の技術では扱いやすいとなります。乱-iの総量観測波長を持つ望遠鏡主鏡の直径と反比例とほぼ比例して光学誤差スケールをnduced。大型望遠鏡の近赤外光で使用されているのと同じ適応光学技術は控えめなサイズの望遠鏡で可視光を使用することができます。また、この規模の多くの望遠鏡がどちら改造されている（ 例えば、refは^20）または完全に新しく、ロボットの遠隔および/ ​​または、自治能力（ 例えば refは^21）を使用して構築し、大幅にこれらの施設の費用対効果を高めることができる。補償光学が装備されている場合、これらの望遠鏡は、大望遠鏡適応光学系²²とそうでなければ非現実的または不可能である天文科学の多くの分野を追求する強力なプラットフォームを提供するであろう。混雑したフィールド内のターゲット^23,24の数万人、長期モニタリング^25,26、および高速過渡特性解析²の回折限界のターゲットを絞った調査図7に示すように、これらのささやかな開口部で補償光学で可能です。

この新たな発見空間を探索するために、我々は1-3メートル級の望遠鏡、ロボ-AO（; 図2 refs. ^2,3）のための新しい経済的な適応光学システムを設計·実装した。他のレーザー適応光学システムと同様に、ロボAOは、いくつかの主要なシステムで構成されていますレーザーシステム、電子機器のセット、および望遠鏡のカセグレン焦点に取り付けられた器具（主鏡の後ろに、 図3）高速を収容光シャッター、波面センサ、波面補正器、科学機器と校正ソース。架空のロボAOのデザインは典型的なレーザーの適応光学システムが実際にどのように動作するかを示しています。

ロボ-AOレーザーシステムの中核は、望遠鏡の側面に同封プロジェクターアセンブリに取り付けられたQスイッチ10-Wの紫外線レーザである。レーザー自体は、レーザーで始まる両方の空の上で見かけたレーザビームの位置を安定させるとアップリンクチップチルト鏡、投影された直線偏光の角度を調整する際に、半波長板、プロジェクタは、追加の安全のためのレーザーの内部シャッターに加えて、冗長なシャッターを組み込んでと望遠鏡のたわみを補正する。調整可能な焦点ステージ上両凸レンズは、光学チップチルト鏡に共役さ15cmの出力開口レンズを埋めるためにレーザービームを拡大しています。出力レンズは10キロの視線距離にレーザー光を当てています。レーザーパルス（〜35nsの長い各100μs）のように離れてプロジェクター、望遠鏡（ 図2B）に向かって空気分子とリターンオフ光子レイリー散乱のほんの一部から大気を介して伝播。帰国散乱光子はレーザーの全体の経路に沿って上向きに由来する、それ以外の波面測定が不正確になるだろうスジのように表示されます。適応光学instの内rument、高速ポッケルスセル光シャッター^28は唯一のスポットとして現れるレーザーで、その結果、10キロプロジェクターフォーカス周りの雰囲気だけの狭いスライスから帰国されたレーザ光 ​​を送信するために使用される。ポッケルスセルのスイッチングは、大気を介してレーザパルスの往復時間を考慮して遅延して、パルスレーザーと同じマスタークロックによって駆動されます。最終的には、起動された全ての光子兆で約1は、波面センサにより検出される。それでも、この放射束は、適応光学システムを運用するのに十分である。

紫外レーザーは、角膜とレンズ²⁹の吸収が主な要因で人間の目には見えないという付加的な利点を持っています。このように、それはフラッシュ盲検パイロットにできなくなり、すべての可能なため（ つまり運転中に有害な放射線量を生産することができないと、任意のコントロール^30を測定免除）のクラス1レーザーシステムと見なされます航空機の上空で人々のエクスポージャーは、通常、米国の³¹の連邦航空局の必要に応じてサイト上にある人間のスポッターが不要になります。残念なことに、地球の低軌道に人工衛星を損傷するレーザーの可能​​性が存在するかもしれません。このような理由から、それは適切な機関（米国³²内の米戦略軍（USSTRATCOM） などによる）でレーザー活動を調整するために、安全性と責任の懸念の両方に推奨されます。

ロボ-AOカセグレン装置内入射したレーザ光 ​​を測定波面センサーは、シャックハルトマンセンサ³³として知られており、小型レンズアレイ、光中継およびイメージングセンサを備えています。小型レンズアレイは、他の辺の上の正方形状の凸レンズのグリッドで、片側に平らな、屈折光学素子である。これは、光学望遠鏡の入射瞳に共役な位置に配置されている。時目から '戻り光'電子レーザーはlenslestアレイを通過し、上の天レーザーのイメージは、アレイ内レンズ（ 図4）のそれぞれの焦点に作成されます。レーザー画像のこのパターンはその後光学紫外線に最適化された電荷結合素子（CCD）カメラに中継されます。各画像の横方向のxy位置は、配列の各レンズを通る光の波の局所勾配や "スロープ"の尺度を与える。ロボ-AOとの各位置測定の信号対雑音比は、6〜10天頂角に依存して見ていた条件（100〜あたりの画像あたり200光電子までの信号と4つの画素の各々の検出器のノイズ6.5電子の範囲測定）。

