JP4527932B2 - 適応光学（ａｄａｐｔｉｖｅｏｐｔｉｃｓ）を用いて光学信号波面の歪みを補正する方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
相互参照
本出願は、２００１年９月１９日に提出された、「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｗａｖｅ Ｆｒｏｎｔ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃｓ」と題する米国仮出願第＿号の利益（ｂｅｎｅｆｉｔ）を主張する。
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、概して光学信号の歪みの補正に関し、詳細には、その歪みを補正するための適応光学の使用法に関する。
【０００３】
【従来の技術】
多くの種々の分野において、多くの種々の目的で、光学信号に対してほぼ無限の用途がある。たとえば、こうした信号は、アナログまたはデジタルデータが、光学スイッチにおけるような、光搬送波信号上で変調される時の通信システムにおいて使用することができる。こうしたシステムの信号は、その後、光ファイバを用いてまたは自由空間伝送によって、ある地点から別の地点に送信される。さらに、望遠鏡によって集められた光信号は、天文学において使用され、遠方の天文学上の物体または現象が観察される。また、医療分野においても、光信号に対する多くの使用法がある。たとえば、光信号を人間の目の中に送ることによって、その目の網膜から反射される光を検出して、網膜の正確なマップを作成することが可能である。
【０００４】
光信号を用いたシステムの動作は、種々の要因によって妨げられる可能性がある。たとえば、送信された光ビームの平面波面の歪みは、温度変動、擾乱、屈折率の変動または他の現象による変化を含む、ビームが通過する媒体の屈折特性の任意の変化によって起こる可能性がある。この歪みによって、波面の個々の部分が、最初に送信された、ビームの進行線に対する垂直方向からずれる可能性がある。この歪みは、目的地点で波面の重大な劣化を引き起こす可能性がある。自由空間通信システムにおいて、送信点と受信点の間の大気の任意の乱れによって、ビームのある部分は、他の部分に比べて早く移動する可能性があり、その結果、上述した波面歪みが生ずる。同じことが宇宙および医療用の使用法にあてはまる。たとえば、人間の網膜のマップを作成するために使用される時、波面歪みは、通常、大気の乱れから生ずるのではなく、代わりに、目のレンズを通して、まず、目に入って、次に目から出てくる光ビームから生ずる。レンズおよび角膜上のわずかの欠陥が、通信または医療の使用法において見た歪みと同じように、ビームの波面を歪ませる。どんな特別な使用法であっても、結果は同じである。すなわち、歪みは、ビームの平面波面が目的地点で同位相で受信されることを妨げる。
【０００５】
適応光学は、光学系の位相収差を計測するために波面センサを使用し、位相収差を補正するために変形可能ミラーまたは他の波面補償装置を使用する。変形可能ミラーは、適切にその形を変えて、反射波面の位相を合わせる。最近まで、これらミラーは、一般的に、圧電ドライバ、機械的なねじ機構または他の公知の方法によって変形された。しかし、最近の方法において、変形可能ミラーは、電極アレイが光学系においてミラーに静電的に近接して配置される技術によって駆動されることができる。静電的な近接は、本明細書で使用されるように、電圧をこれら電極間に印加することによって、これら電極とミラーの間に引き寄せ力が生成されることを意味する。この手法は、静電的駆動として知られている。ミラー表面の種々の部分に沿って引き寄せ力を制御することによって、ミラーの形が、公知の方法で変更され、それによって、少なくとも一部分で波面歪みが補正される。別の適応光学方法は、ミラーの複数の部分を引き寄せ、またははね返すために磁気の力を使用することを含む。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、こうした変形可能ミラーを使用するシステムは、重大な制限を有する。たとえば、静電的駆動に依存して波面の形を補正する従来技術の適応光学系は、ある瞬間において、特定の電極とミラーの個別の部分との間で引き寄せを起こすことができず、その後、次の瞬間に、その特定の電極とミラーのその同じ部分の間ではね返しを起こす静電気力を生じることはできず、または、その逆もできない。さらに、ミラーの特定の場所で所定の圧力を生成するのに必要な電圧は、ミラーから関連する電極への距離に非線形に従属する。