JP2942814B2 - 光波面傾き検出方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ゆらぎのある媒
質中を伝搬してきた光波面の傾きを、精度良く検出する
光波面傾き検出方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】望遠鏡の開口に入射した光波面の傾きの
測定は、天文分野における星像のゆらぎの検出やその補
正、あるいは、空間光通信におけるレーザービームの高
精度な伝送などにおいて行なわれている。受光した光波
面の傾きの変動には２つの要因が考えられ、一つは、光
波源に対する受光側の装置の指向方向の変動であり、受
光装置の姿勢の変動などが相当する。もう一つの要因
は、光波の伝搬路の媒質の密度変動があり、例えば、大
気中に光が伝搬する場合の大気ゆらぎが挙げられる。一
般に、光波の傾きの簡易な測定方法としては、集光レン
ズと、その焦点面上に配置した光スポットの位置検出を
行なう装置を用いて行なわれる。これは、集光レンズの
焦点面上における受光スポットの位置変化量が、受光し
た光波の傾きの変化量と比例することを利用したもので
ある。受光位置検出は、四象限光検出素子と呼ばれる、
光の受光面を十字に４分割した素子を用いて行なうこと
ができる。この素子では受光面の中央付近に光スポット
を受光し、４つの素子の出力信号を用いて、受光面内の
２軸方向についての受光スポットの位置変位を表す差分
信号を算出する。図５に、集光レンズと四象限光検出素
子を用いた光波面の傾き測定の例を示す。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述したよう
な従来の技術では、大気のゆらぎによる光波面の乱れが
大きく、受光する望遠鏡の開口での入射光強度が均一と
見做せることができない場合には、四象限光検出素子上
で集光した光スポットは、強度分布にむらのあるほぼ円
形の像が入射光波面の傾きの変動によって動いている状
態となる。そのため、四象限光検出素子を用いた光波面
の傾き検出において誤差が生じる。解決しようとする課
題は、ゆらぎのある媒質中の伝搬により強度分布が不均
一な光波面の傾きを精度よく検出するという点にある。
そこで、本発明は、高精度に光波面の傾きを検出す
る、光波面傾き検出方法の提供を目的とするものであ
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】望遠鏡で受光した光を集
光レンズを介して集光し、集光点と前記集光レンズとの
間にビームスプリッタを配置して２本の光波に分割し、
一方の光波に対しては第１の四象限光検出素子を光学的
に集光点の前方に位置させ、他方の光波に対しては第２
の四象限光検出素子を光学的に焦光点の後方に位置させ
て、第１及び第２の四象限光検出素子においてそれぞれ
受光スポットの差分信号を算出する。そして、算出した
差分信号に対して、各軸方向についての和をとることに
よって受光望遠鏡への光波面の傾きの変動を検出する。

【０００５】

【発明の実施形態】次に、本発明の光波面傾き検出方法
に係る光波面傾き検出装置の一実施形態を、添付図面に
基づいて説明する。図１は、光波面傾き検出装置の光学
系の概略構成を示すもので、望遠鏡１、集光レンズ２、
ビームスプリッター３、集光点よりも光学的に前方に位
置した第１の四象限光検出素子４、集光点よりも光学的
に後方に位置した第２の四象限光検出素子５を組み合わ
せて構成する。

【０００６】望遠鏡１で受光した光は集光レンズ２を介
して集光する前にビームスプリッタ３で分割させる。ビ
ームスプリッタ３には、測定する波長帯域において分割
された２つのビームの光量が等しくなるような特性を有
したビームスプリッタを選択する。２個の四象限光検出
素子４，５は、それぞれ２つに分かれた各光波の焦光点
に対して光学的にみて前方および後方に配置する。各四
象限光検出素子４，５では、受光面が望遠鏡１の光軸に
対して光学的に垂直に位置し、かつ、望遠鏡１側から見
て光学的に相い対する素子が一致するように四象限に分
割された４素子を配置し、また、受光したスポット径が
ほぼ等しくなるように設置する位置を合わせる。

【０００７】本発明の光波面傾き検出方法の原理を説明
するために、図２に望遠鏡開口への入射光の強度分布と
位相分布の一例を示す。これは、遠方から伝搬してきた
光波の望遠鏡１への入射において、伝搬媒質のゆらぎに
よる波面の細かな乱れと光強度の不均一な分布を有しな
がら、望遠鏡開口の全面を覆うような平均的な波面の傾
きが変動している場合である。ここでは、説明の簡便を
図るため、図中のx軸方向にのみ、波面の傾きθの変化
と光強度の不均一な分布が生じている場合を考え、その
ときのx軸方向の波面の傾きの検出について述べる。