光波の全体的な形状は、事前に計算された波面再構成マトリクスによって測定された斜面を乗じて算出される。再構成マトリックスは第一レンズレットアレイによって細分される瞳形状のモデルを作成することによって作成されます。個々の正規直交基底関数（75関数の合計は最大11 ^回ラジアル順にこの場合はディスク調和関数;。REF ^34）がモデルと各レンズの向こう側にベストフィット平面に2-Dの最小二乗解の上に実現されている配列で計算されます。これは平均的な勾配の近似であるが、その差は簡単に投影された瞳孔の縁で部分的に点灯し、レンズの幾何学を扱うことの利点と、実際には無視できる程度である。影響行列はこのようにすべてのレンズにオフセットスロープを持つ各基底関数の単位振幅を変換することに由来しています。再構成マトリクスは次に特異値分解を用い影響行列の擬似逆を取ることによって作成されます。光の波の形状は基底の係数の点で分かったら、代償反転した形状は、高次波面補正に命じたことができます。測定を行うプロセスは、その後補正を適用し、このサイクルを繰り返す何度も繰り返して、積分制御ループの例です。ロボAOは大気の力学に追いつくために必要な、1.2 kHzのレートで、その制御ループを実行します。スケール1未満の係数（また積分制御ループのゲインとも呼ばれる）、および0.6〜一般的に近いが、まだ訂正の残留誤差を最小限に抑えながら、制御ループの安定性を維持するための補正信号に適用される光。

ロボ-AO内高次波面補正は³⁵マイクロ·エレクトロ·メカニカル·システム（MEMS）可変鏡です。ロボAOは正確に計算された訂正形状に合わせて空間分解能で十分、ミラーの照射面を調整するアクチュエータ120を使用しています。アクチュエータは7μmまでの光学位相補償に対応して3.5μmの最大表面偏差の振幅を持っています。天文台での典型的な大気条件では、この補償の長さは5シグマよりも大きい乱流の振幅は、光学エラーを誘発し、したがって、かなりの補正の余裕をもたらします。さらに、変形ミラーは、縮小ダイナミックレンジを犠牲にして測定器と望遠鏡から生じる静電気光学誤差を補正することができます。

大気のプローブとしてレーザーを使用する1つの微妙な天体画像の動き^36を測定することができない点です。帰国されたレーザ光は、それが投影されるため、常に空の同じ場所に表示されるはずですそこから、ほぼ同じ位置から見た。波面センサーで復帰されたレーザ光の波で測定し、任意の全体的な傾きは、機械的なポインティングエラーによって支配されています。チルト信号は、このように波面センサを中心としたシャックハルトマンパターンを維持し、レーザーシステムのアップリンクチップチルトミラーを駆動するために使用される。以下に説明するように補正する天体画像の動きは、科学カメラで別々に処理されます。

ロボAOは使用4は、軸外し放物面（OAP）achromatically科学カメラ（ 図3）に望遠鏡からの中継光に反映しています。中継パスが速い先端チルト補正鏡と同様のプリズムを一対の回転から成る大気分散補正^{（ADC）37を}備え^ている 。 ADCは真上ではない雰囲気を介してオブジェクトを観察に関連する特定の問題を解決します雰囲気は画像を引き起こして、望遠鏡は標高の低い指摘するように全体的な効果は強くなって、プリズムとして機能し、波長の関数として光を屈折 – 特に適応光学補正により先鋭化されたもの – 地平線に対して垂直な方向に細長く表示される。 ADCは、効果的に大気のプリズムの分散（ 図5）の効果を否定し、入ってくる光に分散反対の量を追加することができます。 OAPリレーの最後にλ<95の光を反射するダイクロイック可視である電子増倍電荷結合素子（EMCCD）カメラに0nmの赤外線カメラに向かって赤外光を透過しながら。 EMCCDカメラには、回折限界の角度分解能以下イントラ露出画像の動きを低減したフレームレートで非常に低い電子（検出器）ノイズ^38,39、で画像をキャプチャする機能を持っています。再センタリング、これら一連の画像を積み重ねることによって、長時間露光画像は、最小限のノイズペナルティで合成することができる。 EMCCDカメラも赤外線カメラで画像の動きを安定させるために使用することができ、画像化された天文学的な源の位置の測定は、連続して、目的の場所に速い先端チルトに再指す画像を指揮するために使用できます。先に各カメラのは、天文フィルタの適切なセットを持つフィルターホイールのセットです。

内部望遠鏡とソースシミュレータは、キャリブレーションツールとして、ロボのAOシステムに統合されています。それは、同時に紫外線をシミュレートすることができますレーザー10キロで焦点と無限の黒ソース、ホスト望遠鏡の焦点比と射出瞳位置に一致する。ロボ-AO内の最初の折り畳みミラーは、適応光学系に望遠鏡の副鏡からすべての光を導く。フォールドミラーはまた、内部望遠鏡とソースシミュレータを明らかにするための方法のうち翻訳することができる電動ステージに搭載されている。

ロボのAOシステムが完全に自律的に動作するように意図されているが、補償光学観測の多くのステップのそれぞれを手動で実行することができます。このステップバイステップの手順、簡単な説明と共に、次のセクションで詳述されます。