この距離は常に変わるために（たとえば、ミラーが能動的に変形した時、ミラーの複数の部分は電極の近くに引き寄せられるであろう）、異なる瞬間に使用される同じ電圧は、特定の場所のミラーの形にかなり異なる結果を生じるであろう。ミラーの形を変えて、波面の形を補正するために、磁気の力を使用する変形可能ミラーもまた重大な制限を有する。たとえば、こうしたミラーは、電圧を印加すると、かなりの熱を生成する電気コイルを必要とする。この熱は、ある用途に対してミラーを適当でなくする影響を有し（たとえば、赤外線画像生成）、また、極端な場合には、システムの種々の構成部品に望ましくない熱応力を生ずるであろう。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
波面歪み補正に関連する上述の問題は、本発明によって解決される。本発明によれば、拘束電荷は、ミラー内に、またはミラーと機械的に結合されている材料に集積される。拘束電荷層に静電的に近接して配置された第１の電極のグループの中の特定の電極に近い拘束電荷層の部分は、その電極にかかる電圧の符号を変えることによって、その特定の電極に対して交互に引き寄せられたり、またははね返されたりする。したがって、この拘束電荷層に機械的に結合しているミラーは、その特定の電極に対して同様に引き寄せられたり、またははね返される。一実施形態において、第１の電極のグループから、ミラーの反対側に配置された第２の電極のグループは、ミラーの特定の部分を選択的に引き寄せ、またははね返すために、電界を画定し、第１のグループの特定の電極の能力を向上するために使用されることができる。電極のグループを平面に配列するのが有利である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、光ビーム１０２を反射または集束させるためにミラー１０１を利用する従来技術の構造を示す。光ビーム１０２は、光ネットワークスイッチを通過する光信号、自由空間光通信システムにおける光信号、人間の目の部分から反射される光、またはミラーを使用してビームの経路を集束または変更する、任意の他の用途における光ビームであってもよい。ミラー１０１は、基板の一方の側が、窒化ケイ素、単結晶シリコン、多シリコン、ポリイミドまたは他の公知の材料のような１つまた複数の材料層で堆積されているシリコン基板を、当該技術分野で公知の方法を用いてエッチングすることによって作ることができる。
【０００９】
容易に変形可能なミラーを作るために、一般的に、１ミクロンほどの薄さの膜が残るまで、側壁１０３を残して材料がエッチングされる。膜は反射するため、方向１０４に進む光ビーム１０２は、ミラーに達すると、ミラーの表面から反射して、方向１０５に向けられる。反射率を増すために、この膜の上に金属被覆（たとえば、アルミニウム）が形成されてもよい。公知の方法を用いて支持フレームに側壁１０３を結合することによって、ミラー１０１において張力が維持される。
【００１０】
上述したように、波面歪みは、伝達媒体の反射特性に対する任意の変化が、光ビームの進行線１０４に沿って起こる時に生ずる可能性がある。これらの変化によって、ビームの波面の個々の部分が、その伝達された、垂直方向から、ビーム１０２の進行線１０４へそれる可能性がある。その結果、波面が、たとえば、ミラー、望遠鏡の焦点面、光波面センサ（たとえば、湾曲波面センサまたはシャックハートマン型（Ｓｈａｃｋ−Ｈａｒｔｍａｎ）波面センサ）であるかもしれない目的地、または任意の他の目的地に達すると波面のイメージの歪みが生ずる。例によれば、光通信システムにおいて、歪みは通信信号の重大な劣化、すなわち全体の通信損失を生ずる可能性がある。
【００１１】
図２は、従来技術によって、静電気力を使用してミラーの反射面を変形して、光ビーム１０２の波面歪みを補正する図１の構造を示す。図２に示すミラー２０１は、波面歪みの影響を少なくとも部分的に補正することができる。公知の技術を用いて上述した歪みを計測することによって、その歪みを補正するのに必要なミラーの形が決定される。側壁２０３の間に吊るされ、かつ接地されているミラー２０１は、ミラー２０１の下の、距離ｄにある電極の平面２０２の少なくとも１つの電極に、電圧をかけることによって作られる静電気力を用いて変形される。次に、変形されるべきミラー２０１の領域の直下に配置された、電極２０４のような、これら電極の１つまたは複数に選択的に電圧をかけることによって、その領域は方向２０５の電極２０４へ引き寄せられる。平面２０２内の個々の電極に種々の電圧をかける結果として、光ビームがミラー２０１に入射する時、上述した波面の変形が減ぜられるように、ミラーの種々の部分が変形する。前記歪みを検出して、その情報を個々の電圧に変換して、ミラーの変形を作ることによって波面歪みを補正するための上述した技術は、当該技術分野では公知である。