We are currently investigating the feasibility of a 1.6 m telescope with a laser-guide star adaptive optics (AO) system. The telescope, if successfully commissioned, would be the first dedicated adaptive optics observatory in South Korea. The 1.6 m telescope is an f/13.6 Cassegrain telescope with a focal length of 21.7 m. This paper first reviews atmospheric seeing conditions measured over a year in 2014~2015 at the Bohyun Observatory, South Korea, which corresponds to an area from 11.6 to 21.6 cm within 95% probability with regard to the Fried parameter of 880 nm at a telescope pupil plane. We then derive principal seeing conditions such as the Fried parameter and Greenwood frequency for eight astronomical spectral bands (V/R/I/J/H/K/L/M centered at 0.55, 0.64, 0.79, 1.22, 1.65, 2.20, 3.55, and $4.77{\mu}m$). Then we propose an AO system with a laser guide star for the 1.6 m telescope based on the seeing conditions. The proposed AO system consists of a fast tip/tilt secondary mirror, a $17{\times}17$ deformable mirror, a $16{\times}16$ Shack-Hartmann sensor, and a sodium laser guide star (589.2 nm). The high order AO system is close-looped with 2 KHz sampling frequency while the tip/tilt mirror is independently close-looped with 63 Hz sampling frequency. The AO system has three operational concepts: 1) bright target observation with its own wavefront sensing, 2) less bright star observation with wavefront sensing from another bright natural guide star (NGS), and 3) faint target observation with tip/tilt sensing from a bright natural guide star and wavefront sensing from a laser guide star. We name these three concepts 'None', 'NGS only', and 'LGS + NGS', respectively. Following a thorough investigation into the error sources of the AO system, we predict the root mean square (RMS) wavefront error of the system and its corresponding Strehl ratio over nine analysis cases over the worst ($2{\sigma}$) seeing conditions. From the analysis, we expect Strehl ratio >0.3 in most seeing conditions with guide stars.
In a free-space coherent optical communication system, wavefront distortion is frequently beyond the correction range of the adaptive-optics system after the laser has propagated through the atmospheric turbulence. A method of residual wavefront correction is proposed, to improve the quality of coherent optical communication in free space. The relationship between the wavefront phase expanded by Zernike polynomials and the mixing efficiency is derived analytically. The influence of Zernike-polynomial distortion on the bit-error rate (BER) of a phase-modulation system is analyzed. From the theoretical analysis, the BER of the system changes periodically, due to the periodic extension of wavefront distortion. Experimental results show that the BER after correction is reduced from 10-1 to 10-4; however, when the closed-loop control algorithm with residual correction is used, the experimental results show that the BER is reduced from 10-1 to 10-7.
Korea Astronomy and Space science Institute (KASI) partnered with the Australian National University (ANU) to develop the adaptive optics (AO) system at the Geochang observatory with a 100 cm optical telescope for multiple applications, including space geodesy, space situational awareness and Korean space missions. The AO system is designed to get high resolution images of space objects with lower magnitude than 10 by using themselves as a natural guide star, and achieve a Strehl ratio larger than 20% in the environment of good seeing with a fried parameter of 12-15 cm. It will provide the imaging of space objects up to 1,000 km as well as its information including size, shape and orientation to improve its orbit prediction precision for collision avoidance between active satellites and space debris. In this paper, we address not only the design of AO system, but also analyze the images of stellar objects. It is also demonstrated that the AO System is achievable to a near diffraction limited full width at half maximum (FWHM) by analyzing stellar images.
Ming Hu;Lifa Hu;Hongyan Wang;Qi Zhang;Xingyu Xu;Lin Yu;Jingjing Wu;Yang Huang
Current Optics and Photonics
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제8권2호
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pp.183-191
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2024
High-resolution retinal imaging based on adaptive optics (AO) is important for early diagnosis related to retinal diseases. However, in practical applications, closed-loop AO correction takes a relatively long time, and traditional open-loop correction methods have low accuracy in correction, leading to unsatisfactory imaging results. In this paper, a SH-U-net-based open-loop AO wavefront correction method is presented for a retinal AO imaging system. The SH-U-net builds a mathematical model of the entire AO system through data training, and the Root mean square (RMS) of the distorted wavefront is 0.08λ after correction in the simulation. Furthermore, it has been validated in experiments. The method improves the accuracy of wavefront correction and shortens the correction time.