【０００８】集光点前方位置での強度分布６と集光点後
方位置での強度分布７は、図２に示すような分布をな
し、これらは、各四象限光検出素子４，５のそれぞれの
受光面上に像を作る。集光点前方位置での強度分布６に
ついては、分かり易いようにビームスプリッタを書き入
れず、集光点より前方に位置した四象限光検出素子４の
受光面の軸を、望遠鏡開口でのxとy軸に対応するように
とっている。

【０００９】受光スポットに対して縦に引いた一点鎖線
と点線は、受光スポットの中心を通る線と、その線に対
して、受光素子のy軸方向の境界線と対称の位置となる
線である。入射光の傾きの変化 により、各四象限光検
出素子４，５での受光スポットの円周の位置の変化を生
じる。これは両四象限光検出素子４，５上で同じ方向の
ほぼ同じ長さの位置変化となる。一方、望遠鏡開口での
受光強度分布に起因するスポット内部での強度分布の不
均一は、集光点前方位置での強度分布６と集光点後方位
置での強度分布７に示すように、受光スポット内部で左
右に逆の位置に生じている。

【００１０】集光点より前方に位置した四象限光検出素
子４の４つの素子をA1,B1,C1,D1とし、集光点より後方
に位置した四象限光検出素子５の４素子をA2,B2,C2,D2
とする。各四象限光検出素子４，５からの電気信号の流
れを表した図を図３に示す。各素子からの出力はアンプ
で増幅され、a1,b1,c1,d1、および、a2,b2,c2,d2とな
る。そして、演算回路によって、各四象限光検出素子
４，５におけるx,y方向の差分信号を算出し、それぞ
れ、Ex1,Ey1,Ex2,Ey2とする。Ex1,Ex2は下記の数式１で
表せる。

【００１１】

【数１】

【００１２】加算回路では、x方向とy方向についての、
各差分信号の和をとり、ExとEyを算出する。Exは下記の
数式２で表せる。

【００１３】

【数２】

【００１４】受光スポット内部での強度分布の不均一
は、集光点前方位置での強度分布６と集光点後方位置で
の強度分布７に示すように、２つの四象限光検出素子で
左右対象になって現われるため下記の数式３が満たされ
る。

【００１５】

【数３】

【００１６】また、各四象限光検出素子４、５での総受
光量が等しいことから下記の数式４が成り立つ。

【００１７】

【数４】

【００１８】上記の数式２、数式３、数式４の関係を用
いると、x方向の加算回路出力Exは下記の数式５で表さ
れる。

【００１９】

【数５】

【００２０】上記の数式５のExは、図２に示した四象限
光検出素子４，５の受光面での、四象限光検出素子のy
軸方向の境界線と、図中に点線で示した、中心線に対し
て受光素子のy軸方向の境界線と対称位置の線とで挾ま
れる受光スポットの部分に対応した値である。従って、
入射光の位相面の傾きθが0、すなわち、受光スポット
の円周の中心位置が四象限光検出素子の中央に位置する
ときにはExも0となり、また、Exのθに関する微係数は
受光強度分布によらず常に負の値となるため、Exから入
射波面の傾きの変動を検出することができる。

【００２１】試作した光波面傾き検出装置を用いて恒星
の観測を行ない、光波面傾き検出装置の動作の確認を行
なった。表１に光波面傾き検出装置の諸元を示す。

【００２２】

【表１】

【００２３】図４に北極星を観測したときの、Ex1、Ex
2、Exの0.001秒周期のサンプルでの1秒間の値を示す。E
x1、Ex2は、四象限光検出素子の配置のずれのために、
変動の中心が0からずれている。また、Exは加算回路の
オフセットの調整によってほぼ変動の中心が0に合わさ
れている。Ex1とEx2は互いに逆位相の細かな変動を伴い
ながら、同位相に大きくゆらいでいる。Exは、Ex1とEx2
に見られる望遠鏡開口での強度分布のむらによる逆位相
の細かな変動を相殺して、入射光の平均的な傾きの変動
による同位相のゆるやかで大きな変動を抽出した結果と
なっている。