自由空間光通信システムにおいて使用される、この方法および装置の実施例は、２００１年６月２９日に提出された、第＿号の「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｗａｖｅ Ｆｒｏｎｔ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ Ｗｉｔｈｉｎ ａ Ｆｒｅｅ−Ｓｐａｃｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｙｓｔｅｍ」と題する同時係属中の米国特許出願に記載されている。
【００１２】
図３は、側壁３０３の間に吊り下げられ、接地されたミラー３０１の反射面が、図２の実施形態に比べて、より大幅に波面歪みを補償されることができる、図２の構造を示す。上述したように、側壁３０３は、公知の方法を用いた支持構造に取り付けられる。図３の実施形態によって提供される、より大幅な補償の程度は、第１の電極面３０２から、ミラー３０１の反対側の、そのミラーから距離ｄ_１のところに第２の電極面３０７を付加することによって成し遂げられる。平面３０７は、光ビームの光学経路内にあるため、その平面は、透明電極、円形電極リングまたはビーム経路をそれほど妨げないであろう任意の他の電極タイプから成る。電圧Ｖ_１が電極３０７にかけられると、ミラー３０１は、方向３０６のその電極の方に引き寄せられる。図２に示す実施形態においてのように、電極３０４に電圧をかけることによって、ミラーは、方向３０５のその電極の方に引き寄せられるであろう。方向３０５かまたは方向３０６のいずれかの、こうした広い範囲の移動は、光ビーム１０２の波面歪みの大幅な補正に役立つ。
【００１３】
図１、２および３の従来技術のミラー構造を用いたシステムは、重大な制限を有する。これらシステムは、ある瞬間に特定の電極とミラーの個々の部分の間に引き寄せを生じ、その後、次の瞬間に、その特定の電極とその同じミラーの部分の間にはね返す静電気力を生じることはできず、または、その逆もできない。さらに、ミラー上の特定の場所で所定の圧力を生成するのに必要な電圧は、関連する電極に対するミラーからの距離に非線形に従属する。この距離は常に変わるために（たとえば、ミラーが能動的に変形した時、ミラーの複数の部分は電極の近くに引き寄せられるであろう）、異なる瞬間に使用される同じ電圧は、特定の場所のミラーの形にかなり異なる結果を生じるであろう。
【００１４】
図４は、材料の拘束電荷層４０４が、ミラー４０１の表面に添着され、またはそうでなければ機械的に結合される、本発明の一実施形態による構造を示す。本明細書で使用されるように、拘束電荷は、誘電体材料の永久的または半永久的な電気分極である。こうした分極は、たとえば、誘電体材料に電荷を注入することによって作ることができる。さらに、強誘電体層が分極されるか、または誘電体材料が電離放射線に暴露されることができる。本明細書で使用されるように、ミラーとの機械的結合は、拘束電荷層にミラーが集積化されている、すなわち、拘束電荷層が、層または中間材料の複数層を通して、または別の構造または複数構造（たとえば、拘束電荷層をミラーに結合する１つまたは複数の柱またはばね）を通して、ミラーに接触していることを意味する。
【００１５】
厚みＢのミラー４０１は、上述したように、公知の方法を用いて、基板の一方の側を窒化シリコン、単結晶シリコン、多シリコン、ポリイミドまたは他の公知の材料のような材料層で堆積された、厚みＤのシリコン基板をエッチングすることによって製作することができる。表面４０２からのエッチングは、厚みＡの側壁４０３（通常、５ｍｍのオーダ）および反射ミラー表面４０１を生ずるであろう。側壁４０３を形成する材料は、こうした材料がミラー表面に剛性を付加するために、使用できるミラーに保持されることができる。基板をエッチングして膜ミラーを作ることは、本質的に典型的であることを意図しているにすぎない。静電的に変形することができるミラーを作る任意の他の方法が、本発明を実施するために使用されてもよい。
【００１６】
厚みＣの誘電体材料層４０４は、エッチングされた表面とは反対のエッチングされた基板の表面に添着される。この目的に適した、具体的な材料は、スピンコーティングされるか、または基板上に堆積されるか、成長させられ、１または数ミクロン厚の材料層を作ることができるＴｅｆｌｏｎ（登録商標）（または、別の誘電体材料）である。一旦この層４０４が形成されると、ＤＣ電界によるプラズマ内のコロナ放電によって、または他の公知の方法によって、持続性の拘束電荷がその中に注入されることができる。こうした放電を用いて、種々の条件下で何年にもわたって持続する、１０^−７〜１０^−９Ｃ／ｃｍ^２の密度のＴｅｆｌｏｎ（登録商標）層４０４内に電荷が作られる。上述の方法で作られたＴｅｆｌｏｎ（登録商標）の電荷は、許容可能な拘束電荷層を作るが、拘束電荷層をミラーに機械的に結合する他の方法もまた可能である。たとえば、ミラー自体は、電荷を保持するのに適した材料で構成されてもよい。別法として、電荷は、キャパシタをミラーに取り付けることによって、半永久的にミラー内に作られることができる。
