포장(package)의 저력

일반적으로 시스템 내부에 adaptive optics를 결합하고자 하는 디자이너들은 deformable mirror를 wavefront sensor와 함께 사용할 필요가 있습니다. Wavefront sensor로부터 전달되는 시그널로 perfect beam이나 flat wavefront의 deviation 추정치가 구해집니다. 컴퓨터로 처리 시 wavefront sensor로부터 전달되는 deviation signal은 한 세트의 전압으로 전환되어 deformable mirror의 actuator를 제어하는 데 사용됩니다. 빔의 적절한 보정 상태를 확실히 유지하기 위해서는 deformable mirror의 전압이 wavefront sensor의 시그널과 반드시 효과적인 상호작용을 이루어야 합니다. 공교롭게도 deformable mirror 대부분의 경우 기계적 혹은 열적 변화나 광학 경로 내의 불안정성으로 인하여 actuator 전압과 wavefront sensor 측정치 사이의 상관관계가 빈번히 바뀌게 됩니다 - Iris AO 모듈로는 이러한 공통의 상호 작용을 피할 수 있어 결과적으로 사용이 더욱 간편해집니다.

시작에 앞서 표준 모듈은 wavefront sensor를 완전히 생략합니다. 이는 Iris AO의 독특한 deformable mirror 디자인이 굉장히 안정성을 띄어 actuator 전압과 segment 변위 사이의 관계가 시간이 지나도 일정하게 유지될 가능성이 있기 때문입니다. 배송에 앞서 모든 미러 제품들은 calibration 절차를 거치며, 몇 년이 지나도 이러한 calibration 효과를 유지합니다.

제품의 안정성은 웨이브프런트 보정 방식을 더욱 간소화해줍니다. 이러한 제어 시스템은 사전에 정해진 모양을 시리즈화하여 deformable mirror를 구동시키면서 이미지의 품질을 측정하는 방식으로 작동합니다. 조리개가 원형이라면 가장 간편한 모양은 Zernike function입니다. 최대 55가지 Zernike function 세트를 미러가 스캔하면서 소프트웨어는 이미지 품질을 추적하게 됩니다. 알고리즘은 가장 방대한 Zernike function과 결합하여 이미지의 전체 품질을 최적화하는 한 세트의 actuator control voltage를 만들어냅니다.  

그림 3: Iris AO 111 Actuator Deformable Mirror와 잘 맞는 가장 초기의 55가지 Zernike mode

옵틱의 역량 증대

고성능 광학 시스템을 설계하는 디자이너들은 가능한 완벽한 시스템의 제작하도록 충분한 공을 들입니다. 계획대로 순탄히 진행될 때, 소위 회절 제한 시스템이라 불리고 빛의 기본적인 물리적 속성으로 성능이 제한되는 광학 시스템이 탄생합니다. 이는 제작상의 부정확성과 배치 허용오차가 미비해서 이미지 품질에 어떠한 영향력도 미치지 않음을 의미합니다. 제품의 옵틱이 완벽에 가까워도 왜곡이 발생하는 매질을 통과하여 피사체를 이미징하는 경우에는 큰 도움이 되지 않습니다.

예를 들어, 원거리에 있는 별의 이미지를 완벽하게 촬영해야 하는 대형 망원경을 설계해야 하는 천문 학자들은 이를 위해 수많은 시간과 비용을 투자합니다. 빛이 대기권을 통과하면서 일부 웨이브프런트가 다른 웨이브프런트보다 상대적으로 지연되면서 균일하지 않은 상태로 전파합니다. 망원경의 조리개 전체에 걸쳐 균일하지 않은 전파가 지체하면서 웨이브프런트에 왜곡이 발생하게 되고 이는 더 이상 선명한 이미지를 이러한 망원경을 통해 관찰할 수 없음을 의미합니다. 과거에 천문 학자들이 할 수 있었던 오직 한 가지 방법은 대기권에서 빛의 전파 조건이 양호하여 잘 보일 때까지 기다리는 것뿐 이었습니다. 망원경의 조리개 규모가 더욱 커질수록 대기 상태가 양호하더라도 빔은 더욱 현저한 광학적 왜곡을 갖게 될 것입니다.

수십 년 전, 일련의 기술적 해결 방안들은 adaptive optics를 활용한 더욱더 큰 규모의 망원경을 개발할 수 있는 가능성을 이끌어냈습니다. Adaptive optical system은 빔의 광학 수차를 감지한 뒤 deformable mirror의 형태를 수정해가면서 매질로 인해 발생하는 빛의 전파 오류를 보정합니다. 오늘날에는 지름이 수 미터에 달하는 망원경으로부터 회절 제한 이미지를 생성하는 것이 가능해졌습니다.

Adaptive optics로부터 도움을 받는 분야가 천문학만은 아닙니다. 망막 영상 처리 기술 또한 adaptive optics로 인하여 획기적인 개선을 이루어왔습니다. 안구 내의 매질은 대기권과 마찬가지로 빛의 전파를 방해하는 요인이 됩니다. 이십 년 전만해도 망막의 이미지를 얻기 위해 노력하던 연구원과 의학자들에게는 선택할 수 있는 옵션이 거의 없었고, 흐릿한 이미지만이 최선의 결과물이었습니다. 오늘날에는 이미징 시스템에 adaptive optics를 결합함으로써 망막 내의 세포 하나하나까지 선명하게 관찰할 수 있는 이미지를 얻을 수 있게 되었습니다.

