초해상도 STED(유도방출감쇄) 나노현미경 에베 한계 극복 & 1,000Hz 0-Alloc C# 도넛형 억제빔 정렬 및 광독성 억제 적응형 주사 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Numerics;

namespace ZeliDesk.Stem.StedOptics
{
    /// 

    /// 1,000Hz STED 도넛빔 피에조 동축 정렬 및 적응형 광독성 차단(DySTED) 서보
    /// GC 무할당 스택 메모리 0-Alloc 구현체
    /// 
    public ref struct StedSuperResolutionServo
    {
        // 광학 물리 파라미터
        private const float ExcitationWavelengthNm = 640.0f; // 640 nm 레드 여기 레이저
        private const float StedWavelengthNm = 775.0f;       // 775 nm 근적외 STED 억제 레이저
        private const float NumericalAperture = 1.40f;       // 100x 오일 침유 대물렌즈 NA
        private const float IsatMwPerCm2 = 12.5f;            // 형광체 포화 강도 (MW/cm^2)

        // 서보 제어 상태
        public float TargetStedPowerFraction; // 0.0 ~ 1.0 (AOM 변조)
        public float CoaxialOffsetErrorXNm;
        public float CoaxialOffsetErrorYNm;
        public float PiezoScannerVx;
        public float PiezoScannerVy;
        public float CurrentAchievedResolutionNm;
        public int PhotonsCountIn1Ms;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void Initialize()
        {
            TargetStedPowerFraction = 0.0f;
            CoaxialOffsetErrorXNm = 0.0f;
            CoaxialOffsetErrorYNm = 0.0f;
            PiezoScannerVx = 0.0f;
            PiezoScannerVy = 0.0f;
            CurrentAchievedResolutionNm = ExcitationWavelengthNm / (2.0f * NumericalAperture);
            PhotonsCountIn1Ms = 0;
        }

        /// 

        /// 1ms 제어 주기: SPAD 단일 광자 카운트 피드백에 따른 STED 빔 파워 동적 차단 및 피에조 동축 정렬
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void StepStedControl(
            int currentPhotonCount, 
            float doughnutCenterDriftXNm, 
            float doughnutCenterDriftYNm, 
            float maxStedIntensityMw,
            out float aomModulationVolt, 
            out float piezoCorrectionVx, 
            out float piezoCorrectionVy, 
            out float resolutionNm)
        {
            PhotonsCountIn1Ms = currentPhotonCount;
            CoaxialOffsetErrorXNm = doughnutCenterDriftXNm;
            CoaxialOffsetErrorYNm = doughnutCenterDriftYNm;

            // 1. 적응형 형광 신호 기반 광독성 억제 (DySTED 스마트 블랭킹)
            // 광자수가 배경 노이즈(2카운트 미만) 수준이면 형광 분자가 없으므로 즉시 STED 빔 차단
            if (currentPhotonCount < 2)
            {
                TargetStedPowerFraction = 0.05f; // 아이들링 대기 (5% 유지)
            }
            else if (currentPhotonCount < 10)
            {
                // 중간 신호 영역: 완만한 전력 인가
                TargetStedPowerFraction = 0.50f;
            }
            else
            {
                // 핵심 나노 분자 위치: 풀 파워 유도 방출 억제 인가
                TargetStedPowerFraction = 1.00f;
            }

            // AOM 구동 RF 전압 (0V ~ 5V)
            aomModulationVolt = TargetStedPowerFraction * 5.0f;

            // 2. 도넛빔 중심 0점 드리프트 나노 피에조 정렬 (게인: 0.05 V/nm)
            const float PiezoGainVPerNm = 0.05f;
            PiezoScannerVx = -CoaxialOffsetErrorXNm * PiezoGainVPerNm;
            PiezoScannerVy = -CoaxialOffsetErrorYNm * PiezoGainVPerNm;

            piezoCorrectionVx = PiezoScannerVx;
            piezoCorrectionVy = PiezoScannerVy;

            // 3. 에베 일반화 공식 분해능 산출
            float currentIntensity = maxStedIntensityMw * TargetStedPowerFraction;
            float saturationRatio = currentIntensity / IsatMwPerCm2;
            float abbeLimit = ExcitationWavelengthNm / (2.0f * NumericalAperture);
            
            CurrentAchievedResolutionNm = abbeLimit / MathF.Sqrt(1.0f + saturationRatio);
            resolutionNm = CurrentAchievedResolutionNm;
        }
    }
}