【００１７】
図５は、図４の構造の適応光学の実施形態を示す。この実施形態において、ミラー４０１は、２つの電極面５０１および５０３の間で支持される。電極面５０３は、拘束電荷層の上に、既知の特性を有する電界を付加するのに役立つ。この電界によって、ミラー４０１の大幅な制御が可能になる。２つの面５０１および５０３は、距離Ｄだけ離され、拘束電荷層４０４から等距離（すなわち、ｄ_１＝ｄ_２）に配置されるのが有利である場合がある。動作時、光信号は、ミラー４０１が支持される光学系によって受信される。（たとえば、シャックハートマン型センサまたは湾曲波面センサを用いた）公知の波面検知技術が使用され、光信号の波面の歪みが計測される。歪みが検出されると、公知の技術を使用して、その歪みを補償するのに必要なミラー４０１の変形が決定される。上述したように、面５０１内の電極５０２のような、個々の電極に電圧をかけることによって、ミラー４０１の変形が生ずるであろう。こうした電極は、アレイ状に配列されることができ、こうした方法で配列されることで、アレイにおいて、個々に制御された電圧を多数の電極にかけることによって、ミラー４０１の表面上の多数の領域が変形されて、上述の波面歪みを補償することができる。拘束電荷は、ミラー４０１に機械的に結合された誘電体材料４０２内に注入されるため、また拘束電荷層の上の電界が既知であるため、その電極にかける電圧の符合を変えることによって、種々で、既知の方向の変形を生ずるであろう。符号が拘束電荷の符号と同じ場合、各電極に最も近い、拘束電荷層４０４の領域、したがってミラー４０１は、その電極からはね返されるであろう。一方、電極にかかった電圧の符号が拘束電荷の符号と逆である場合、拘束電荷層４０４およびミラー４０１は、その電極に引き寄せられるであろう。電極面５０３は透明で、光ビームの光学経路内にある。この面は、グラウンド接続であり、グラウンド接続は、電極５０２および誘電体材料４０２を有するミラー４０１とともに、電界の幾何学的形状を画定するのに役立ち、こうした透明電極が使用されない場合と比較して、ミラー４０１で得られる変形に対する予測可能性を付加する。図４の距離ｄ_２が距離ｄ_１に等しい場合で、また、拘束電荷層４０４の小さな変位について、拘束電荷層４０４に加わる圧力は、関係：
Ｐ＝δＶ／Ｄ （式１）
で定義される。ここで、Ｐはミラーに加わる圧力、δは誘電体層４０２内の拘束電荷密度、Ｄは図５の２つの電極面の間の距離である。ｄ_２がｄ_１と異なる場合、この式は、
Ｐ＝δＶ／Ｄ−δ^２［（ｄ_２−ｄ_１）／（２ε_ＯＤ）］ （式１ａ）
となる。
【００１８】
図２に使用されるような従来技術のミラーに加わる圧力は、関係
Ｐ＝１／２（ε_ＯＶ^２／ｄ^２） （式２）
で定義される。ここで、Ｐは再びミラーに加わる圧力、ε_Ｏは定数（８．８７×１０^−１２Ｆ／ｍ）、Ｖは関連する電極にかかる電圧、ｄはミラーから関連する電極面までの距離である。２つの電極面が使用される、図３で使用されるミラーの場合、ミラーに加わる圧力が２つの異なる電極面に依存する可能性がある。この場合、圧力は、関係：
Ｐ＝１／２ε_Ｏ｛（Ｖ^２／ｄ^２）−（Ｖ_１ ^２／ｄ_１ ^２）｝ （式３）
で定義される。ここで、Ｐは特定の場所でミラーに加わる圧力で、ε_Ｏは定数で、Ｖは面３０２上で図３の電極３０４に印加される電圧で、ｄはミラーから電極３０４までの距離で、Ｖ_１は面３０７内で図３の電極３０８に印加される電圧で、ｄ_１はミラーから電極３０８までの距離である。
【００１９】
式から容易に明らかになるように、図５においてｄ_２＝ｄ_１である、本発明によれば、式１で定義される図５の拘束電荷層４０４に加わる圧力は、電極の任意の個々の面からミラーまでの距離とは全く独立している。図５の面５０１および５０３の間の任意の所定の距離に対して、この圧力は、面５０１の電極に印加される電圧とまさに線形である。拘束電荷層４０４に加えられる圧力を制御することは、電極５０２に印加する電圧Ｖを変えることである。式２および３によって説明された従来技術の場合において、ミラーに加えられる圧力は、電圧Ｖの２乗およびＶ_１の２乗の両方に依存し、電極３０２および３０７の各面からの距離の２乗にそれぞれ逆比例で依存する。結果として、圧力Ｐの単位増加を達成するために必要な電圧Ｖ（または、Ｖ_１）は、ミラーから電極面までの距離ｄおよびｄ_１の変化とともに絶えず変わる。したがって、これら従来技術の場合において、ミラーに加える圧力を変えることは、複雑な制御アルゴリズムを必要とする。