Adaptive optics technology는 빠르게 발전해 가면서, 업계를 선도하는 두 분야를 위한 신규 어플리케이션의 활용 가능성을 열어주었습니다. 예를 들면, adaptive optics는 레이저 용접에서 주로 발생하는 빔의 왜곡이나 free-space optical communication을 제한하는 광학적 수차를 보정할 수 있습니다. Adaptive optics는 심지어 빔의 결합이 일정하면서 수차를 일으키는 매질이 문제가 되지 않는 용도에서도 사용이 가능합니다. 기술적 역량이 더욱 강화해가고 사용이 더욱 간단해짐에 따라, 의심의 여지 없이 새로운 어플리케이션들이 부상할 것입니다.  

그림 4: AO를 활용 및 미활용한 뇌 소교세포의 이미지로서 세선화한 실험용 쥐의 두개골에서 얻은 220μm 미만의 대뇌 피질 표면을 통해 생조직의 굴절률이 갖는 이질성으로부터 유도되는 광학 수차를 보정한 뒤 이미지의 선명도가 Iris AO 111 Actuator Deformable Mirror (top)에 의해 어떻게 개선되는지를 보여줍니다. 사진 제공: Tel Aviv University의 Pablo Blinder’s group.

업계 최고의 광학 미러

Deformable mirror는 adaptive optics system의 진수를 보여주는 부품입니다. 제품명에 내포된 의미와 같이 deformable mirror는 콘트롤 시그널 세트에 반응하며 형태를 바꿀 수가 있습니다. 개별 actuator로 콘트롤 시그널이 전달되면 구동 전압에 따라 미러의 길이에 변화가 생깁니다. Actuator stroke의 간격, 위치 및 길이가 deformable mirror의 모델마다 바뀌게 됩니다. Deformable mirror는 2가지 유형으로 생산됩니다: continuous face sheet와 segmented mirror.

Continuous face sheet deformable mirror는 single thin reflective membrane으로 제조 후 후면에 actuator가 부착됩니다. Segmented mirror는 개별 피스의 반사 소재로 만들어진 뒤 단일 혹은 여러 개의 actuator가 부착됩니다. Actuator는 압전식(piezoelectric) 및 정전기력(electrostatical) 구동과 같이 여러 유형으로 구성될 수 있습니다.

Iris AO deformable mirror에는 segmented design이 적용되어, 각각 3개의 electrostatic actuator로 구동되는 육각 세그먼트를 갖습니다. 대안 디자인을 면밀히 확인하지 않고도, 여전히 Iris AO 디자인의 특성과 이점을 구상할 수 있습니다.

Iris AO는 microelectromechanical systems (MEMS) 기술을 이용해 3개의 symmetric electrode 상에서 이동식 플랫폼 구조를 이룹니다. 제조 과정에서 잔류 응력(residual stress)을 polysilicon에 주입하기 때문에 육각 섹션을 통해 3개의 만곡부부터 표면부까지 부착된 베이스 위로 이러한 응력을 방출하게 됩니다. 3개의 electrode 위에 흐르는 전압을 제어하면서 각각의 세그먼트 플랫폼과 표면 사이의 거리를 변경할 수 있으며, 또한 칩의 표면에 따라 표면 각도를 조절할 수 있습니다. 따라서, 각각의 세그먼트마다 3개의 independent degrees of freedom이 존재하게 됩니다: piston, tip, tilt. 이에 따라 37-segment 버전의 Iris AO deformable mirror는 111개의 piston-tip-tilt actuator를 갖게 됨으로써 해당 모델 넘버가 주어집니다.

Iris AO DM 디자인 중 또 다른 독특한 부품으로는 독립적으로 제작되는 reflective segment가 있습니다. 반사성을 띠는 이 육각형은 별도의 미세 기계 가공을 거쳐 제작된 후 칩을 뒤집어가며 polysilicon actuator-platform array에 접착되는 과정을 거칩니다. 이로 인해 세그먼트 두께에 가해지는 제약이 제거되면서, 충분히 두꺼운 세그먼트를 만들어낼 수 있기 때문에 경질의 뛰어난 표면 품질을 갖게 됩니다 (20nm RMS를 능가하는 flatness).

Reflective mirror segment를 독자적으로 구성하면서 flexure/actuator 어셈블리를 적극적으로 제어하면 Iris AO DM은 뛰어난 안정성을 보입니다. 일단 한 세트의 전압을 적용해 특정 미러의 프로파일을 생성할 수 있으며, 이러한 프로파일은 DM이 on으로 유지하는 한 변함없는 기조가 유지됩니다. 아울러, DM이 high laser damage threshold를 보유함을 나타내는 것이 바로 미러 세그먼트입니다. 해당 디자인 방식의 기타 큰 이점은 교정(calibration)에 있습니다. — 인가전압(applied voltage)과 segment position의 상관관계 — 제조 현장에 이러한 교정 설비가 세팅되어 있어 수년이 지난 후에도 정확도를 그대로 유지할 수 있습니다. 이러한 특징들을 고루 합치면 adaptive optics로부터 이익을 얻을 수 있는 다양한 어플리케이션에 꼭 필요한 제품으로 Iris AO DM을 거듭나게 해줍니다.  

그림 5: 37개의 hexagonal segment로 구성된 Iris AO 111 Actuator Deformable Mirror (EO stock number #33-267)의 근접 촬영 이미지