補償光学

補償光学（ほしょうこうがく）

補償光学は、天体観測における大気の揺らぎによる像の劣化を補正するために開発された革新的な光学技術です。この技術は、宇宙から地球、または地球から宇宙を観測する際のさまざまな問題を解決することを目的としています。特に、宇宙望遠鏡に依存せずに、地上の望遠鏡による高精度な観測を実現することから、惑星や小[[惑星]]の観測において重要な役割を果たしています。

概要

この光学技術においては、大気の揺らぎなどによって発生する星像の乱れが波面センサーによって捕らえられ、その情報が電子回路に送られます。その後、可変形鏡を操作することで、対象とする天体や物体の像を正確に捉えることが可能となります。技術的には、エレクトロニクスにおける位相同期回路（PLL）と同様の原理に基づいており、現在では32素子の波面センサーと可変形鏡を用いたリアルタイム・補償光学が実用化されています。

現在、主に赤外線による観測において利用されているこの技術ですが、2012年には日本の国立天文台の研究チームが、すばる望遠鏡に搭載した高性能補償光学装置により、可視光での成功も遂げ、観測精度の向上が期待されています。

この技術はもともと、他国の軍事用偵察衛星の形状観測のためにアメリカ合衆国で開発され、1989年に完成しました。その後、1991年のアメリカ天文学会で初めて一般に公開され、多くの研究者から注目を集め、さまざまな応用が進められるようになりました。

技術的説明

補償光学システムは、主に波面センサーと可変形鏡、及びこれらを制御するための位相制御計算機から構成されます。波面センサーの中でも、シャック・ハルトマンセンサーと呼ばれる細かいレンズアレイを用いた方式が一般的です。このセンサーは、星像のずれを測定し、波面の状態を把握することが可能です。また、曲率センサーでは、センサーの移動によって光の強度変化を捉え、波動干渉を利用して波面の特徴を把握します。

収集されたデータを基に、位相制御計算機は制御信号を生成し、可変形鏡を変形させるための指令を出します。このプロセスは、隣接するセンサー群によるマトリックス演算によって行われ、特に高度な技術を要するものではありません。可変形鏡が微小に変形することで、光路に導かれた星像の位相を補正し、鮮明な画像を得ることができるのです。

能動光学と静的サポート

補償光学技術は大きく、能動光学と静的サポートに分けられます。ケック望遠鏡やすばる望遠鏡などでは、能動サポートが適用されており、主鏡の形状を維持するための高精度な調整が行われています。他方、野辺山宇宙電波観測所の45mミリ波望遠鏡などでは、重力による変形を優先的に考慮した配置がなされ、静的サポートが用いられています。

能動サポートが適用されている望遠鏡では、主鏡のわずかなゆがみが観測性能に比例して影響を与えるため、常に精密な調整が求められます。一方で、静的サポートは、ある程度の変形許容範囲が設けられ、リーダブルなメンテナンスや自然の力を利用した支持装置で支えられています。

その他の研究

さらに、非線形光学結晶を用いた位相共役鏡を利用する補償光学に関する研究も進められており、今後の天文観測の性能向上に期待が寄せられています。このように、補償光学技術は多岐にわたるアプローチによって進化を続けており、天文学的な発見を支える重要な要素となっています。

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