【００２０】
図６は、ミラーを形成する膜の空間周波数の関数として、図５のミラー４０１の変位の振幅のグラフを示す。空間周波数は、装置が受け入れる可能性がある、ミラーの形の複雑さの程度、したがって、装置が補正できる波面歪みの複雑さを計測する。（たとえば、電極の電圧を増加することによって）静電気圧力を増加することは、軸６０１によって表される、膜の空間周波数応答を増加させる。線６０３は、空間周波数と単一電極面と関連して使用される図３の従来技術のミラー３０１の変位の振幅の間の関係を表す。線６０４は、拘束電荷層が２つの電極面と関連して使用される、本明細書の図５で示される、本発明の実施形態に対して同じ関係を表す。線６０３および６０４は両方とも空間周波数の２乗に関して逆に変わる。すなわち、膜の変位の振幅は空間周波数が増加するにつれて減少する。しかし、所定の空間周波数６０５に対して、図３の従来技術の膜は、変位振幅６０５を示すのみであるが、本発明の実施形態で使用されるミラーは、かなり大きな変位振幅６０６を示すであろう。結果として、本発明の原理によるミラーを使用する時、従来技術と同じ変位を達成するのにより小さい電圧が必要となる。
【００２１】
上述したことは、単に本発明の原理を説明している。したがって、本明細書において明快には説明され、または示されていないが、本発明の原理を具体化し、本発明の精神および範囲内にある種々の構成を、当業者が考案することができるでろうことが理解されであろう。さらに、本明細書において引用される全ての例および条件付きの言葉は、読者が本発明の原理を理解するのを助けるために、教育学的な目的のためのみであることが明白に意図されており、こうした、特に引用された例および条件に限定されることがないものとして解釈されるべきである。本明細書の線図は、ミラーおよび光ビームの概念的な図を表す。光学構成部品の線図は、必ずしもスケール通りに示されていないが、代わりに、単に、こうした構成部品の可能な物理的構成を表している。
【図面の簡単な説明】
【図１】入射する光ビームを新たな方向へ再び向ける、従来技術のミラーを示す図である。
【図２】電極面によって生成された静電気力が、ミラーの形を変えるのに使用される、従来技術のミラーを示す図である。
【図３】光学経路の第２の電極面が、ミラーの変形の程度を増すために使用される、従来技術のミラーを示す図である。
【図４】拘束電荷層がミラーに添着される、本発明の一実施形態によるミラーを示す図である。
【図５】ミラーの両側の各々の、第１の電極面および第２の電極面が、ミラーのまわりの電界を画定するために使用される、図４のミラーを示す図である。
【図６】従来技術のミラーおよび図４のミラーの両方の変形の空間周波数と振幅の間の関係を示すグラフを示す図である。

Claims (10)

1. 変形可能なミラーと、
   前記ミラーに機械的に結合された拘束電荷（ｂｏｕｎｄ ｃｈａｒｇｅ）層とを備える装置。
2. 前記拘束電荷層に静電的に近接して配置される第１の電極のグループをさらに備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記拘束電荷層に静電的に近接して配置される第２の電極のグループをさらに備える、請求項２に記載の装置。
4. 前記ミラーは、前記第１の電極のグループと前記第２の電極のグループの間の位置に配置される、請求項３に記載の装置。
5. 前記拘束電荷層は、前記ミラーに集積化されている、請求項１に記載の装置。
6. 前記拘束電荷層は、前記ミラーと物理的に直接接触している、請求項１に記載の装置。
7. 少なくとも１つの拘束電荷層が少なくとも１つの変形可能なミラーに機械的に結合され、少なくとも１つの電極のグループが前記拘束電荷層に静電的に近接して配置されている光学システムにおいて使用するための方法であって、
   波面歪みの検出に応答して、前記少なくとも１つの電極のグループの少なくとも１つの電極に、正または負の電圧を印加することを含む方法。
8. 前記ミラーは、２つの電極のグループの間に配置される、請求項７に記載の方法。
9. 複数の変形可能なミラーを備え、前記ミラーの各々は、対応する複数の拘束電荷層に機械的に結合されている装置。
10. 光ネットワーク接続スイッチを備える、請求項９に記載の装置。

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