【００２４】このように、受光波面の傾き変動の検出
を、２つの四象限光検出素子を組み合わせた簡単な構成
と加算回路の付加だけで実現できた。ここでは、解析の
単純化のために受光開口での回折や、四象限光検出素子
の十字の境界が作る不感領域の影響は考慮しなかった。
回折によって受光面上で回折パターンが生じるが、四象
限光検出素子のほぼ中央で受光している場合には4素子
に均等に回折の効果が加わるため、傾き変動の検出への
影響は小さい。不感領域については、領域幅を受光スポ
ット径と比較して小さくすれば、その影響を小さくでき
る。また、望遠鏡へ入射する光波の細かな位相の乱れ
は、受光スポットの像のぼけとなって現われ、これも回
折の影響と同様に、傾き変動の検出への影響は小さいと
考えられる。

【００２５】光波面傾き検出装置の望遠鏡１と集光レン
ズ２の間に、送信レーザーの光軸を望遠鏡１で受光した
光の光軸に対して合わせるための波長反射特性を有した
ミラーと、可動ミラーを組み込んで、レーザービームの
精密な指向を行うことができる。図６にその構成を示
す。レーザービームの伝送相手側よりゆらぎのある媒質
を通して伝搬してきた光波を、光波面傾き検出装置を用
いて波面の傾き変動を検出し、この信号を基に可動ミラ
ーの制御を行なう。それによって、望遠鏡１から送信さ
れるレーザービームは、伝送相手に対して精密に指向さ
れる。レーザービームの伝送ばかりでなく、光波面の傾
きを検出した信号を用いた可動ミラーの制御は、受光装
置の姿勢の安定化や視野方向の補正等にも応用できる。

【００２６】なお、本発明では２つの四象限光検出素子
からの差分信号の和を求めることによって光波面の傾き
変動を検出したが、差分信号の差をとった場合には、望
遠鏡開口での強度分布の不均一さを表す指標となる値を
得ることができる。

【００２７】本発明では、光スポットの位置検出を行な
う受光器として、四象限光検出素子を用いたが、光スポ
ット位置変動の検出周波数帯域や光検出感度などの条件
が合致すれば、受光面上での光スポットの光量の中心位
置を検出する機能を有する他の種類の受光器を用いても
行うことができる。

【発明の効果】

【００２８】以上に説明したように、本発明に係る光波
面傾き検出方法を用いれば、望遠鏡の開口面内で光強度
分布の不均一が生じていても、入射光の傾き変動成分を
検出することができる。 この検出方法では、大気のよ
うなゆらぎのある媒質中でのレーザービームの伝送や、
受光装置の姿勢や視野の制御に応用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光波面傾き検出方法を適用した光
学装置の光学系の概略構成図である。

【図２】望遠鏡開口への入射光の強度分布と位相分布の
一例と、各四象限光検出素子での強度分布を表した概念
図である。

【図３】各四象限光検出素子からの電気信号の流れを表
した概念図である。

【図４】恒星観測時のEx1,Ex2,Exの変動を示した特性図
である。

【図５】従来からの、四象限光検出素子を用いた光波面
の傾きの簡易な測定方法の説明図である。

【図６】本発明に係る光波面傾き検出方法をレーザービ
ームの精密な指向に適用した場合の概略構成図である。

【符号の説明】

１ 望遠鏡 ２ 集光レンズ ３ ビームスプリッター ４ 集光点より前方に位置した四象限光検出素子 ５ 集光点より後方に位置した四象限光検出素子 ６ 集光点前方位置での強度分布 ７ 集光点後方位置での強度分布 θ 入射光の位相面の傾き Ex1 集光点より前方に位置した四象限光検出素子のx方
向の差分信号 Ey1 集光点より前方に位置した四象限光検出素子のy方
向の差分信号 Ex2 集光点より後方に位置した四象限光検出素子のx方
向の差分信号 Ey2 集光点より後方に位置した四象限光検出素子のy方
向の差分信号 Ex x方向の加算回路出力 Ey y方向の加算回路出力

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01J 9/00 - 9/04 G02B 26/00 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 望遠鏡で受光した光を集光レンズを介し
   て集光し、集光点と前記集光レンズとの間にビームスプ
   リッタを配置して２本の光波に分割し、一方の光波に対
   しては第１の四象限光検出素子を光学的に集光点の前方
   に位置させ、他方の光波に対しては第２の四象限光検出
   素子を光学的に集光点の後方に位置させて、第１及び第
   ２の四象限光検出素子において、それぞれ受光スポット
   の差分信号を算出し、該差分信号の対応する軸方向につ
   いての和をとることによって、前記望遠鏡の入射光の光
   波面の傾き変動を検出することを特徴とした、光波面傾
   き検出方法。