정밀 광학 시스템의 로봇 기반 폐루프 조립, 정렬 및 자체 복구 프레임워크

A Framework for Closed-Loop Robotic Assembly, Alignment and Self-Recovery of Precision Optical Systems

로봇 자동화는 화학 및 재료 과학 분야의 연구 워크플로우를 혁신했지만, 고정밀 기술인 자유 공간 광학은 여전히 대부분 수동으로 이루어지고 있습니다. 광학 시스템은 엄격한 공간 및 각도 허용 오차를 요구하며, 성능은 밀접하게 결합된 물리적 매개변수에 의해 결정되므로, 일반화된 자동화가 특히 어렵습니다. 본 연구에서는 정밀 광학 시스템의 자율적인 구성, 정렬 및 유지 관리를 위한 로봇 프레임워크를 제시합니다. 저희의 접근 방식은 계층적 컴퓨터 비전 시스템, 최적화 루틴 및 맞춤 제작된 도구를 통합하여 이러한 기능을 구현합니다. 대표적인 예시로, 무작위로 분산된 부품들로부터 탁상용 레이저 캐비티를 완전 자율적으로 조립하는 과정을 보여줍니다. 이 시스템은 레이저 빔 중심화, 여러 빔의 공간 정렬, 공진기 정렬, 레이저 모드 선택 및 유도된 오정렬 및 교란으로부터의 자체 복구와 같은 여러 작업을 수행합니다. 본 연구는 고감도 광학 시스템에 대한 폐루프 자율성을 달성함으로써, 다양한 기술 분야의 자율적인 광학 실험을 위한 기반을 마련합니다.

Robotic automation has transformed scientific workflows in domains such as chemistry and materials science, yet free-space optics, which is a high precision domain, remains largely manual. Optical systems impose strict spatial and angular tolerances, and their performance is governed by tightly coupled physical parameters, making generalizable automation particularly challenging. In this work, we present a robotics framework for the autonomous construction, alignment, and maintenance of precision optical systems. Our approach integrates hierarchical computer vision systems, optimization routines, and custom-built tools to achieve this functionality. As a representative demonstration, we perform the fully autonomous construction of a tabletop laser cavity from randomly distributed components. The system performs several tasks such as laser beam centering, spatial alignment of multiple beams, resonator alignment, laser mode selection, and self-recovery from induced misalignment and disturbances. By achieving closed-loop autonomy for highly sensitive optical systems, this work establishes a foundation for autonomous optical experiments for applications across technical domains.