The latest scientific highlights obtained with the Subaru telescope are given together with its current status and on-going instrumentation. We have been successfully operating the telescope and 8 observatory instruments (including an adaptive optics system) since January 1999, when the first light was accomplished. Open-use of Subaru began in December 2000. Subaru has a unique capability of its prime focus among other 8-10 meter class telescopes and has an excellent imaging performance as a result of its sophisticated active optics combined with the high stability of the sky at Mauna Kea. Scientific highlights are given on the discoveries of the most distant galaxies, spiral structure on a protoplanetary disk around AB Aur, and planetesimal belts in the debris disk around $\beta$ Pic. Brief summaries are given for three new instruments: the Multi-Object Infrared Camera and Spectrograph (MOIRCS), 188 element adaptive optics system, and Fiber Multi-Object Spectrograph (FMOS)
본 연구에서는 안광학계의 성능평가 장비 개발을 위한 눈과 같은 광학계의 파면수차를 구현하는 프로그램을 개발하였다. 광학계의 파면수차를 재구성하기 위한 프로그램은 matlab을 사용하였으며, 파면수차 합수는 modal 방법에 의한 저니케 다항식을 사용하였다. 본 연구에서 개발된 파면수차 재구성 프로그램을 검증하기 위해 cooke triplet 광학계의 저니케 계수(n=7)를 code V를 사용하여 계산하였으며, 이 결과를 본 연구에서 개발된 프로그램에 의해 계산된 결과와 비교하였다. 이 때 사용한 저니케 계수는 n=2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 그리고 10인 경우이며, sub-aperture 수는 1,253개이다. 개발된 프로그램의 검증결과 n=4 이상인 경우에는 본래의 파면수차와 거의 일치하였으며, n=7인 경우의 저니케 계수는 code V에서 계산된 저니케 계수와 동일함을 알 수 있었다. 이러한 연구 결과는 적응광학을 사용한 안광학계의 성능평가 장비 개발을 위한 핵심 기술로 사용될 것이다.
Adaptive Optics (AO) is the technology for ground-based telescopes to overcome the interference caused by atmospheric turbulence. We are developing an AO system for the 1-m telescope at Seoul National University Observatory (SNUO). The seeing size of the SNUO is 2 arcseconds on average, and 0.85 arcseconds at best condition. Our system is based on MEMS deformable mirror and Shack-Hartmann wavefront sensor. We developed the wavefront sensor using a cheap CMOS camera, and measured phase disturbance at SNUO. To verify the performance of the AO system, we designed an artificial phase disturber that produces similar scale phase error, measured at SNUO. We carried out laboratory tests in which the AO system measures and corrects the wavefront using the phase disturber and an F/6 light source, the same as that of SNUO telescope. The control system was developed in C++. The system performs closed-loop PI correction up to 100 Hz at a consumer-grade PC.
Lee, Jun Ho;Byeon, Jina;Go, Dong Jin;Park, Jong Ryul
Current Optics and Photonics
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제1권3호
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pp.207-213
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2017
The Adaptive Front-lighting System (AFS) is a part of the active safety system, providing optimized vision to the driver during night time and other poor-sight conditions of the road by automatic adaptation of lighting to environmental and traffic conditions. Basically, an AFS provides four different modes of the passing beam as designated in an United Nations Economic Commission for Europe regulation (ECE324-R123): neutral state or country light (Class C), urban light (Class V), highway light (Class E), and adverse weather light (Class W). In this paper, we first present an optics design for an AFS system capable of producing the Class C/V/E/W patterns requiring only on/off modulation of multi-array LEDs with no need for any additional mechanical components. The AFS optics consists of two separated modules, cutoff and spread; the cutoff module lights a narrow central area with high luminous intensity, satisfying the cutoff regulation, and the spread module forms a wide spread beam of low luminous intensity. Each module consists of two major parts; the first converts a discretely positioned LED array into a full-filled area emitting light source plane, and the second projects the light source plane to a 25 m away target plane. With the combination of these two optics modules, the four beam patterns are formed by simple on/off modulation of multi-array LEDs. Then we report the development of a prototype that was demonstrated to provide the four beam patterns.
Lee, Jun Ho;Shin, Sunmy;Park, Gyu Nam;Rhee, Hyug-Gyo;Yang, Ho-Soon
Current Optics and Photonics
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제1권2호
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pp.107-112
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2017
An adaptive optics system can be simulated or analyzed to predict its closed-loop performance. However, this type of prediction based on various assumptions can occasionally produce outcomes which are far from actual experience. Thus, every adaptive optics system is desired to be tested in a closed loop on an optical test bench before its application to a telescope. In the close-loop test bench, we need an atmospheric simulator that simulates atmospheric disturbances, mostly in phase, in terms of spatial and temporal behavior. We report the development of an atmospheric turbulence simulator consisting of two point sources, a commercially available deformable mirror with a $12{\times}12$ actuator array, and two random phase plates. The simulator generates an atmospherically distorted single or binary star with varying stellar magnitudes and angular separations. We conduct a simulation of a binary star by optically combining two point sources mounted on independent precision stages. The light intensity of each source (an LED with a pin hole) is adjustable to the corresponding stellar magnitude, while its angular separation is precisely adjusted by moving the corresponding stage. First, the atmospheric phase disturbance at a single instance, i.e., a phase screen, is generated via a computer simulation based on the thin-layer Kolmogorov atmospheric model and its temporal evolution is predicted based on the frozen flow hypothesis. The deformable mirror is then continuously best-fitted to the time-sequenced phase screens based on the least square method. Similarly, we also implement another simulation by rotating two random phase plates which were manufactured to have atmospheric-disturbance-like residual aberrations. This later method is limited in its ability to simulate atmospheric disturbances, but it is easy and inexpensive to implement. With these two methods, individually or in unison, we can simulate typical atmospheric disturbances observed at the Bohyun Observatory in South Korea, which corresponds to an area from 7 to 15 cm with regard to the Fried parameter at a telescope pupil plane of 500 nm.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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